廈門港務(wù)大廈鋼鋁組合幕墻的構(gòu)造設(shè)計(jì)

崔浩（廈門佳迅裝飾建筑工程有限公司）

廈門港務(wù)大廈鋼鋁組合幕墻的構(gòu)造設(shè)計(jì)

崔浩
（廈門佳迅裝飾建筑工程有限公司）

大跨度玻璃幕墻設(shè)計(jì)中，為了保證幕墻構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度滿足要求，節(jié)省鋁型材用量，降低成本，一般采用鋼鋁組合結(jié)構(gòu)，它充分發(fā)揮了鋁合金型材和鋼材各自的優(yōu)勢(shì)，鋁合金型材保證了幕墻具有良好的裝飾性能，鋼立柱主要承受幕墻的工作荷載。鋼鋁組合結(jié)構(gòu)必將在大跨度、受力復(fù)雜的建筑幕墻中得到廣泛的應(yīng)用。

建筑幕墻；大跨度；鋼鋁組合；球鉸付框

1　引言

隨著高層、超高層建筑物的迅猛發(fā)展，建筑幕墻已經(jīng)成為現(xiàn)代建筑必不可少的一部分。幕墻作為建筑物的裝飾性維護(hù)體系，可以使建筑墻體的防風(fēng)遮雨性能、保溫隔熱性能、氣密性能和水密性能、美觀性能得到很大的改善。幕墻主要由金屬（通常為鋁合金型材和鋼材）構(gòu)件和各種板材組成的墻體構(gòu)件，通過豎框上的掛件與主體結(jié)構(gòu)上的預(yù)埋件相連接而成的建筑物外表的一層帷幔［1-5］。鋼鋁組合結(jié)構(gòu)充分發(fā)揮了鋁合金型材和鋼材各自的優(yōu)勢(shì)，鋁合金型材保證了幕墻具有良好的裝飾性能，鋼立柱主要承受幕墻的工作荷載。在玻璃幕墻龍骨和鋁合金門窗的框料的設(shè)計(jì)中，為了保證幕墻構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度滿足要求，節(jié)省鋁型材用量，降低成本，一般采用鋼鋁組合結(jié)構(gòu)，同時(shí)達(dá)到了外表美觀、截面小巧、視線通透的效果。另外在框架式玻璃幕墻的維修加固中，一般也采用鋼鋁組合結(jié)構(gòu)。

圖1　廈門港務(wù)大廈效果圖

2　工程概況

廈門港務(wù)大廈項(xiàng)目位于廈門東渡路西側(cè)、客運(yùn)聯(lián)檢大樓北側(cè)，主體結(jié)構(gòu)為框架核心筒結(jié)構(gòu)，建筑總高度為146.95m，大廈主樓層為33層及2層（屋頂）設(shè)備層，廈門港務(wù)大廈是廈門郵輪辦公區(qū)域內(nèi)的主要標(biāo)志性建筑，將會(huì)成為臨海的重要辦公地標(biāo)建筑。設(shè)計(jì)的概念來自‘帆船航行的動(dòng)力’。帆船航行的動(dòng)力來自大自然。一旦帆船從大自然中吸收了動(dòng)力，便展出帆船航行時(shí)的動(dòng)感氣勢(shì)。建筑的立面處理上，橫向線條與周邊建筑協(xié)調(diào)，西立面兩條雙曲弧線顯露出強(qiáng)烈的光影效果，突出陽光的概念與挺拔的風(fēng)格。建筑細(xì)部的處理，力求精致與細(xì)膩，體現(xiàn)出現(xiàn)代建筑的精湛工藝。整個(gè)塔樓幕墻形式用簡(jiǎn)潔單純的幕墻裝飾線條來簡(jiǎn)化建筑物的復(fù)雜形體，有規(guī)律間隔地設(shè)計(jì)豎向鋁合金裝飾線條。不同的建筑外裝飾線條，不僅是構(gòu)成建筑物的裝飾元素，也給建筑物以強(qiáng)大的視覺沖擊力，極具現(xiàn)化感和震撼力，積極追求建筑物的優(yōu)美輪廓，讓整個(gè)建筑物融入并障顯于周圍繁華環(huán)境之中，突出建筑物的大氣、時(shí)尚、中國、國際的意蘊(yùn)中。本工程主要采用半隱框架式玻璃幕墻，南北二側(cè)應(yīng)為平板玻璃折線拼成弧狀玻璃，玻璃分塊原則上是按柱距等分，標(biāo)準(zhǔn)層層高3.8m，部分層高達(dá)到了6.6m和4.2m，主要為淺灰色透明8mm+12A+6 mm Low-E雙鋼化中空玻璃，鋁包鋼龍骨，龍骨室外表面氟碳噴涂處理，室內(nèi)陽極氧化處理。西立面漸變式橫明豎隱框架式玻璃幕墻，部分為雙曲椎面玻璃要求采用無色熱彎玻璃，正是本工程的重點(diǎn)和難點(diǎn)。首層全玻幕墻8mm+12A+6 mm Low-E雙鋼化中空玻璃，主入口雨蓬采用10mm+1.52PVB+10mm夾層雙鋼化玻璃。

3　幕墻受力桿件的兩種鋼鋁組合結(jié)構(gòu)

幕墻受力桿件組合結(jié)構(gòu)主要有“鋁穿鋼”和“鋁包鋼”兩種形式［6］，“鋁穿鋼”組合結(jié)構(gòu)的典型節(jié)點(diǎn)如圖2所示，具體做法是把鋼插芯插入鋁合金型材的腔體中，鋼插芯和鋁合金型材通過抗剪構(gòu)件（一般為對(duì)穿螺栓等）使二者協(xié)同受力，幕墻立柱在均布線荷載作用下，鋼插芯與鋁合金型材所受的荷載是按照型材的抗彎剛度進(jìn)行分配，二者會(huì)產(chǎn)生同樣的變形曲線，撓度變形處處相同，整個(gè)截面處的應(yīng)力分布更加趨于均勻。值得注意的是，對(duì)于“鋁穿鋼”組合結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)，必須保證抗剪構(gòu)件具有足夠強(qiáng)度，保證鋼材和鋁型材不發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)。否則，如果抗剪構(gòu)件產(chǎn)生較大的變形或者剪切破壞，那么，“鋁穿鋼”的組合結(jié)構(gòu)將轉(zhuǎn)變?yōu)闊o剪切的疊合梁，這種疊合梁在均布線荷載作用下，鋼材與鋁材在接觸面將產(chǎn)生縱向的剪切滑移，因此，二者并不能協(xié)同受力，與真正的“鋁包鋼”組合梁相比，疊合梁的慣性矩和剛度大大降低了［7］，有可能無法滿足幕墻構(gòu)件強(qiáng)度和剛度的要求，甚至?xí)斐砂踩[患。另外，還應(yīng)該注意在鋼材和鋁合金材料的接觸面設(shè)置絕緣層以防止電化學(xué)腐蝕，一般“鋁穿鋼”組合結(jié)構(gòu)中設(shè)置絕緣墊片比較困難，即使安裝的過程中設(shè)置好了，也可能因?yàn)闆]有固定好位置而產(chǎn)生偏移，達(dá)不到預(yù)期的效果。為了解決這個(gè)問題，我們可以在鋼插芯的外表面涂刷3～5遍的有絕緣性能的防銹漆，并使防銹漆干膜的厚度滿足相關(guān)規(guī)范的要求。同時(shí)，為了防止鋼插芯內(nèi)表面的銹蝕，鋼插芯的兩個(gè)端口應(yīng)用封口板焊接密封。

圖2　“鋁穿鋼”橫梁典型節(jié)點(diǎn)圖

在以往的工程實(shí)踐中，“鋁穿鋼”組合結(jié)構(gòu)，將鋼插芯插入封閉的鋁合金型材的腔體的施工難度較大，鋼插芯與鋁型材的空隙過小，則不容易其穿入型材空腔內(nèi)；如果鋼插芯與鋁型材的空隙過大，則會(huì)造成二者之間的不能緊密配合，進(jìn)而無法協(xié)同受力。而“鋁包鋼”的做法克服了這一缺陷，鋼型材起到了承擔(dān)荷載的作用，而鋁合金型材一般只起到裝飾的作用，往往壁厚都很薄。鋁合金裝飾由幾段開口鋁型材通過螺栓固定在鋼型材上，形成完整的裝飾面。相對(duì)“鋁穿鋼”組合結(jié)構(gòu)，“鋁包鋼”組合結(jié)構(gòu)適合各種造型的幕墻構(gòu)件，由于忽略了鋁合金型材的作用，受力路徑更加清晰明了。

4　本工程中的重難點(diǎn)及解決方案

⑴本工程主要采用“鋁包鋼”的鋼鋁結(jié)合結(jié)構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)層層高為3.8m，由于部分層高達(dá)到了6.6m和4.2m，為了滿足幕墻構(gòu)件的強(qiáng)度和剛度要求，不同的層高要求幕墻立柱的慣性矩、截面高度等截面參數(shù)不同，勢(shì)必造成不同的層高立柱的截面高度尺寸大小不同，不僅占用了室內(nèi)的空間，還影響了室內(nèi)幕墻的裝飾效果。針對(duì)這種情況，我們采用焊接工字鋼作為鋼插芯，統(tǒng)一了工字鋼的截面高度尺寸，針對(duì)不同的層高，通過計(jì)算分析，對(duì)焊接工字鋼的翼緣和腹板厚度進(jìn)行調(diào)整，不僅滿足了幕墻立柱的強(qiáng)度和剛度要求，而且各層立柱外觀尺寸大小一致。

⑵本工程中局部采用了熱彎玻璃，南北二側(cè)為平板玻璃以直代曲拼接成的曲線玻璃，而且幕墻的結(jié)構(gòu)形式有明框、隱框等結(jié)構(gòu)形式，采用普通的幕墻結(jié)構(gòu)，室內(nèi)玻璃副框與幕墻立柱通常不能保持平齊，而且平板玻璃拼接曲面玻璃幕墻時(shí)，每個(gè)分格中幕墻橫料與立柱在水平面內(nèi)的夾角不同，室內(nèi)的視覺效果很差，針對(duì)這種情況，我們通過對(duì)立柱外包型材的改進(jìn)，將玻璃付框隱藏于型材前部，并且采用了鉸接副框（如圖3所示），這樣對(duì)于幕墻橫料與立柱在水平面內(nèi)的夾角不同均可以采用同一種副框，不僅施工方便，而且降低了成本。

圖3　本工程“鋁包鋼”立柱節(jié)點(diǎn)圖

⑶本工程采用鋼鋁結(jié)合結(jié)構(gòu)，包括了隱框幕墻、明框幕墻、半隱半明等各種幕墻結(jié)構(gòu)形式，要做到有明有隱，各種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔統(tǒng)一，我們以全隱框玻璃幕墻結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，通過螺栓固定外加扣蓋的方式來實(shí)現(xiàn)明框線條；這樣我們用較少的模具實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜的幕墻結(jié)構(gòu)形式，不僅構(gòu)造簡(jiǎn)單，而且降低了工程成本。

綜上所述，針對(duì)建筑造型和獨(dú)特的裝飾效果，整個(gè)幕墻設(shè)計(jì)方案力求達(dá)到結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單統(tǒng)一，便于施工，既滿足美觀要求，又滿足功能的要求，并且保證了整個(gè)設(shè)計(jì)方案的安全性與經(jīng)濟(jì)性的統(tǒng)一。

5　結(jié)語

隨著高層、超高層建筑物的迅猛發(fā)展，必然對(duì)建筑幕墻提出新的更高的要求，建筑幕墻設(shè)計(jì)中將涌現(xiàn)更多新材料、新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)。幕墻設(shè)計(jì)師應(yīng)該根據(jù)工程具體的特點(diǎn)和要求，靈活運(yùn)用各種結(jié)構(gòu)以滿足建筑師和業(yè)主的要求。鋼鋁組合結(jié)構(gòu)由于具由強(qiáng)度高、抗火性能好、良好的經(jīng)濟(jì)性必將得到更加廣泛的應(yīng)用。

［1］洪偉強(qiáng).單元式幕墻施工技術(shù)在建筑工程中的應(yīng)用［J］.學(xué)術(shù)論壇，2009，（1）：250.

［2］彭政國，張芹，孟慶范.現(xiàn)代建筑裝飾—鋁合金玻璃幕墻與玻璃采光頂［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1996.

［3］王朝熙.裝飾工程手冊(cè) ［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1991.

［4］Richard A.behr.Seimic.Performance of Architectural Glass in Mid-Rise Curtain Wall［J］.Journal of Architectural Engineering［J］.1998，4（3）：113-121.

［5］Amstock，J.S.Handbook of glass in construction［M］. McGraw-Hill，New York，1997.

［6］高樹鵬.鋼鋁組合結(jié)構(gòu)在建筑幕墻工程中的應(yīng)用［J］.廣東建材，2014，（5）.

［7］趙鴻鐵.鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu) ［M］.北京：科學(xué)出版社，2003.1-21.