构件式隐框玻璃幕墙设计与性能试验研究★

赵艳敏 马洪旭

(1.北京京北职业技术学院，北京 101400； 2.北京江河创建集团股份有限公司，北京 101300)

构件式隐框玻璃幕墙设计与性能试验研究★

赵艳敏1马洪旭2

(1.北京京北职业技术学院，北京 101400； 2.北京江河创建集团股份有限公司，北京 101300)

以某实际工程幕墙设计为背景，介绍了幕墙节点细部构造及设计原理，并采用1∶1比例的板块,建立了试验模型，对其进行气密性、水密性、风荷载和地震作用下的变形性能及安全性能试验，最后结合设计与试验分析结果，给出了构件式隐框玻璃幕墙的设计建议。

玻璃幕墙，幕墙设计，副框，等压腔

0 引言

构件式隐框玻璃幕墙是支撑玻璃幕墙的框架完全不显露在玻璃外部，并且在工厂采用结构胶粘结铝合金副框和玻璃面板，现场安装框架及玻璃的一种幕墙形式。由于幕墙外表面没有任何铝合金框架，热工性能较明框幕墙与单元式幕墙好，即节能性好。其玻璃与副框为工厂组装，现场安装速度快。在建筑装饰功能方面，隐框玻璃幕墙从色调、通透度、光彩度等动态的条件来体现建筑外观和轮廓，因此20世纪80年代在我国便开始得到广泛的应用。我国规范规定，幕墙的使用年限为25年，这意味着早期建设的构件式玻璃幕墙的使用年限将逐渐到来，势必进行大修或者改造，作为易于更换且节能的隐框幕墙将成为业主或者建筑师的主要选择。但到现在为止隐框幕墙的论述较多，而涉及幕墙节点细部构造的研究较少。本文以某实际工程为背景，对采用构件式隐框幕墙的设计节点和设计原理进行介绍，并对其进行性能试验，对试验结果进行分析，最后对实际工程细部节点设计提出建议。

1 幕墙方案设计

某大型公共建筑工程首层层高5.5 m，底部标高18.0 m，顶部标高23.5 m，为梁柱混凝土结构，幕墙建筑面积2 320 m2。建筑功能要求大空间、通透，节能(U值为1.9 W/(m2·K))且维修更换方便，经方案对比，采用构件式隐框玻璃幕墙。

1.1 构件式隐框幕墙节点设计

建筑幕墙水平分格为2.6 m，竖向分格为3.98 m，幕墙标准立柱高度4.55 m，两端分别支撑于下部混凝土梁顶部及上部混凝土梁侧面。由于幕墙分格较大，支撑框架采用钢框架，立柱为三角形钢立柱，横梁采用槽钢。幕墙玻璃配置为FT8(钢化玻璃带低反射镀膜)+16 mm 空气层+HS8(半钢化)+1.52PVB+HS8，边部采用29.5 mm黑色彩釉，中部带有直径为30 mm间距为200 mm的灰色防撞点。节点设计平剖见图1，纵剖见图2。

铝合金副框采用组角码组框，通过结构胶和硅橡胶胶条2与玻璃相连成一个整体。铝合金压块长度为50 mm，采用间距为300 mm的M8×20螺栓把玻璃副框和钢立柱连接在一起，为防止温度作用下玻璃板块移动在压块与副框，压块与钢结构之间产生摩擦噪声及不同材料之间的电化学腐蚀，接触位置设置EPDM胶条。玻璃副框与钢结构横梁立柱间设置周圈封闭式U型EPDM胶条。

玻璃下部钢横梁焊接80×25×5的角钢，角钢上放置宽35 mm，长度为150 mm，邵氏硬度为85±5硅橡胶垫块承受玻璃重力(见图2)，垫块数量为2个，中心距离幕墙分格200 mm。在下部横竖向胶缝交接处设置直径为10 mm硅橡胶排水管。其中，硅橡胶垫块长度可由式(1)计算得出。

L≥(W×H)×27.5/n，Lmin=100 mm

(1)

其中，L为硅橡胶垫块长度,mm；W为玻璃分格宽度,m；H为玻璃分格高度,m；n为每块玻璃承重垫块的个数，个。

式(1)是本文作者根据国外相关资料[1]整理得出，只适用于材质为氯丁橡胶，EPDM或者硅橡胶垫块，且要求邵氏硬度为85±5的情况。

1.2 构件式隐框幕墙等压腔设计

隐框玻璃幕墙等压腔位置如图3所示。气密线为与立柱相连的U形胶条，水密线为玻璃及玻璃缝之间的密封胶。在横梁立柱前部U形胶条与玻璃及密封胶空腔位置即构成等压腔。幕墙横竖缝交接处设置硅橡胶管连通室外与等压腔。由于玻璃分格密封胶为现场施工，注胶质量难以做到完全密闭，随着幕墙使用时间的增加，胶缝薄弱部位会逐渐暴露。在风压作用下，通过胶缝引起等压腔与室外风压不相等有以下两个因素，一是气密线的气密性能；二是脉动风压，等压腔与室外压力平衡与脉动风压不同步。设置水密线排水管可同时解决以上两个问题，一是使等压腔内外空气流动保持与室外压力平衡；二是脉动风压引起少量进入等压腔的水，通过下部排水管排出室外。幕墙节点设计时，实现等压腔等压的关键是保证气密线的连续封闭以及排水管的直径。本工程气密U形胶条横竖密闭搭接做法见图4。

1.3 排水路线设计

构件式隐框幕墙排水路线为等压腔内少量水通过横竖缝交接位置的排水管排到室外，本工程节点设置排水坡度引导水排出。

1.4 热工性能设计分析

本工程采用劳伦斯伯克利国家实验室的therm 软件根据ISO 15099—2003[2]及 NFRC系列规范对隐框幕墙节点进行分析。玻璃性能由供应商提供，U值为1.299 2 W/(m2·K)。室内温度为19 ℃，对流系数为2.5 W/(m2·K)，有效室内辐射取1.0。室外温度取46 ℃，对流系数为15 W/(m2·K)，有效室外辐射取1.0。经建立热工模型计算，立柱节点中心U值为1.845 6 W/(m2·K)，边部U值为2.457 1 W/(m2·K)。横梁节点中心2.349 1 W/(m2·K)，边部U值为1.133 4 W/(m2·K)。隐框幕墙综合加权平均U值为1.39 W/(m2·K)。另在设计条件下，室内气温22 ℃，湿度为70%，室外气温为12 ℃时，幕墙内表面最低温度为21.5 ℃，高于结露温度18.8 ℃，不会结露。因此，幕墙设计节点热工性能远高于工程要求，节能性良好。

2 构件式隐框幕墙试验研究

为验证工程设计可行性，保证幕墙的各项性能，按照1∶1比例选取水平三个板块进行试验研究。平面长度为8.64 m,高度为4.5 m，总表面积为38.88 m2，试验模型如图5所示。

2.1 气密性能试验[3]

试验气密性能要求在300 Pa压强下，幕墙的漏气量Q<0.5 m3/(hr·m-2)[3]。在幕墙试验过程中，气密性能测试分别在试验开始时，地震位移试验后共进行两次，两次试验结果均为0.554 m3/(hr·m-2)，满足要求。另一方面，从两次气密试验结果可以看出本工程幕墙气密胶条的设计对位移适应性能很好，没有由于位移而引起气密性能的变化。

表1为其他工程单元幕墙在300 Pa压强下的试验结果与本工程的对比。对比结果表明，正常使用条件下，构件式隐框玻璃幕墙气密性要好于单元式幕墙。

表1 300 Pa幕墙气密试验结果对比 m3/(hr·m-2)

2.2 水密性能试验[6]

水密性能试验要求幕墙在600 Pa的压强，水速3.4 L/(min·m2)的喷水作用下持续15 min室内无任何漏水现象。水密性试验在气密性试验之后进行，分别在试验开始时，地震位移试验后共进行两次。其中，地震位移试验后未进行任何修复。

经过上述水密试验，试验模型板块未发现任何漏水，渗水现象，试验完毕后对板块进行拆解，在等压腔内没有发现任何积水，说明本工程隐框幕墙采用的等压构造设计是合理可行的。

需要指出的是，在构件式隐框幕墙大量使用的初期，并没有考虑等压腔的设计，而是采用玻璃及其之间的密封胶胶缝直接防水。实践表明，随着幕墙使用时间的增加，由于现场施工的密封胶缝存在种种缺陷的逐渐暴露，在不利的风雨条件下，构件式隐框幕墙的渗漏时有发生。因此把等压腔的设计引进到隐框玻璃幕墙是保证其实现良好的使用性能的关键方法。

当构件式隐框幕墙应用在高层建筑时，本文建议在建筑每层设置集水装置并在本层或者下层及时排出，以免水由于层数过多导致累积水量过大而导致渗漏。

2.3 标准风压性能试验[7]

在设计阶段，玻璃面板的重力由硅胶垫块直接传递给横梁，风荷载由玻璃面板通过结构胶传递给铝合金副框，并通过间距为300 mm的铝合金压块传递给钢立柱。为验证设计方法的正确性，试验标准风压采用工程正风1.42 kPa和负风1.21 kPa，测试单元幕墙立柱，横梁和玻璃的挠度。结果如表2所示。经验算，幕墙结构构件变形满足规范要求。

表2 标准风压下结构构件变形

2.4 地震位移试验与安全性能试验[8]

本工程水平地震位移标准值8.72 mm，面内、面外位移值相同，各三个循环。试验结束不经修复随即进行气密、水密性能试验。如前所述，试验结果均表明幕墙气密，水密性能良好。

安全性能试验采用1.5倍的标准风压通过测量幕墙受力构件的残余变形来衡量幕墙是否符合安全标准。此外本工程还进行了1.5倍地震标准值作为罕遇地震值对幕墙进行面内，面外各一个循环的测试，检验幕墙适应变形的能力。其中立柱的残余变形为0.15 mm，横梁的残余变形为0.2 mm，均符合要求。幕墙在罕遇地震位移作用下，密封胶缝，玻璃与压块之间的连接及幕墙构件均无损坏，试验结果表明，隐框幕墙对地震位移是适应性良好。

2.5 软体撞击试验[9]

撞击物体总质量为50 kg±0.2 kg，撞击能量分别为120 J和500 J，折算撞击高度分别为245 mm和1 020 mm，撞击点分布于玻璃中部，边部和角部。图6为120 J撞击现场。撞击试验结果表明无任何构件损坏，特别是与玻璃副框相连的压块无损坏。

3 结论与设计建议

1)试验结果表明，本工程采用的构件式隐框玻璃幕墙的节点设计是可行的，隐框幕墙也应与其他形式的幕墙一样设置等压腔及合理的排水路线，分层排水。2)分析表明，构件式隐框玻璃幕墙的重要部分为工厂组装，易于现场拆换，且其热工性能良好，气密性能好，节能性好。3)玻璃承重垫块的长度计算方法在我国规范中没有详细规定，设计时可采用本文推荐的式(1)进行计算确定。4)实践结果表明，构件式隐框玻璃幕墙加强对现场密封胶缝的质量控制是保证隐框幕墙使用性能的重要手段。

[1] Glass Association of North America,Glazing Manual[Z].2004.

[2] TC41,ISO ISO 15099,Thermal performance of windows,doors and shading devices-Detailed calculations[Z].2003.

[3] ASTM Committee,ASTM E283 Curtain walling-Air Permeability-Test method[Z].2004.

[4] 国家建筑工程质量监督检验中心.Unitized Glass Curtain Wall Test Report[R].2010.

[5] Thomas Bell Wright,Construction of Adnoc New Corporate Headquarters Curtain Wall Testing Report[Z].2012.

[6] ASTM Committee, ASTM E331 Curtain walling-Static Water Resistance[Z].2000.

[7] ASTM Committee, ASTM E330 Curtain Walling-Resistance to wind load-Test Method[Z].2002.

[8] AAMA,AAMA 501.4-00 Recommended Static Test Method For Evaluating Curtain Wall(Seismic Interstory Drift)[Z].2001.

[9] CWCT,CWCT technical notes 75 Impact Performance of Building envelopes: method for impact testing of cladding panels[Z].2012.

Design and performance experimental study on stick glass curtain wall with hidden-frame★

Zhao Yanmin1Ma Hongxu2

(1.NorthernBeijingVocationalEducationInstitute，Beijing101400，China； 2.JanghoGroupCo.，Ltd，Beijing101300，China)

The configuration detail and the design principle are analyzed together based on actual curtain wall design in one project. The 1∶1 scale test model was also made as per the design, the air permeability, water tightness, deformation performance under wind load, earthquake, and soft body impact were tested. Finally, the design proposal for the stick glass wall with hidden frame based on the study of test results and original design scheme.

stick glass curtain wall, curtain wall design, sub-frame, pressure equalization cavity

1009-6825(2017)02-0045-03

2016-11-07★：国家“十一五”科技支撑项目“建筑节能改造关键技术研究”(项目编号：2006BAJ01A03)；北京市高等学校青年英才计划项目(项目编号：YETP1819)

赵艳敏(1979- ),女,硕士，副教授

TU398

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