船艇玻璃幕墻設(shè)計(jì)研究

胡學(xué)明 孟繁濤 郝紹瑞

摘 要：現(xiàn)代化船艇的上層建筑越來(lái)越注重外觀造型的整體美感和功能性的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，保障駕駛室操作位具有良好、開(kāi)闊、全景式的視線，以便觀察作業(yè)情況及船舶位置和運(yùn)動(dòng)情況。為綜合考慮船舶的物質(zhì)功能和精神功能需求，本文介紹了一型消防船玻璃幕墻的設(shè)計(jì)研究過(guò)程和設(shè)計(jì)方法，供相關(guān)設(shè)計(jì)人員借鑒。

關(guān)鍵詞：外觀造型;全景式視線;玻璃幕墻;結(jié)構(gòu)膠

中圖分類(lèi)號(hào)：? U662? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2020）02-0060-04

1 前言

某消防船作為協(xié)同消防作業(yè)的指揮船，用戶對(duì)船舶外觀造型設(shè)計(jì)和駕駛室視線提出了較高的要求：外形設(shè)計(jì)上應(yīng)體現(xiàn)出公安銳利有力的莊嚴(yán)形象并具有現(xiàn)代感;設(shè)置全景式駕駛室，可360°環(huán)顧四周，便于船員在火場(chǎng)中靈活操縱、移船;在駕駛室斜上方安裝玻璃，當(dāng)本船靠近主尺度較大的失火船只時(shí)，駕駛員可仰視看到高處的火情;會(huì)議室的前端壁采用大角度、后傾式設(shè)計(jì)，同時(shí)在前端壁安裝大面積的落地玻璃，可在會(huì)議室直接觀察本船前方的火情，供會(huì)議室決策情報(bào)參考，以體現(xiàn)實(shí)用性和美觀性的和諧統(tǒng)一。

根據(jù)以上基本思路，結(jié)合本船實(shí)際特點(diǎn)和各種的限制條件，我們做了以下玻璃幕墻的設(shè)計(jì)方案，見(jiàn)圖1。從效果圖可以看出，為滿足用戶對(duì)船舶外觀造型及視野的要求，本船采用了條狀式和落地式玻璃幕墻相結(jié)合的形式，駕駛室外壁有多處折角且成圓弧狀，這對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和幕墻施工都帶來(lái)了一定的技術(shù)難度。

2 某消防船主要技術(shù)參數(shù)

本船主要用于長(zhǎng)江中上游港口、船舶及水上設(shè)施的消防監(jiān)督指揮、滅火救援等應(yīng)急搶險(xiǎn)救災(zāi)任務(wù)，并可對(duì)沿岸陸上消防提供支持。航區(qū)為內(nèi)河B級(jí)航區(qū)（含三峽庫(kù)區(qū)），J2級(jí)航段。該消防船總長(zhǎng)39.675 m、水線長(zhǎng)37.05m、設(shè)計(jì)吃水2.3m、型深3.6m、航速15.12kn，對(duì)外消防泵流量3100m3/h，消防炮最大射程：加強(qiáng)型消防炮150m，主消防炮150m，副消防炮100m。入級(jí)CCS船級(jí)社。

3 適用規(guī)范研究

消防船按中國(guó)海事局現(xiàn)行有關(guān)法規(guī)、中國(guó)船級(jí)社（CCS）現(xiàn)行有關(guān)規(guī)范要求以及相關(guān)國(guó)家、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)和建造，及玻璃幕墻的設(shè)計(jì)和施工參照的相關(guān)規(guī)范、規(guī)則、標(biāo)準(zhǔn)，主要有：

（1） 《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》最新版本及其修改通報(bào)

（2） 《內(nèi)河船舶法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》最新版本及其修改通報(bào)

（3） 《內(nèi)河消防船補(bǔ)充要求》

（4）《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》JGJ 102-2003

（5）《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》GB50205-2001

（6）《金屬與石材幕墻工程技術(shù)規(guī)范》JGJ133-2001

（7）《建筑幕墻》JG3035-1996

（8） 《全玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)程》DBJ/CT014-20

（9）《點(diǎn)支式玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)程》CECS127-2001

（10）《建筑幕墻風(fēng)壓變形性能測(cè)方式方法》GB/T15227-1994

（11）《建筑幕墻雨水滲透性能測(cè)試方法》GB/T15228-1994

通過(guò)對(duì)相關(guān)入級(jí)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的研究，并和船級(jí)社充分溝通，本消防船型對(duì)處于外圍壁上的窗及玻璃沒(méi)有額外特殊的要求，可以采用玻璃幕墻型式。

根據(jù)《JGJ 102-2003玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》玻璃幕墻分為隱框、半隱框、明框、全玻璃幕墻等型式。本消防船在充分征求意見(jiàn)的前提下，確定了采用條狀和落地式相結(jié)合的隱框玻璃幕墻。

經(jīng)研究，玻璃幕墻窗與普通船用方窗的主要區(qū)別在于幕墻窗的尺寸比普通方窗玻璃大了好幾倍，這就使得窗玻璃在抵御船舶航行時(shí)上浪的沖擊、船體振動(dòng)和變形能力急劇下降。普通船用方窗是用螺栓或焊接方式把主窗框與結(jié)構(gòu)相連接，利用窗框、玻璃壓板、槽形密封圈將玻璃壓緊，而玻璃幕墻窗則沒(méi)有普通方窗所具有的整體窗框，是靠結(jié)構(gòu)膠直接貼在艙壁或結(jié)構(gòu)件上，因此，玻璃幕墻窗的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)膠的選擇是有效解決由于尺寸增大而帶來(lái)的沖擊、振動(dòng)、變形等破壞作用以及確保幕墻窗水密性的關(guān)鍵。

4 船用玻璃幕墻計(jì)算

根據(jù)CCS《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》（2016）第1篇，第4章第4節(jié)對(duì)鋼質(zhì)內(nèi)河船玻璃幕墻的規(guī)定進(jìn)行計(jì)算。

4.1玻璃厚度的計(jì)算

本船玻璃幕墻采用雙層夾層鋼化玻璃，每層玻璃厚度應(yīng)相同。玻璃的厚度t應(yīng)不小于按下式計(jì)算所得之值：

其中：

—玻璃板格短邊長(zhǎng)度， mm;

—玻璃板格長(zhǎng)邊長(zhǎng)度， mm;

—系數(shù)，按表1選取

—玻璃的許用彎曲應(yīng)力，鋼化玻璃取50N/mm2;

—玻璃承受的載荷，kN/ m2，不小于按下式計(jì)算所得之值：

其中：—壓力計(jì)算中心距離滿載靜浮水線的垂直距離， m;

采用雙層夾層玻璃時(shí)，兩層玻璃的厚度之和就不小于計(jì)算所得之值的1.25倍。

4.2玻璃的固定

采用粘接方式，玻璃與框架或壁板牢固連接，玻璃的下緣設(shè)置金屬水平構(gòu)架支承玻璃重量。所使用的粘接劑具有抗紫外線、低溫、高溫和清潔用化學(xué)劑的能力，粘接劑的長(zhǎng)效拉伸強(qiáng)度不低于2.5MPa。

1）粘接寬度d 不小于按下式計(jì)算所得：

式中：

—玻璃承受的載荷， kN/ m2;

—粘接劑拉伸強(qiáng)度， N/mm2，不小于2.5;

—玻璃短邊長(zhǎng)度， m。

2）粘接厚度t 不小于按下式計(jì)算所得：

式中：

—玻璃長(zhǎng)邊長(zhǎng)度， m。

—系數(shù)，雙層夾層鋼化玻璃取5。

4.3 其他規(guī)范對(duì)上建外窗的要求

在查閱各種資料和規(guī)范后，不同船型對(duì)應(yīng)不同的建造規(guī)范，對(duì)處于上層建筑外圍壁上的窗玻璃的厚度都有明確要求及計(jì)算公式。普通方窗均采用窗框和玻璃壓板、密封圈的方式進(jìn)行固定。《海上高速船入級(jí)與建造規(guī)范》第4章第3節(jié)：所有上層建筑和甲板室的外窗的結(jié)構(gòu)和固定形式應(yīng)保證風(fēng)雨密;給出了外窗玻璃厚度的計(jì)算公式;外窗玻璃與窗框的連接以及窗框與壁板的連接應(yīng)牢固、可靠，足以承受船在其營(yíng)運(yùn)水域正常航行時(shí)可能遭遇的波浪沖擊;明確了外窗玻璃可以采用粘接方式直接與壁板連接，如有必要，應(yīng)在窗玻璃的下緣處設(shè)置金屬的水平構(gòu)件支承玻璃重量;對(duì)粘接劑的選型和粘接寬度均有原則性要求和相應(yīng)的計(jì)算公式。

5 實(shí)船玻璃幕墻設(shè)計(jì)[1][2]

本消防船作為一艘“消防效率優(yōu)良、船載設(shè)備先進(jìn)”的新型消防船，總體設(shè)計(jì)上要求采用玻璃幕墻窗。幕墻如圖2所示，計(jì)算值見(jiàn)表2。

在玻璃安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用了隱框幕墻，兼顧了美學(xué)設(shè)計(jì)和施工工藝設(shè)計(jì)，與船東的要求及本船的功能定位相一致，并在玻璃幕墻的合適位置設(shè)置了可開(kāi)式窗，滿足駕駛室新風(fēng)

供給的需求。駕駛室正前兩扇窗為電加熱夾膠玻璃，前端壁左右兩側(cè)窗帶雨雪掃除器。其它玻璃幕墻玻璃選用鋼化中空玻璃，玻璃帶熱反射鍍膜[4]。鋼框采用角鋼焊接在上層建筑的側(cè)壁內(nèi)面沿結(jié)構(gòu)開(kāi)孔一圈，雙層中空玻璃通過(guò)粘接膠和填縫膠嵌在外壁板及角鋼時(shí)形成一個(gè)整體（見(jiàn)圖3），由四周邊的角鋼承受玻璃的重量，結(jié)構(gòu)硅膠富有彈性，起到粘貼、密封、緩沖和抗變形的作用，確保玻璃幕墻有較強(qiáng)的抗風(fēng)能力。玻璃外表面與外圍壁齊平，外表面美觀平整。

兩塊玻璃的接縫處采用粘接膠和填縫膠平貼在結(jié)構(gòu)件上，如圖4所示，玻璃與結(jié)構(gòu)之間、玻璃與玻璃之間的聯(lián)接縫做美化處理。粘接寬度和粘接厚度均滿足規(guī)范計(jì)算要求。

在折角或轉(zhuǎn)角處玻璃幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見(jiàn)圖5，實(shí)現(xiàn)了兩塊玻璃的精準(zhǔn)定位、無(wú)縫對(duì)接，外型美觀簡(jiǎn)潔。

6 玻璃幕墻結(jié)構(gòu)膠的選型[3]

在船用玻璃幕墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，結(jié)構(gòu)膠的選取非常重要，直接關(guān)系到玻璃的粘接強(qiáng)度、密封性能及抗沖擊性能等。根據(jù)船舶的適用航區(qū)和功能需求，采用的結(jié)構(gòu)密封膠應(yīng)具有耐水、耐溶劑、耐大氣老化性和耐熱，并具有低溫彈性、低透氣率等特點(diǎn)。其性能應(yīng)符合現(xiàn)行的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《中空玻璃用彈性密封劑》 JC 486的有關(guān)規(guī)定。

在施工過(guò)程中選用游艇抗紫外線玻璃粘接劑，這是一種高性能、具有彈性，可以填縫的單組份聚氨酯玻璃粘接劑，其與空氣中的濕氣反應(yīng)而固化，形成一種永久彈性體。其按照ISO9001/14001質(zhì)量保證體系生產(chǎn)制造，符合國(guó)際船舶組織（IMO）相關(guān)規(guī)則。主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表3.

7 玻璃幕墻實(shí)船效果

玻璃幕墻成功運(yùn)用在某消防船上，外型美觀挺刮，內(nèi)部裝飾別具特色，視野開(kāi)闊，得到各方好評(píng)，成為該船的一個(gè)亮點(diǎn)。實(shí)船照片見(jiàn)圖6。玻璃幕墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)穩(wěn)定可靠、采用彈性連接、兼具美學(xué)效果、施工安裝方便。參照《艦船門(mén)、窗、蓋的密性試驗(yàn)》（CB*3273-1985）的有關(guān)規(guī)定對(duì)全船玻璃幕墻均作了沖水試驗(yàn)。沖水試驗(yàn)時(shí)所用水槍噴口直徑應(yīng)不小于12mm，試驗(yàn)水壓應(yīng)不小于0.2MPa。試驗(yàn)時(shí)，用水槍噴口從外面對(duì)準(zhǔn)試驗(yàn)接縫處，水槍與接縫之間距離不得大于3m。水槍對(duì)準(zhǔn)接縫處噴射，對(duì)垂直接縫則應(yīng)自下而上噴射。試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間為3分鐘。被檢部位反面無(wú)水珠或水跡等漏水現(xiàn)象，驗(yàn)收合格。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)、試航、由上海至長(zhǎng)江三峽庫(kù)區(qū)的遠(yuǎn)航及火場(chǎng)搶險(xiǎn)，幕墻窗的強(qiáng)度和水密性均經(jīng)受了考驗(yàn)，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

8 結(jié)論

玻璃幕墻的設(shè)計(jì)首先要滿足船舶入級(jí)船級(jí)社相關(guān)建造規(guī)范的要求，既要考慮到上浪的拍擊、上層建筑端壁和甲板室圍壁（端壁和側(cè)壁）的計(jì)算壓頭、船體振動(dòng)和變形等因素對(duì)玻璃強(qiáng)度的影響，還要考慮外形美觀，玻璃幕墻的采光、隔熱保溫等使用功能與船舶上建外圍壁裝飾和諧統(tǒng)一，以及幕墻安裝工藝和質(zhì)量控制。因此，在設(shè)計(jì)初期，需要對(duì)幕墻支撐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、玻璃板格的劃分和材料選擇上進(jìn)行綜合考慮，使既滿足設(shè)計(jì)要求又方便船廠施工。

在設(shè)計(jì)之初，玻璃幕墻窗在船舶上的應(yīng)用，基本沒(méi)有文獻(xiàn)參考，經(jīng)過(guò)筆者和用戶、設(shè)計(jì)院、船級(jí)社、船廠、幕墻廠家的充分勾通和交流，確定了設(shè)計(jì)方案和施工工藝。希望通過(guò)本文能為今后進(jìn)行此類(lèi)玻璃幕墻窗的設(shè)計(jì)者提供一個(gè)參考。

參考文獻(xiàn)：

[1] 胡新生. 關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)玻璃幕墻的施工技術(shù)探討[J] .江西建材，2014（20）.

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[3] 童岡峰，李若奇. 淺談玻璃幕墻的施工質(zhì)量控制與管理[J]. 門(mén)窗，2017（04）.

[4] 王強(qiáng)，黃義龍，曹芹.雙層玻璃幕墻節(jié)能效果實(shí)驗(yàn)研究[J]. 新型建筑材料，2006（7）：（70-72）