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幕墙结构体系总结及分析!

531 次 admin 新闻动态

一、引言

四十年代末,在一些发达国家,由于兴建高层建筑的需要和塔式起重机的出现,在减轻围护墙体方面取得了巨大发展。开始以无数高度工业化的模数化的轻金属,玻璃预制单元镶嵌或悬挂在框架结构外,作为围护墙体,由于它大片连续,不承受荷载,质轻如幕,故称幕墙。现在,幕墙已经成为现代建筑的象征,为众多建筑所广泛采用。幕墙作为建筑的重要部分,其结构设计尤为关键。因为它几乎含概了幕墙设计的所有内容。优秀的结构形式将对幕墙及建筑主体的装饰性、功能性和经济性产生至关重要的影响。这也是业主与承建商共同关心的问题。本文参照我司现有的部分产品,对投标过程中如何根据业主的需要选择基本结构提出了一些建议。

二、设计原则

按有关规范,建筑幕墙采用以概率理论为基础的极限状态设计方法,用分项系数的设计表达式进行计算。其结构设计的标准是在正常荷载作用下不产生损坏,在这种情况下,幕墙处于弹性状态。其中玻璃的安全度K=2.5;铝板的安全度K=2.0,花岗岩的安全度K=3.0,铝材的安全度K=1.8。

幕墙应按围护结构进行设计。幕墙的主要构件应悬挂在主体结构上,幕墙在进行结构设计计算时,不应考虑分担主体结构所承受的荷载和作用,只应考虑承受施加于其上的荷载与作用。幕墙及其连接件应具有足够的承载力、刚度和相对与主体结构的位移能力。非震区幕墙,在风力的作用下,应保证正常的幕墙使用功能。有抗震设计要求的幕墙,应做到小震不坏、中震可修、大震不倒。幕墙构件的设计,在重力荷载、设计风荷载、设防烈度地震作用、温度作用和主体结构变形影响下,应具有安全性。

好的结构设计应满足下列要求

s •理解业主的要求、尊重建筑师的思路和意见、满足外装饰的艺术性和协调性。

s •考虑结构的可行性及合理性

s •满足幕墙安全性和功能性要求

s •保证较好的内视效果

s •保证开启的功能性和装饰性

s •满足材料的强度、刚度要求

s •满足幕墙各种使用功能的要求

s •考虑各种不同材料交界的处理方式

s •考虑材料开模和加工的可能性和工艺性(横梁大于1.2m,壁厚不小于3mm、螺钉连接部分截面厚度大于螺钉公称直径)

s •在尊重设计师的思路和满足装饰效果的前提下,充分融合自己的特点,使外装饰设计更加完善

作为幕墙工程投标的关键环节,设计准则:根据业主的修养和所能提供的资金状况,在建筑幕墙的艺术性、功能性、安全性及经济性之间寻求一种平衡,即以最优的分格形式和结构,保证建筑的装饰完美、功能完善,和最大限度的成本降低。

三、框架幕墙的结构选型

构成原理:框架式幕墙是用一根根元件(竖框、横框)安装在楼板或主梁上,再相互连接竖框、横框,形成框格体系,再将板块(玻璃、铝板、石材)镶嵌在框格上,形成幕墙,对以竖向受力为主的框格,首先将竖框固定在建筑物每层楼板(梁)上,再将横框通过角片固定在竖框上,对以横向受力为主的框格,则先安装横框,竖框固定在横梁上,以形成幕墙框格体系,再安装面板。

框架式幕墙的优点:

s 各元件加工简单,操作方便。

s 可以保证幕墙良好的使用功能,空气渗透性能、雨水渗漏性能、风压变形性能均可达国标规定的要求。

s 运输方便,且运费低。

s 现场贮存材料方便。

框架式幕墙的缺点:

现场工作量大,安装周期长。

现场施工质量管理和施工组织要求较高

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图1

(一) 隐框幕墙

隐框幕墙是我司在实际工程中应用较早,也是应用最多的结构。比较有代表性的如90年代初期的哈尔滨森融大厦、沈阳北站综合楼、西单国际大厦等,其中铝板的处理方式上北站、西单的结构比较接近,北站结构中铝板带勾边,而西单为结构防水,由于结构上的不足,这两种结构已很少采用。相对而言森融结构堪称经典之作。笔者认为并非仅仅那些错综复杂、晦涩难懂的才称为好结构。简洁、实用、而功能强大的一样是优秀作品。

经过多种结构的比较,以下三种结构可在向业主推荐时予以考虑。即浮动式上挂式全挂式三种。其中,浮动式即森融结构,上挂式为浮动式的变型,而全挂式即“小单元”幕墙。

浮动式

浮动式定位安装隐框幕墙在工程中大量应用,该结构是我公司在国外技术基础上,结合我国自然环境研制而成,并被列入建设部标准图集《铝合金玻璃幕墙》(标准号97SJ103)。做为一种成熟结构在哈尔滨森融大厦、天津邮政网管大厦等建筑中广泛应用。

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图2

此系统的主要技术特点如下:

s 采用定位安装、定距压紧式结构,横竖框上的定位槽口有效控制了板块的压紧力。保证饰面板块安装位置精度,同时保证幕墙表面平整度,避免了由于压紧力不均而造成的安装应力,可有效阻止玻璃影像畸变和铝板“起包”现象,也避免了玻璃的自爆。

s 板块采用浮动式连接结构,在温度应力等作用下压板-附框间允许相对位移,板块能够自由伸缩,平面内变位吸收能力强,抗震能力强。

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图3

s 密封性能可靠,采用双道环形密封,外层为厚度大于3.5mm的耐候硅酮密封胶,内层为三元乙丙胶条,接头处用专用胶粘接,可有效地保证气密和水密性能。(均可达到一级)

s 横梁与竖梁的连接采用可伸缩结构,满足了横梁因温差作用而产生的伸缩变形要求,消除了幕墙的伸缩噪音,提高了系统的抗变位能力。

s 所有硬性接触处,均采用弹性连接,提高了幕墙的抗震性能,消除了伸缩噪声,吸收声波,同时由于密封性能的提高,保证了帷幕的隔音效果。

s 固定板块的压板采用螺钉、螺母加弹簧垫圈紧固,螺母下到型材槽内。克服了自攻钉连接强度不够、易松动等问题。连接牢固,安全可靠,可调性好。

s 安装可操作性强,可先装竖框, 后装横框。这样既可以提高框架安装精度和速度,又能解决先装横框成品保护困难问题。

s 玻璃板块下方设置托板,

s 不同金属的接触面都使用尼龙垫片以防止电化腐蚀

s 幕墙和主体之间采用螺栓连接实现三维调整,既保证幕墙的平面度和垂直度,又提高结构抗震性能。(耐热的环氧树脂或尼龙12垫片)

s 通用性好,仅通过附框的变型既可实现中空玻璃、单玻璃、铝板等多种板材的装饰形式。

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图4

s 为降低成本,铝板横框可作成H型或T型框,特殊部位也可用几字条或仅用角片连接。(图4)

s 如室内须氟碳喷涂,附框应做成分体式。(图5)

s 横框做成方腔,即可做成弯弧幕墙(图6)

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图5

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图6

上挂式

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图7

浮动式幕墙也存在一些不足,比较关键的一点是浮动式幕墙采用坐装式,板块的稳定性相对要差一些,而且由于自重产生弯曲应力,使板块容易变形。虽然板块周围定距压紧的压板使弯曲应力有所抵消,但长时间的重力荷载显然会幕墙的平整度产生不利影响。为此,我司对浮动式结构加以改进,将横向附框和横框该为上挂式,有效的解决了这以问题。近年来,我司的许多工程如青岛光大银行、北京710所等均采用此结构,效果较好。

该幕墙系统除具有浮动式幕墙的一般特点外,还因其采用上挂式安装结构,周边浮动式压板连接固定,使板块处于悬挂受拉状态,可避免重力影响和温度应力作用产生铝板中部“鼓包”和玻璃影像变形失真、自爆等现象,保持外表面平整,保证外观效果。同时安装方便,速度快,节省时间。但本结构也有一个缺点,即:不能用于弯弧幕墙

全挂式

全挂式又称小单元幕墙,是我司参照国内外同类技术研制的。它虽属框架幕墙,但克服了以往框架幕墙螺钉连接的弊端,主受力处完全实现无钉连接。不仅加快安装速度,保证了板块的平整度,更重要的是:幕墙的安全性大大提高了。我司在石家庄长途电信等工程中使用此结构。近年来又对其加以改进,使结构日趋完善,成本尽量降低。

该系统基本特点如下:

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图8

s 结构板块固定靠型材的挂接来实现,板块直接挂于横竖龙骨上的特殊横口上,靠龙骨本身定位,取消了以往的压板连接方式,且设计了防松动的卡块,以防板块松动和串位,使连接强度趋于更加合理,消除了人为因素产生的安全隐患,安全可靠,可适用于高层建筑。外挂单元板块加工方便、简捷,工厂内加工组合,加工精度高。

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图9

s 安装简便,易于调整,可无序安装,安装速度快,施工周期短。更换亦简洁易行。

s 所有型材接合部位均设有弹性胶垫,横竖框连接采用浮动式伸缩结构,可从根本上消除热变形伸缩噪音。

s 弹性连接结构可吸收一定的横竖框安装阶差,且抗震能力强。

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图10

s 挂接量较大,可吸收较大的安装误差,横竖框间距及板块几何尺寸的累积误差小于等于3mm时,均可正常顺利安装。

s 采用三道密封,水密性和气密性良好。

s 每个板块的固定靠定位块组件来实现。板块挂上后先将定位块担在两块板副框的槽里,然后再插入定位插件,将板块固定。

s 该结构的缺点是成本较高,且不能用于弯弧幕墙。

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图11

为降低成本,可将“等片”合中空改为“大小片”合中空,也可将横竖框尺寸适当减小(图11)。但此结构必须横竖框同时安装,现场施工的精度和速度有一定影响。

成本分析

为了更好的比较以上结构的经济性,特制作下列表格以供参考。

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附表说明

1.本表仅考虑每平米直接费的差价,且未计插芯、托板、角片和翻窗费用。

2.计算单元格为1.05m×1.6m,中空玻璃6+9+5mm。

3.全挂式1为研究所开发结构、横竖框宽80(等片合中空)。120系列

4.全挂式2为后改进结构、横竖框宽75(等片合中空)。120系列

5.浮动式和上挂式采用125系列。

6.如全挂式2改为聚硫胶合片,差价可降为43.6元。

7.型材、胶条的截面面积及成本计算附后。

分析结论

根据以上分析,对框架式全隐幕墙可做如下结论

1.平面玻璃幕墙应首选上挂式。

2.由于横框的多样性,弯弧玻璃幕墙及铝板幕墙应选用浮动式

3.如业主资金较好,且建筑不适合做单元幕墙的情况下,可选用全挂式

4.对其他结构中好的做法(如钢龙骨挂轴式铝板等)可在投标中适当应用。

(二) 明框幕墙、半隐幕墙及断热幕墙

早期的幕墙,基本都是明框做法。随着硅胶在建筑上的应用,隐框幕墙曾受到许多设计师的偏爱。但近年来,明框或半隐幕墙似乎又占据了主导地位。毕竟,丰富多变的装饰线条更能体现建筑的个性。

我公司类似的工程也很多比较典型的有厦门建行、上海智慧广场、北京联合广场、北京西西工程一号地等

虽然此类幕墙幕墙外饰面变化颇多,但结构、成本基本相近,本文在此不做比较分析,仅将我司现有几种类型归纳列出以供大家参考。

明框幕墙

结构1

本结构在投标中经常使用,主要特点如下:

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图12

s 明框幕墙玻璃座装在横梁上,横向和竖向通过压板定距压紧,外加扣板,安装可靠,装饰效果好,耐候性强。玻璃可浮动,能满足幕墙各种变位要求。

s 在结构的处理上,采用分体结构,竖向及横向均以压板勾到竖框、横框上,辅之以自攻钉拧紧,即可定位,又牢固可靠,由于此分体结构既方便更换玻璃,又安装灵活。

s 通过铝合金垫框可实现中空玻璃、单玻璃及铝板的装饰形式。

s 横梁前部及外露扣板底部设有排水通道,使少量可能渗入的雨水沿此通道排到室外,实现结构防水。

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图13

s 密封胶、密封胶条的双道密封保证幕墙的水密性和气密性。

s 横向压板与横框间靠型材交合承受负风压,自攻钉不起受力作用,结构合理,安全可靠。

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图14

s 玻璃板块采用浮动式柔性安装结构,且压板定距安装,玻璃不会产生安装应力而导致破损。

s 开启形式有上挂式和铰链式两种。密封胶条采用三元乙丙胶条具有很能强的耐老化性、耐候性、耐高低温性,因而有很长的使用寿命(30年以上)。

s 装饰扣板可根据需要做成各种形状满足装饰要示。如外立面要求大扣板装饰,室内须加设相应型材以保证外饰效果。

s 安装可操作性强,可先装竖框,后装横框。

结构2

此结构为研究所开发的KJ401型明框玻璃幕墙,同结构1相比有两个主要特点:一是横竖框采用柱销式连接,二是外露扣板有自洁功能。

结构主要特点如下

s 本产品为明框结构。横框与压板采用分体,竖框采用整体结构,便于安装且能保证安全。

s 横、竖框用柱销连接,横框可自由伸缩,安全可靠,消除了横框热变形产生的噪音。

s 竖框上与横框连接销孔用专用设备及工具加工完成,可有效保证加工精度,进面保证横框安装的位置精度。

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图15

s 本产品采用两道胶条密封,干式结构,利用等压原理实现结构防水。如果有少量水渗入,能及时通过排水系统排出,保证了幕墙的水密性能。

s 能够进行无序安装和拆卸,维修方便。

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图16

s 本系统具有清洗功能。由于采用干式密封,不用硅酮胶,无硅油渗处,大大减少灰尘吸附量,减轻污染程度。另外,装饰扣板上设有积灰排水槽,玻璃表面及横向扣板上积留的灰尘可随雨水冲刷通过此槽向下排出,不致流到下面的玻璃表面而造成污染,即可利用雨水冲刷达到自身清洗作用,装饰效果美观,清洗周期延长,降低维护费用。

s 弧形幕墙尤其是半径较小的弧形幕墙,不宜采用此结构。

结构3

即参照美国康尼公司为厦门建行工程设计的明框幕墙,其主要结构特点如下

s 横竖框连接机构新颖,横框重量较轻,特别是窗间部分,可明显降低此处的横框成本

s 采光部分可在室内安装

s 横梁前部及外露扣板底部设有较好的排水通道,可实现结构防水

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图18

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图18

s 横框压板为分体式,开模精度不好保证,

s 因康尼公司设计的结构中没考虑翻窗,所以增加翻窗结构后,存在些问题。如翻窗上横框其压板不能与横框做成一体。

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图19

s 对中空玻璃,翻窗可作成等片,由于玻璃后面的胶条不与外片镀膜玻璃接触,可避免结构胶形成的黑边。此方法使用于各种类型中空玻璃翻窗,但对单玻璃而言,因胶条直接与镀膜玻璃接触,效果反而不好。

半隐幕墙。

半隐幕墙分为显横隐竖及显竖隐横两种形式,本文仅给出显横隐竖的结构特点

s 半隐幕墙玻璃座装在横梁上,横向通过压板压紧,外加扣板,安装可靠,装饰效果好,耐候性强。竖向通过压板、附框连接方式,保证了浮动式连接,满足了幕墙各种变位要求,避免了因结构变位造成的玻璃破损。

s 横梁前部及外露扣板底部设有排水通道,使少量可能渗入的雨水沿此通道排到室外,实现结构防水。

s 幕墙和主体之间实现三维调整,既保证幕墙的平面度和垂直度,又提高结构抗震性能。

s 玻璃座装于横梁上,避免了结构胶承受剪力,提高了使用安全性。

s 横梁与竖梁的连接采用可伸缩结构,满足了横梁因温差作用而产生的伸缩效应,消除了幕墙的伸缩噪音,提高了幕墙的抗震变位能力。

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图20

s 利用等压原理和双道密封,保证幕墙的水密性和气密性。

s 所有硬性接触处,均采用弹性连接,提高了幕墙的抗震性能,消除了伸缩噪声,同时由于密封性能的提高,保证了帷幕的隔音效果。

s 不同金属的接触面都使用尼龙垫片以防止电化腐蚀。

断热幕墙

明框玻璃幕墙和半隐玻璃幕墙有大量外露装饰扣板,因铝合金型材为良好导体,导热性强。外界与室内的热量会通过这一“桥梁”大量传递,使幕墙性能下降。因采光部分无法做墙体保温,必须采取一种措施阻止热量传递。由此,断热幕墙应运而生。断热幕墙的基本理念是采用一种高强度绝缘材料将室内外型材隔断,形成“断热桥”以提高幕墙性能。

类似的断热幕墙及断热门窗工程有中国电信(单元式)、大连忆达、中国青年培训中心等。目前,我司在断热幕墙、门窗上使用的断热条均为进口产品(意大利Alfa,德国Technoform),其主要材料为聚氨脂加玻璃纤维。国内生产的断热条主要成分为增强PVC,性能同国外相比有较大差距,在实际工程中应慎重选用。

隔热桥基本参数如下

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下面归纳出几种框架式断热幕墙形式,供大家参考

结构1

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图21

此明框幕墙结构设计采用本公司成熟的明框断热幕墙系统结构,性能可靠,气密性能、水密性能优良。在中国青年高级人才培训中心等工程中已大量使用并反应很好。本设计系统除满足正常功能外主要考虑了其水密性及排水途径的安装,从而达到“构造防水”“以排为主”的较先进的设计原则,一改过去打密封胶“以堵为主”的陈旧观念。其结构设计特点详见下述:

s 断热冷桥设计,阻止热量大量传递,有利于保持室内温度,节约能源。用意大利专用设备进行组桥,组桥精度高,质量有保证。断热条结构推荐两种形式,具体祥见图纸。

s 明框幕墙玻璃座装于横梁上,横向和竖向通过压板压紧,外加扣板,安装可靠,装饰效果好,耐候性强。玻璃可浮动,能满足幕墙各种变位要求。

s 扣板前部特殊加工,形成排水通道,使少量可能渗入雨水排出。

s 所有硬性接触处,均采用弹性连接,提高了幕墙的抗震性能,消除了伸缩噪声,同时由于密封性能的提高,保证了帷幕的隔音效果。

s 不同金属的接触面都使用尼龙垫片以防止电化腐蚀。

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图22

s 利用等压原理和结构密封保证幕墙的水密性和气密性。

s 玻璃底部使用托板型材承重,避免了断热桥承重。

s 扣板同竖框挂接,避免了机制钉受到轴向拉力,连接可靠、安全。机制钉仅起定位作用。

s 本结构缺点是成本较高。

结构2

减小了横竖框和断热条的结构尺寸,使成本有所降低。但强度不如结构1可靠,而且,由于自攻自钻钉和室内外型材都有接触,也使得此结构不能完全断热。

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图23

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图24

结构2

同结构2相比,横框可以做得更小(带翻窗时除外),横竖框连接采用插芯及弹簧机构,形式新颖、安装简洁方便,但钻孔时须做胎具。

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图25

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