建筑幕墻設(shè)計要點分析及技術(shù)方法優(yōu)化探討

谷文龍

中宏匯達(dá)（北京）建筑工程有限公司 北京 102399

引言

建筑幕墻是建筑的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)或裝飾性結(jié)構(gòu)，主要由結(jié)構(gòu)框架與鑲嵌板材組成，無須承擔(dān)主體結(jié)構(gòu)的載荷與作用。建筑幕墻從1851年英國倫敦國際展覽館—“水晶宮”為開端歷經(jīng)170余年發(fā)展，應(yīng)用范圍主要從車站、展覽館等建筑擴(kuò)展到如今的各類標(biāo)志性建筑、普通賓館、寫字樓及高層超高層建筑。 中國的建筑幕墻起步于1978年的北京長城飯店，雖然起步較晚，但經(jīng)過多年的發(fā)展，截至目前，中國建筑幕墻的年產(chǎn)量和已存量兩方面均列世界第一位[1]，每年有大量幕墻工程涌入市場，幕墻設(shè)計發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

施工工藝與幕墻材料的不斷更新，要求幕墻設(shè)計在技術(shù)性、安全性、功能性及經(jīng)濟(jì)性等多方面入手，不斷更新設(shè)計理念，以滿足不同用戶的個性化需求。

本項目通過綜合應(yīng)用有限元計算、犀牛建模及安裝過程的演示動畫等多項技術(shù)方法，從建筑整體效果表現(xiàn)、幕墻設(shè)計節(jié)點深化、指導(dǎo)現(xiàn)場施工全過程入手，對工程安全性、功能性及美觀性等方面進(jìn)行優(yōu)化，提高了設(shè)計、施工質(zhì)量，實現(xiàn)了項目預(yù)期效果。

1 建筑幕墻設(shè)計要點

1.1 整體設(shè)計要點

在設(shè)計過程中，設(shè)計者不僅要了解不同幕墻材料的應(yīng)用條件，還應(yīng)全面考察施工現(xiàn)場的整體情況，確保幕墻設(shè)計符合施工技術(shù)的設(shè)計和使用要求。同時，在材料強度等方面應(yīng)根據(jù)實際情況留出空間，提高整體施工的便捷性。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計要點

幕墻是現(xiàn)代建筑的重要組成部分，雖然無須承擔(dān)主體結(jié)構(gòu)的載荷與作用，但結(jié)構(gòu)設(shè)計仍然是幕墻設(shè)計的重中之重。設(shè)計人員應(yīng)立足于不同幕墻結(jié)構(gòu)剛性特征，考慮幕墻結(jié)構(gòu)在長期荷載及雪荷載、風(fēng)荷載等短期荷載作用下所受到的影響，保證結(jié)構(gòu)關(guān)鍵節(jié)點的連接穩(wěn)定性和可靠性。

1.3 細(xì)節(jié)設(shè)計要點

作為整體建筑的外圍維護(hù)結(jié)構(gòu)，建筑幕墻的防水、防火性能尤為重要。設(shè)計過程中，設(shè)計人員要加強防水線的連續(xù)性及防火分區(qū)的隔離性。在保證安全的前提下，還應(yīng)充分考慮節(jié)能環(huán)保因素，以減少能耗和污染為出發(fā)點，以科學(xué)的理念為指導(dǎo)，有效增強建筑的舒適性和美觀性。

2 建筑幕墻設(shè)計中的常見問題分析

建筑幕墻安全問題層出不窮，本文主要分析由于設(shè)計原因造成的連接件失效、幕墻滲漏及幕墻防火三大類建筑幕墻安全問題。

2.1 連接件失效

出現(xiàn)連接件失效，主要是由于主體結(jié)構(gòu)施工招標(biāo)與幕墻施工招標(biāo)時間無法統(tǒng)一，致使主體結(jié)構(gòu)施工時只能大致依靠幕墻分格來進(jìn)行預(yù)埋，無法精確定位預(yù)埋件位置，導(dǎo)致預(yù)埋件位置偏差問題[2]。另外設(shè)計過程中圖紙簡單，不能精準(zhǔn)設(shè)計埋設(shè)位置，對預(yù)埋件結(jié)構(gòu)力學(xué)的計算檢驗和復(fù)核能力欠缺[3]。

2.2 建筑幕墻滲漏

建筑幕墻滲漏往往是造成其他安全事件的間接誘因。建筑幕墻發(fā)生滲漏后，易造成結(jié)構(gòu)膠老化、支撐結(jié)構(gòu)銹蝕等問題[4]。在設(shè)計階段，對開啟扇節(jié)點的設(shè)計不夠合理，在開啟扇的上端未設(shè)披水板，設(shè)置玻璃高度過低等均會導(dǎo)致幕墻滲漏[3]。

2.3 建筑幕墻防火

在設(shè)計階段，未按照規(guī)范要求進(jìn)行防火設(shè)計，在幕墻與樓板之間、幕墻與防火墻之間沒有留足夠間隙來做防火封堵[4]。起火時，濃煙經(jīng)過縫隙向上擴(kuò)散，導(dǎo)致串煙引火，從而加劇了火勢的蔓延[4]。

3 技術(shù)優(yōu)化

為確保建筑幕墻設(shè)計得以達(dá)到預(yù)期效果，在項目設(shè)計、建造以及運營全周期的管理過程中，避免出現(xiàn)由于設(shè)計原因造成的連接件失效、幕墻滲漏及幕墻防火三大類建筑幕墻安全問題，工程設(shè)計人員應(yīng)積極掌握應(yīng)用新技術(shù)新方法方法，對建筑幕墻設(shè)計流程的不斷優(yōu)化提升。隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展，設(shè)計方式也應(yīng)逐漸形成從傳統(tǒng)二維設(shè)計到三維設(shè)計的革命性轉(zhuǎn)變。例如，將設(shè)計圖紙從傳統(tǒng)的二維模式替換為三維建模形式，克服二維方式在表達(dá)方式方面，由于存在抽象性與信息量有限的缺點，有效避免出現(xiàn)大量信息分散在其他資料的情況。利用三維建模技術(shù)自身可視化、虛擬化的功能特點，不僅可以提高設(shè)計審查效率以及優(yōu)化設(shè)計質(zhì)量，而且可實現(xiàn)對項目設(shè)計、施工以及運營全周期管理，保證建筑幕墻設(shè)計預(yù)期效果。

4 技術(shù)優(yōu)化案例分析

4.1 項目概況

某項目建筑主體采用裝配式鋼結(jié)構(gòu)，幕墻系統(tǒng)單元板塊較大，多數(shù)板面寬度為2000～3000mm，板面高度為4000～5000mm。本項目難點在于尋求一種高性能的外立面材料，能滿足建筑超大分格需求，比如規(guī)格2500mm×5000mm，并完美解決異型拼接問題。

4.2 設(shè)計優(yōu)化要點

本文主要從單元板塊設(shè)計優(yōu)化與單元板塊安裝的數(shù)字化應(yīng)用入手進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

4.2.1 單元板塊設(shè)計優(yōu)化。為滿足建筑超大分格需求并完美解決異型拼接問題，本項目初步確定采用新型的UHPC單元板塊系統(tǒng)，該主要由UHPC面板、背負(fù)鋼制框架、鋼制掛件組合而成。UHPC面板在設(shè)計過程中，依據(jù)材料性能及項目所在地氣候特性，通過有限元計算分析及加工廠配合試驗，歷經(jīng)多次優(yōu)化調(diào)整。

前期板厚暫定為60mm，連接件直接與UHPC澆筑為一個整體，這樣做的優(yōu)點在于材料類型較少、工序簡單，但弊端卻很明顯。板塊整體自重大、成本造價高、運輸困難、對連接件強度要求高，施工難度大。經(jīng)過多次電腦模擬和試件試驗后，最終板材厚度優(yōu)化為30mm，為減小撓度變形量，板塊后方設(shè)置背負(fù)鋼制框架并通過植釘方式澆筑為整體結(jié)構(gòu)。

通過優(yōu)化UHPC單元板厚度，板塊自重減少了近一半，施工安全、成本造價、運輸安裝等多方面得到大幅度改善。

圖1 UHPC墻板主應(yīng)力云圖

圖2 方鋼框架主應(yīng)力云圖

4.2.2 UHPC單元板塊安裝的數(shù)字化應(yīng)用。在本項目設(shè)計階段，為更順利的進(jìn)行設(shè)計工作，我們以施工圖為依據(jù)，結(jié)合現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)對整體幕墻的UHPC板塊做了犀牛建模及安裝過程的演示動畫。在進(jìn)行全過程虛擬建造中，提前發(fā)現(xiàn)潛在的設(shè)計問題與施工問題。以實際數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)化模型可以精確、直觀地表現(xiàn)出每塊板材的尺寸、角度和造型。在設(shè)計下單過程中可以直接提取數(shù)據(jù)，保證面板下單準(zhǔn)確率，大大縮短下料時間；在施工過程中，通過動畫演示，讓施工人員更好地掌握安裝流程，模型中每塊板塊的定位坐標(biāo)都可提取，提高安裝效率。

圖3 UHPC單元板塊數(shù)字化模型

5 結(jié)束語

本項目在實際設(shè)計過程中，通過有限元計算分析及加工廠配合試驗，多次優(yōu)化調(diào)整將自重減少了近一半，施工安全、成本造價、運輸安裝等多方面得到大幅度改善；以施工圖為依據(jù)，結(jié)合現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)對整體幕墻的UHPC板塊做了犀牛建模，保證面板下單準(zhǔn)確率，大大縮短下料時間；BIM安裝動畫施工模擬演示，在現(xiàn)場施工過程中起到很好的指導(dǎo)作用。

本項目通過綜合應(yīng)用有限元計算、犀牛建模及安裝過程的演示動畫等多項技術(shù)方法，從安全性、功能性及美觀性等方面進(jìn)行優(yōu)化，提高了設(shè)計、施工質(zhì)量，實現(xiàn)了項目預(yù)期效果。