秦嶺國家植物園溫室館玻璃幕墻施工技術研究

幕墻工程因其新穎的外觀設計和具備諸多積極功能，被廣泛應用于建筑圍護結構中。其中，異形玻璃幕墻可以滿足建筑師豐富的想象力而備受青睞，但也同時給設計和施工帶來巨大挑戰。以秦嶺國家植物園溫室館幕墻工程為例，通過利用新型玻璃幕墻結構，以滿足通風及消防需求。并基于實際工程背景，分析了該幕墻結構施工的技術難點，重點討論了施工的關鍵技術與工藝流程。

新型玻璃幕墻； 復雜異性曲面； 施工難點分析； 結構設計； 施工工藝方案

TU767.5 A

［定稿日期］2022-12-19

［作者簡介］李寧（1991—），男，碩士，工程師，從事施工管理工作。

伴隨著設計方法的完善和新型材料的涌現，玻璃幕墻結構體系成為一個國家建筑結構發展水平提升的重要標志［1］，從早期建造的芝加哥西爾斯大廈到如今國家大劇院和香港中國銀行大廈等，玻璃幕墻逐漸發展為世界性產品。目前為止，我國建筑幕墻行業發展迅猛，幕墻總面積已達30億m2，成為世界上最大的玻璃幕墻生產和使用國［2］ 。不僅如此，建筑幕墻總產值節節攀升，預計在2020年突破5 000億元。幕墻的使用材料從單一的玻璃材質發展為多種材料配合而成的組合幕墻，單元式、吊掛式、點支式等結構形式也發展得更加成熟，尤其是出現了一些特殊建筑造型的復雜異形幕墻。為了提高異形玻璃幕墻的整體性能，充分發揮出防風、隔熱、保溫、遮雨等諸多功能，必須加強對異形玻璃幕墻施工進行全方位的質量控制，并合理規范設計工藝流程，才能促進異形玻璃幕墻的施工水平的大幅提升，從而保證整體建筑的安全性和穩定性［3-4］。本文以秦嶺國家植物園溫室館幕墻工程為例，利用自主設計的新型玻璃幕墻結構，以滿足結構通風及消防排煙的需要；以中空夾層玻璃面板等為基本算例開展玻璃幕墻結構設計；針對該幕墻結構的施工技術難點，重點提出合理的施工工藝方案，并有效控制施工工藝中的每一重要環節及施工工序，旨在確保復雜異形曲面玻璃幕墻的施工質量和外觀裝飾效果，為今后復雜玻璃幕墻結構的工程應用提供參考。

1 新型玻璃幕墻結構設計方案

作為現代化建筑中一種主要的外圍護結構與裝飾性結構，玻璃幕墻具備防風遮雨和隔熱保溫等重要功能，堅持以節能、環保、健康為設計理念越來越受到建筑師的青睞［5］。也正因如此，近年來幕墻結構的使用需求迅速增加，但與此同時，玻璃幕墻暴露出一些本質的缺陷，例如通風和排煙開啟窗結構復雜、安裝困難、不能有效地抵抗風壓等，會影響建筑結構的穩定性和安全性［6］。

針對上述現有技術中的不足，一種結構簡單且設計合理的新型玻璃幕墻被應用于該項目，與現有玻璃幕墻技術相比具有明顯優勢。新型玻璃幕墻結構由結構相同的上、下玻璃幕墻、設置在兩者之間的排煙窗機構以及排煙窗機構監控模塊組成，如圖1所示。首先，該玻璃幕墻結構設置了齒條和齒輪嚙合的鎖緊機構，可以有效限制推桿電機伸縮的直線度。其次，百葉窗開啟后通過齒條和齒輪的嚙合增強鎖緊，避免了百葉窗受風壓影響而關閉，從而能有效地抵抗風壓，提高了百葉窗的穩定性。另外，其限位機構包括第一限位開關和第二限位開關，當第一限位開關輸出低電平至微控制器時，說明推桿電機收縮到位，微控制器控制推桿電機停止收縮；當第二限位開關輸出低電平至微控制器時，說明推桿電機伸長到位，微控制器控制推桿電機停止伸長，從而提高了排煙窗機構開啟閉合到位的準確度，改善了幕墻的整體性能。圖2展示了玻璃幕墻結構與排煙窗支撐的實物。

2 新型玻璃幕墻的應用

2.1 項目概況

本項目為秦嶺國家植物園溫室館工程，位于西安市周至縣秦嶺國家植物園，它的幕墻結構模型如圖3所示。該項目總建筑面積為3 326 m2，總建筑高度為28.869 m。工程外圍采用全玻璃幕墻，施工范圍主要包括建筑外立面玻璃幕墻（南北立面圓弧玻璃幕墻系統5 218.88 m2、北立面入口圓弧幕墻系統98.32 m2和入口幕墻門系統60.90 m2）和屋脊鋁單板幕墻系統1 489.88 m2。該溫室館是12榀縱向桁架及14榀橫向桁架構成的空間鋼管桁架結構，長軸約為105 m，平面短軸約33 m，最高點約29 m，北坡傾斜40°，南坡傾斜70°。建筑結構的年極限溫差為46 ℃，基本風壓和基本雪壓（50年一遇）分別為0.35 kN/m2和0.25 kN/m2。其設計使用年限為50年，抗震設防烈度為8度，耐火等級為二級，其他關于幕墻結構設計的各類性能要求如表1所示。

2.2 施工技術難點

目前鋼結構系統建設基本都是引進國外的技術和規范，國內著名的鋼結構超高層和各類鋼結構場館項目大多都是國外建筑師的作品，關于施工工藝的研究已有許多，但是國內針對施工過程產生的缺陷和不確定性并不能作出正確判斷和統一的解釋。鋼結構體系的變形引起的幕墻安裝誤差，需要在變形過程中加強觀測和應急處理，經過計算，才能減少對幕墻結構的影響。

秦嶺國家植物園溫室館工程項目屬于斜切橢圓柱面造型的非對稱大跨度異形體結構，其外圍采用全玻璃幕墻，施工過程必須充分考慮非對稱體系的受力平衡，而規范對這類體系的加工偏差、安裝允許偏差均不適用。在整個施工過程中，還存在許多的操作難點。

（1）南北桁架為主受力構件，最大跨度為37.6 m，南北向傾斜角度不同，鋼結構在未形成完全閉合體系前南北向推力不同，由此造成鋼結構理論尺寸難以把握。為便于運輸每品鋼桁架，將其拆分成2部分，現場焊接成完整桁架再進行吊裝。在此過程中，鋼結構設計和吊裝工藝產生的尺寸偏差對幕墻系統的定位與安裝造成了極大的困難。

（2）幕墻的放線定位必須依據理論軸網來確保幕墻的實際外輪廓包絡面滿足理論外形要求，其中，幕墻定位點及分格線龍骨定位定向問題較為復雜，需要經過精細的計算才能獲得，如圖4所示。

（3）南北立面幕墻為非對稱結構，導致兩面推力不平衡，南北面龍骨及面板的安裝需要按照tg40°/tg70°=0.3055（南立面、北立面與水平面夾角分別為70°和40°）的推力比，均衡施工，對現場施工過程提出了巨大的挑戰。

（4）玻璃面板自重大且總量多，導致玻璃板塊加工難度增大，工藝要求較高，施工現場必須依靠設備吊裝，地軌的搭設和真空組合吸盤的配合使用需要提前安排，同時還需要進行隨時檢測。因此，力求整個項目施工過程的平衡施工，實現建筑幕墻外輪廓尺寸的精準把控是整個幕墻工程中最重要的環節。

3 玻璃幕墻結構設計

玻璃幕墻結構設計主要以中空夾層玻璃面板和雙坡采光頂龍骨為算例展開介紹。

3.1 玻璃面板設計

該幕墻配置中空夾層玻璃，外片、中片和內片玻璃種類均采用鋼化玻璃，鋼化玻璃的基本參數如表2所示。玻璃面板設計采用四邊簡支的計算模型。

3.1.1 玻璃的自重計算

外、內、中片玻璃的自重標準值和設計值分別采用式（1）和式（2）計算，可得到，GAk1、GAk2和GAk3分別為0.000 205 N/mm2、0.000 256 N/mm2及0.000 205 N/mm2，且GA1為0.000 277 N/mm2，GA2為0.000 346 N/mm2，GA3為0.000 277 N/mm2。

GAki=γg×ti（1）

GAi=1.35×GAKi（2）

式中：GAki和GAi分別表示玻璃的自重標準值和設計值（N/mm2）。

3.1.2 荷載計算

作用在玻璃面板上的荷載主要包括風荷載、雪荷載和活荷載，均采用式（3）與式（4）計算每種荷載的標準值和設計值。表3列舉了所有荷載的計算結果。值得注意的是，外片玻璃的風荷載需要乘以分項系數1.1。

Wki=Wk×t3it31+t32+t33（3）

Wi=W×t3it31+t32+t33（4）

式中：Wki和Wi分別表示作用在板塊上的荷載標準值和設計值（N/mm2）；t3i/（t31+t32+t33）為分配系數。

對于荷載組合，先按式（5）將自重和風荷載組合，再利用式（6）與活荷載組合，可分別求得玻璃面板的荷載組合標準值及荷載組合設計值，計算結果如表3所示。

qki=（0.6×Wfki+GAki）+0.7×Whki×cosα（5）

qi=（0.6×Wfi+GAi）+0.7×Whi×cosα（6）

式中：qki和qi分別為分配到玻璃面板上的荷載組合標準值和設計值（N/mm2）；Wfki和Wfi表示分配到玻璃上的風荷載標準值和設計值（N/mm2）；Whki和Whi為玻璃上的活荷載標準值和設計值（N/mm2）。

3.1.3 玻璃面板的強度校核

按現行國家標準JGJ102-2003《玻璃幕墻工程技術規范》規定，中空夾層玻璃在垂直于玻璃幕墻平面的風荷載和地震作用下，玻璃截面最大應力應滿足強度條件。基于式（7）的計算，外片、內片和中片玻璃產生的最大應力9.574 N/mm2、9.149 N/mm2和9.32 N/mm2均小于強度設計值fg（42 N/mm2），因此，這3種玻璃面板的強度是足夠的。

σ=6mqa2t2η≤fg（7）

θ=qka4Et4（8）

其中，σ表示玻璃截面的最大應力設計值（N/mm2）；E表示玻璃的彈性模量；t為玻璃厚度（mm）；a為玻璃板塊短邊邊長（mm）；qk和q分別表示荷載組合標準值和設計值（N/mm2）。m為彎矩系數，根據a/b=1500/2450=0.612245，查表可得其彎矩系數m為0.085 23。另外，η表示為折減系數，由式（8）中的參數θ確定，外片、內片及中片的θ分別為6.506、3.979 7和6.231 3，查表可得外片、內片及中片的折減系數分別為η1=0.988，η2 = 0.9901和η3= 1。

3.1.4 玻璃面板的撓度校核

基于式（9）的計算可得，中空夾層玻璃產生的最大撓度為5.126 mm，遠小于df.lim（25 mm），因此，中空夾層玻璃在風荷載作用下的跨中撓度滿足撓度設計要求。

df=μqka4Dη≤df.lim=a60（9）

式中：qk為荷載標準值組合（N/mm2）；a為玻璃面板短邊邊長（mm）；玻璃剛度D=Et312（1-v2）=72000×12.017312×（1-0.22）=10845965。μ為撓度系數，由a/b=1500/2450 = 0.612245，查表可得μ = 0.0085。η為折減系數，根據等效玻璃厚度t=0.95×3t31+t32+t33=12.017 mm，可得參數θ=1，η=1。另外，需要注意的是，此時的qk值為玻璃板塊自重、風荷載和活荷載的受力組合，qk=Wk+GAk1+GAk2+0.7×Whi×cosα=0.001292 N/mm2。

3.2 支撐結構設計

雙坡采光頂龍骨的基本參數為：L=3000 mm；α = 30°；分格寬度B=2250 mm；型材選擇為Q235的鋼管（140 mm×80 mm×5 mm）；截面面積A=2100 mm2；抗彎矩W=78250 mm3。雙坡采光頂的龍骨計算采用直線三鉸拱計算簡圖分析內力，并按壓彎構件驗算截面強度，其計算模型如圖5所示。

3.2.1 荷載計算

龍骨的荷載計算取自重、風荷載和活荷載的組合設計值。先利用式（10）計算自重和風荷載組合，再通過式（11）轉化為垂直于水平面的荷載，最后，再與活荷載組合，如式（12）所示。

G+W=0.001362 N/mm2（10）

0.001362/cos30°=0.001573 N/mm2（11）

q=qA×B=4.72 N/mm2 （12）

式中：qA和q分別為作用在采光頂表面的荷載設計值組合和線荷載設計值組合。

3.2.2 強度計算

雙坡采光頂的最大彎矩發生在總跨長的1/4處，如式（13）計算所得M0c為5 310 000 N·mm，其推力H如式（14）計算所得6 130.932 N。

M0c=qL28=5310000

N·mm（13）

H=M0ch=6 130.932 N（14）

式中：M0c為跨中彎矩（N·mm）；H為推力（N）；h為拱高（mm）。

經過式（15）～式（20）的校核計算結果可見，雙坡采光頂龍骨的截面受力為20.336 N/mm2，遠小于龍骨材料的強度設計值f（205 N/mm2），因此，主龍骨材料的強度是滿足基本設計要求的。

Y0.25L=h/2=433.05 mm（15）

M00.25L=3982500 N·mm（16）

M0.25L=M00.25L-HY0.25L=1 327 499 N·mm（17）

V00.25L=3540 N（18）

N0.25L=-7079.387 N（19）

N0.25LA+M0.25LYW=20.336 N/mm2≤f=205 N/mm2（20）

式中，M00.25L為代梁彎矩（N·mm）；M0.25L為驗算截面的彎矩（N·mm）；V00.25L為驗算截面的代梁剪力（N）；N0.25L為驗算截面軸力（N）；Y0.25L為驗算截面處與A（B）點的垂直高度（mm）；f為龍骨材料強度設計值（N/mm2）；γ為塑性發展系數，對于冷彎薄壁型鋼龍骨，按GB 50018-2002《冷彎薄壁型鋼結構技術規范》，取1.00。

4 玻璃幕墻施工工藝

在施工過程中，準確控制復雜異性曲面玻璃幕墻的施工要點，才能夠獲得更好的施工效果和保證施工質量。具體的現場安裝工藝流程主要包括5個步驟，如圖6所示。

4.1 豎龍骨定位放線

作為玻璃幕墻施工過程的第一步，也是最關鍵的步驟之一，豎龍骨定位放線的準確性決定著后續工作的質量。因此，在整個過程中，需要考慮玻璃的規格、主梁安裝方向和轉角及節點處理等許多細節問題。施工前，首先對整個建筑的設計風格和施工組織方案有深入的認識，查清結構位置的主要尺寸、收口位置以及轉角處理方式，以此來編制符合實際操作情況的總施工方案。然后，找準變高變截面、軸線位和轉角位，以確認開線位置并確保放線的精準性。清理關鍵層以避免雜物影響開線過程，并在關鍵層上選取關鍵點，用水準儀抄平以精準定位水平線的位置。在此過程中，可以根據樓層層高選取一個或幾個輔助層來打水平線，以避免產生過大的豎框安裝誤差。在關鍵層上尋找豎龍骨放線的關鍵定位點時，應該根據具體建筑結構立面設計情況和施工技術確定定位點數目，但是一般不少于2個。并且，依據定位誤差允許范圍調整定位點，選取無明顯塑性變化的固定材料來加固定位點。在復核水平度滿足1 mm的誤差范圍后，用鐵線從定位點拉水平線，并利用螺栓拉緊。將鐵線調至水平狀態，對拉好的進行水平度復核，為防止鐵線下撓，可在水平線中間加支撐點。最后，明確軸線與分割線關系，并確定起始分割線。分割時一般3人一組，1人主尺，1人復尺，1人定位。選用原方向的反方向進行復尺，在確定水平分割線后，完成吊垂直線工作。在所有工序完成后，對不同區域的放線進行全面復查和互查，為保證后續安裝工作的順利進行，避免產生差錯。

4.2 豎龍骨安裝

由于精度要求高、施工不便和工程量巨大等眾多技術難點，使得豎龍骨安裝成為整個幕墻系統安裝過程中格外重要的工序。在安裝前，先利用拉通線法對豎龍骨進行直線度檢查，對不符合要求的構件進行矯正。在龍骨安裝前，先將單個角碼與鋁型材通過螺栓連接，再用保險繩吊出屋頂并與埋件連接。按照從下往上的順序安裝豎龍骨，通過懸掛構件先固定第一根豎龍骨的上端，調正位置后固定其下端，在2根豎龍骨之間保留約20 mm的伸縮縫，按照如此方式依次安裝剩余豎龍骨。進而測量并初調定位線的三維方向。在所有焊接工藝施工完畢后進行焊縫質量及幾何尺寸的檢查，并在驗收合格后在焊縫處涂刷防銹漆。

4.3 橫龍骨定位放線

橫龍骨的安裝與豎龍骨安裝應同時開展，提前進行橫龍骨的測量定位，調整幕墻的垂直分格（橫框位）的誤差，保證玻璃幕墻結構的美觀性。先選擇每根豎龍骨的水平線，并在豎龍骨外側標上水平位置，而后利用水準儀抄平。在水平線抄好后，測量每根豎龍骨水平線到樓地面的距離，記錄每層的誤差值，以幫助準確把握土建樓面位置，也利于確定每樓層的垂直分割線。在每根豎龍骨上取樓面點，測量每個樓面點間的距離作為實際施工層高，記錄樓層誤差，并調整誤差較大的樓層。之后，先深入分析誤差發生的原因，再根據經濟性、非破壞性和小范圍調整等原則制定調整方案。提前在豎龍骨上標出橫龍骨安裝位置，基于從中間分別向上、下2個方向分線的原則開始放線。在此過程中，時刻檢查分格的準確性。最后，抽樣檢查橫龍骨放線的水平度，方便及時調整誤差。

4.4 橫龍骨安裝

橫龍骨安裝包括橫龍骨角碼安裝和橫龍骨安裝2個部分。安裝前對所有材料質量進行合格檢查，如有破損或者毛刺邊等情況出現，需要妥善處理再開始下一道工序。將橫龍骨預置在角碼上，螺栓穿過活動端并收緊，觀察調整橫龍骨及各配件的位置，然后在固定端使用焊接的方式將橫龍骨與角碼連接，再將活動端的螺栓擰緊即可。最后，完成橫龍骨的安裝工序后，檢查其水平度及就位情況。在整個安裝過程中，要嚴格篩選材料質量及把控施工工序質量，將橫龍骨和各配件的間隙調整好，運用螺栓配合彈簧墊圈擰緊所有橫龍骨。焊接質量要嚴格把關，焊接完成后需對焊縫部位進行防銹處理。

4.5 玻璃面板安裝

玻璃面板需要通過螺釘固定的方式進行現場安裝。在龍骨全部安裝好后，進行玻璃安裝定位線的彈設，要求墨線必須符合規定的尺寸和清晰度。先拉橫向和豎向控制線，調整墊平玻璃支承點，再根據平整度和分格縫的大小要求，用規定數量的螺栓將玻璃固定好。然后，選用與膠縫大小相匹配的泡沫條進行填塞工作，填塞過程需要保證深淺一致。并將美紋紙橫平豎直地粘貼在膠嵌縫處進行密封。在整個施工過程中，需要提前制定材料進場計劃，安排現場堆放及搬運等環節，以保證工序的連續性。工序完成后，嚴格把好現場安裝質量，包括隱蔽工程的檢驗，注意保護幕墻成品。整個施工工藝流程需要進行嚴格的把控，才能保證幕墻工程的施工質量。圖7展示了具體的施工現場。

5 結束語

玻璃幕墻是實現建筑舒適安全、美觀時尚、節能環保于一體的重要外圍護結構。針對玻璃幕墻現存問題，提出了一種結構簡單，設計合理的新型幕墻系統結構，滿足了通風及消防排煙的需求，改善了幕墻的整體性能。在秦嶺國家植物園溫室館幕墻工程實踐中，由于大跨度非對稱空間鋼桁架結構體系在施工過程中產生的缺陷和變形會引起的幕墻安裝誤差。因此，必須精準把握和嚴格控制施工過程中的每項技術要點，確保整體施工更為全面詳盡，最終提升整體施工水平。為此，結合實際工程背景，對全玻璃幕墻體系的施工過程控制開展深入的探究，分析了玻璃幕墻的施工技術難點，開展了以玻璃面板和雙坡采光頂龍骨為算例的結構設計計算，提出了玻璃幕墻工程施工方案，旨在提高幕墻工程的安全和質量，為我國快速發展的鋼結構及幕墻工程提供一個工程實踐依據和理論研究數據。

參考文獻

［1］ 梁貴登，程小劍，毛旺興，等. 異形曲面菱形折拼鋁板幕墻施工技術［J］. 施工技術， 2019，48（16）：78-84.

［2］ 章一峰.淺議幕墻行業發展趨勢［J］.中國建筑金屬結構，2018（9）：28-35.

［3］ 朱東輝.建筑玻璃幕墻的類型特點及設計要點分析［J］.建材與裝飾， 2020， （18）：81-82.

［4］ 呂偉， 孫緒烈， 姬鵬成. 超大單元式幕墻設計理念與關鍵施工技術［J］. 施工技術， 2018， 47（S1）：370-374.

［5］ 陳威. 玻璃幕墻的現狀以及綠色環保發展［J］. 裝飾裝修天地， 2018（22）：2.

［6］ 王天萌， 王宏博. 淺析新型節能玻璃幕墻施工新技術的發展與應用［J］. 建筑與預算， 2019， （8）： 96-99.