厦门港务大厦钢铝组合幕墙的构造设计

崔浩（厦门佳迅装饰建筑工程有限公司）

厦门港务大厦钢铝组合幕墙的构造设计

崔浩
（厦门佳迅装饰建筑工程有限公司）

大跨度玻璃幕墙设计中，为了保证幕墙构件的强度、刚度满足要求，节省铝型材用量，降低成本，一般采用钢铝组合结构，它充分发挥了铝合金型材和钢材各自的优势，铝合金型材保证了幕墙具有良好的装饰性能，钢立柱主要承受幕墙的工作荷载。钢铝组合结构必将在大跨度、受力复杂的建筑幕墙中得到广泛的应用。

建筑幕墙；大跨度；钢铝组合；球铰付框

1　引言

随着高层、超高层建筑物的迅猛发展，建筑幕墙已经成为现代建筑必不可少的一部分。幕墙作为建筑物的装饰性维护体系，可以使建筑墙体的防风遮雨性能、保温隔热性能、气密性能和水密性能、美观性能得到很大的改善。幕墙主要由金属（通常为铝合金型材和钢材）构件和各种板材组成的墙体构件，通过竖框上的挂件与主体结构上的预埋件相连接而成的建筑物外表的一层帷幔［1-5］。钢铝组合结构充分发挥了铝合金型材和钢材各自的优势，铝合金型材保证了幕墙具有良好的装饰性能，钢立柱主要承受幕墙的工作荷载。在玻璃幕墙龙骨和铝合金门窗的框料的设计中，为了保证幕墙构件的强度、刚度满足要求，节省铝型材用量，降低成本，一般采用钢铝组合结构，同时达到了外表美观、截面小巧、视线通透的效果。另外在框架式玻璃幕墙的维修加固中，一般也采用钢铝组合结构。

图1　厦门港务大厦效果图

2　工程概况

厦门港务大厦项目位于厦门东渡路西侧、客运联检大楼北侧，主体结构为框架核心筒结构，建筑总高度为146.95m，大厦主楼层为33层及2层（屋顶）设备层，厦门港务大厦是厦门邮轮办公区域内的主要标志性建筑，将会成为临海的重要办公地标建筑。设计的概念来自‘帆船航行的动力’。帆船航行的动力来自大自然。一旦帆船从大自然中吸收了动力，便展出帆船航行时的动感气势。建筑的立面处理上，横向线条与周边建筑协调，西立面两条双曲弧线显露出强烈的光影效果，突出阳光的概念与挺拔的风格。建筑细部的处理，力求精致与细腻，体现出现代建筑的精湛工艺。整个塔楼幕墙形式用简洁单纯的幕墙装饰线条来简化建筑物的复杂形体，有规律间隔地设计竖向铝合金装饰线条。不同的建筑外装饰线条，不仅是构成建筑物的装饰元素，也给建筑物以强大的视觉冲击力，极具现化感和震撼力，积极追求建筑物的优美轮廓，让整个建筑物融入并障显于周围繁华环境之中，突出建筑物的大气、时尚、中国、国际的意蕴中。本工程主要采用半隐框架式玻璃幕墙，南北二侧应为平板玻璃折线拼成弧状玻璃，玻璃分块原则上是按柱距等分，标准层层高3.8m，部分层高达到了6.6m和4.2m，主要为浅灰色透明8mm+12A+6 mm Low-E双钢化中空玻璃，铝包钢龙骨，龙骨室外表面氟碳喷涂处理，室内阳极氧化处理。西立面渐变式横明竖隐框架式玻璃幕墙，部分为双曲椎面玻璃要求采用无色热弯玻璃，正是本工程的重点和难点。首层全玻幕墙8mm+12A+6 mm Low-E双钢化中空玻璃，主入口雨蓬采用10mm+1.52PVB+10mm夹层双钢化玻璃。

3　幕墙受力杆件的两种钢铝组合结构

幕墙受力杆件组合结构主要有“铝穿钢”和“铝包钢”两种形式［6］，“铝穿钢”组合结构的典型节点如图2所示，具体做法是把钢插芯插入铝合金型材的腔体中，钢插芯和铝合金型材通过抗剪构件（一般为对穿螺栓等）使二者协同受力，幕墙立柱在均布线荷载作用下，钢插芯与铝合金型材所受的荷载是按照型材的抗弯刚度进行分配，二者会产生同样的变形曲线，挠度变形处处相同，整个截面处的应力分布更加趋于均匀。值得注意的是，对于“铝穿钢”组合结构在设计时，必须保证抗剪构件具有足够强度，保证钢材和铝型材不发生相对滑动。否则，如果抗剪构件产生较大的变形或者剪切破坏，那么，“铝穿钢”的组合结构将转变为无剪切的叠合梁，这种叠合梁在均布线荷载作用下，钢材与铝材在接触面将产生纵向的剪切滑移，因此，二者并不能协同受力，与真正的“铝包钢”组合梁相比，叠合梁的惯性矩和刚度大大降低了［7］，有可能无法满足幕墙构件强度和刚度的要求，甚至会造成安全隐患。另外，还应该注意在钢材和铝合金材料的接触面设置绝缘层以防止电化学腐蚀，一般“铝穿钢”组合结构中设置绝缘垫片比较困难，即使安装的过程中设置好了，也可能因为没有固定好位置而产生偏移，达不到预期的效果。为了解决这个问题，我们可以在钢插芯的外表面涂刷3～5遍的有绝缘性能的防锈漆，并使防锈漆干膜的厚度满足相关规范的要求。同时，为了防止钢插芯内表面的锈蚀，钢插芯的两个端口应用封口板焊接密封。

图2　“铝穿钢”横梁典型节点图

在以往的工程实践中，“铝穿钢”组合结构，将钢插芯插入封闭的铝合金型材的腔体的施工难度较大，钢插芯与铝型材的空隙过小，则不容易其穿入型材空腔内；如果钢插芯与铝型材的空隙过大，则会造成二者之间的不能紧密配合，进而无法协同受力。而“铝包钢”的做法克服了这一缺陷，钢型材起到了承担荷载的作用，而铝合金型材一般只起到装饰的作用，往往壁厚都很薄。铝合金装饰由几段开口铝型材通过螺栓固定在钢型材上，形成完整的装饰面。相对“铝穿钢”组合结构，“铝包钢”组合结构适合各种造型的幕墙构件，由于忽略了铝合金型材的作用，受力路径更加清晰明了。

4　本工程中的重难点及解决方案

⑴本工程主要采用“铝包钢”的钢铝结合结构，标准层层高为3.8m，由于部分层高达到了6.6m和4.2m，为了满足幕墙构件的强度和刚度要求，不同的层高要求幕墙立柱的惯性矩、截面高度等截面参数不同，势必造成不同的层高立柱的截面高度尺寸大小不同，不仅占用了室内的空间，还影响了室内幕墙的装饰效果。针对这种情况，我们采用焊接工字钢作为钢插芯，统一了工字钢的截面高度尺寸，针对不同的层高，通过计算分析，对焊接工字钢的翼缘和腹板厚度进行调整，不仅满足了幕墙立柱的强度和刚度要求，而且各层立柱外观尺寸大小一致。

⑵本工程中局部采用了热弯玻璃，南北二侧为平板玻璃以直代曲拼接成的曲线玻璃，而且幕墙的结构形式有明框、隐框等结构形式，采用普通的幕墙结构，室内玻璃副框与幕墙立柱通常不能保持平齐，而且平板玻璃拼接曲面玻璃幕墙时，每个分格中幕墙横料与立柱在水平面内的夹角不同，室内的视觉效果很差，针对这种情况，我们通过对立柱外包型材的改进，将玻璃付框隐藏于型材前部，并且采用了铰接副框（如图3所示），这样对于幕墙横料与立柱在水平面内的夹角不同均可以采用同一种副框，不仅施工方便，而且降低了成本。

图3　本工程“铝包钢”立柱节点图

⑶本工程采用钢铝结合结构，包括了隐框幕墙、明框幕墙、半隐半明等各种幕墙结构形式，要做到有明有隐，各种结构简洁统一，我们以全隐框玻璃幕墙结构为基础，通过螺栓固定外加扣盖的方式来实现明框线条；这样我们用较少的模具实现了复杂的幕墙结构形式，不仅构造简单，而且降低了工程成本。

综上所述，针对建筑造型和独特的装饰效果，整个幕墙设计方案力求达到结构形式简单统一，便于施工，既满足美观要求，又满足功能的要求，并且保证了整个设计方案的安全性与经济性的统一。

5　结语

随着高层、超高层建筑物的迅猛发展，必然对建筑幕墙提出新的更高的要求，建筑幕墙设计中将涌现更多新材料、新技术、新结构。幕墙设计师应该根据工程具体的特点和要求，灵活运用各种结构以满足建筑师和业主的要求。钢铝组合结构由于具由强度高、抗火性能好、良好的经济性必将得到更加广泛的应用。

［1］洪伟强.单元式幕墙施工技术在建筑工程中的应用［J］.学术论坛，2009，（1）：250.

［2］彭政国，张芹，孟庆范.现代建筑装饰—铝合金玻璃幕墙与玻璃采光顶［M］.北京：中国建筑工业出版社，1996.

［3］王朝熙.装饰工程手册 ［M］.北京：中国建筑工业出版社，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］高树鹏.钢铝组合结构在建筑幕墙工程中的应用［J］.广东建材，2014，（5）.

［7］赵鸿铁.钢与混凝土组合结构 ［M］.北京：科学出版社，2003.1-21.