U型玻璃幕墙设计与施工技术研究

宋庆博?王文涛?刘庆宇?史阳?罗达妮

摘 要 U型玻璃是一种新颖的建筑玻璃型材，因截面呈U型，使之比普通平板玻璃有较高的机械强度，并具有理想的透光性，较好的隔音性、保温隔热性，能节省大量金属材料，同时具有施工简便、造型美观等优点，在我国已经得到了一定范围的应用，适用于建筑的内外墙、隔断、屋面及窗等。本文以某办公楼为例，从玻璃幕墙的设计要点入手，进而对其施工工艺进行分析论述，为同类工程提供一些相关经验。

关键词 U型玻璃幕墙；设计要点；施工工艺

1 概述

1.1 U型玻璃材料

U型玻璃又常称为槽形玻璃，它是一种断面为U型的玻璃，原产于德国，在欧美已有30多年的生产应用历史。U型玻璃因截面呈U型，与普通平板玻璃相比，除了保持了理想的透光性外，还具有较高的强度。U型玻璃墙体系统除两端的固定用金属型材外，主要靠玻璃的两翼作为抵抗水平荷载的构件，如同全玻璃幕墙的玻璃肋板。因此，与普通玻璃幕墙相比，U型玻璃墙体系统能节省大量金属型材，施工更为简便。与其他传统墙体材料相比，U型玻璃具有自重轻、耐候性及耐久性强（使用100年以上），施工方便，透光不透视，无须二次装修，无放射性物质等优点。由于非光面U型玻璃的透光不透视性能，运用于墙体时能够产生柔和的光线漫射效果，使室内照度更为均匀，避免了阳光直射引起的不适；夜晚，室内的灯光则使建筑成为一个柔和的发光体，使它和周围的环境融为一体[1]。

1.2 工程概况

某辦公楼工程总建筑面积约53933m2，地上七层，框架结构，建筑高度30.05m，外墙装饰有花岗石石材幕墙、面砖面层、银灰色铝合金隐框中空玻璃幕墙及U型玻璃幕墙。

2 U型玻璃幕墙设计要点

2.1 构造要求

U型玻璃可用于室内，也可用于室外。用于建筑外围护结构的U型玻璃，其外观质量应符合《建筑用U型玻璃》JC/T867-2000优等品的规定，且应进行钢化处理。

U型玻璃幕墙可采用单排构造，也可采用双排构造，双排构造可采用对缝布置，也可采用错缝布置。单排构造的玻璃幕墙隔声性和热工性较差，因此对U型玻璃幕墙有隔声或热工性能要求时，应采用双排构造。

2.2 设计要点

（1） 结构完整性

幕墙结构的完整性以及可靠性是幕墙设计首先要考虑的要点。幕墙的自重可使横框构件产生垂直挠曲，全部元件都会沿着风荷作用向产生水平挠曲，而挠度的大小，决定着幕墙的正常功能和接缝的密封性能，过大的挠度会导致玻璃的破裂，同时，框架构件在风荷的作用下，由于竖梃和横框各自的惯性矩设计不当，从而使挠曲得不到平衡，则使缝隙产生不同的挠度值，从而导致幕墙的渗漏。因此，完整、合理的结构布置，能够有效传递幕墙的自重和风荷载，有效控制温度变化引起的变形，从而防止幕墙渗漏甚至倒塌。

（2） 活动量

幕墙设计时要考虑构件之间的相对活动和 与建筑结构之间的相对活动。这种活动既产生于风力作用，也产生于自重作用。这些活动可能会导致承重框架变形或移位，因此在幕墙设计中，这些活动量是必须要考虑的。温度变化产生的膨胀和收缩也是产生活动量的重要因素，由于幕墙边框为铝合金材料，膨胀系数比玻璃大，故设计幕墙时，必须考虑接缝的活动量。

（3） 防风防雨设计

幕墙技术的最新发展是采用“等压原理”结构来防止雨水渗透。简而言之，就是要有一个通气孔，使外墙表面与内墙表面之间形成一个空气腔，腔内压力与墙外压力保持相等，而空气腔与室内墙表面密封隔绝，防止空气通过，这种构造大大提高了防风雨渗漏的能力。

（4） 隔热

幕墙构造的主要特点之一是采用高效隔热措施，嵌入金属框架内的隔热材料是至关重要的，如采用隔热性能良好的中空玻璃或热反射镀膜玻璃作为镶嵌隔热材料的透明部分，不透明部分多数是用低密度、多孔洞、抗压强度很低的保温隔热材料。因此，需进行密封处理和内外两面施加防护措施，一般由三个主要部分构成，即外表面防护层、中间隔热层、内表面防护层；另外金属框架也需考虑隔热，以防止热桥的产生。

2.3 结构设计

幕墙结构设计是一项较为复杂的工作，结构设计首先应满足相关规范的构造要求，然后对承受荷载进行设计计算，由于玻璃幕墙是非承重结构，因此主要考虑自重荷载及风荷载，有抗震设计要求时，还应将地震荷载纳入结构设计计算内容中。

（1） 自重荷载

幕墙自身质量视幕墙材质和种类而定，根据幕墙建筑设计所采用的U型玻璃种类而定，幕墙对墙框的影响视支点的位置而有所不同。

（2） 风荷载

风荷载是玻璃幕墙承受的主要荷载，进行幕墙结构设计时不仅需要做正风力计算，对高层建筑特别是超高层建筑还应做負风力（吸力）计算。后者易被忽略，但却是最危险的。如沿海地区刮台风时，许多玻璃幕墙是被吸离建筑物而不是吹进建筑物。风荷载的取值视地区、气候和建筑物的高度而定。

荷载设计应按照《建筑结构荷载规范》GB50009-2012执行。U型玻璃是压延生产工艺，按照《建筑玻璃应用技术规程》JGJ113-2015规定，U型玻璃的设计许用强度取平板玻璃的0.6倍，钢化处理后强度增加3倍。U型玻璃承载力可按照式2.3.2-1计算：

（2.3.2-1）

式中：N—U型玻璃的轴力设计值（N）；

M—U型玻璃的弯矩设计值（N·mm）；

An—U型玻璃的净截面面积（mm2）；

Wn—U型玻璃在弯矩作用下的净截面抵抗矩（mm3）；

fa—U型玻璃的设计强度设计值（N/mm2）

（3） 计算内容

为了保证玻璃幕墙具备足够的安全度。结构计算时必须考虑以下几方面内容：

①骨架强度和刚度。玻璃幕墙的骨架，是承受风力的主要杆件，选择断面时，应首先进行强度、刚度及变形的复核。看其在最大风压下的强度及变形是否符合设计规范的要求。重要的受力构件应该考虑在循环应力作用下的抗疲劳强度。

②各种连接件及紧固件。各种型号和规格的连接件与紧固件。有的受剪力，有的承受弯矩作用，计算时应根据受力状态，分别进行复核。复核应考虑到每个构件，避免因小失大。

③玻璃厚度与面积。玻璃主要是对厚度及单块使用面积进行计算。单块面积大，相应地厚度也要增大，但要用某种厚度的玻璃允许使用的最大面积来限制。当然，这种限制还与固定形式、风压大小有关。

3 U型玻璃幕墙施工

3.1 安装要点

（1）U型玻璃的端面和平面应无锯齿状缺口或裂纹。

（2）各独立的U型玻璃构件应支撑在具有均匀弹性的衬垫上。

（3）玻璃与临近的金属件、混凝土和砂浆结构之间不能有硬性接触。

（4）在U型玻璃的上端与更高处的建筑物件（如过梁、大梁、屋面板等）之间必须留有缝隙。U型玻璃上端与临近的上部结构之间的空气缝隙不应小于25mm，以应付其变形，便于安装更换。

（5）必须用弹性密封材料填充U型玻璃之间的纵缝。密封材料通常有二组分的聚硫塑料、硅酮胶、柔性聚氯乙烯型材等，用于U型玻璃与固定件、U形玻璃条之间的密封。圆绳，用于U型玻璃与边框之间的密封。条形衬垫、柔性聚氯乙烯型材、浸过沥青的条带、硬泡沫塑料等，用作U型玻璃与边框之间的胀缝和滑缝。

3.2 施工工艺

（1） 现场测量放线

用经纬仪、水准仪进行施工控制。对建筑整体控制和细部测量，布设测量控制网点，使幕墙的框架（槽钢横梁）施工安装时能据此精确定位。根据现场测量的精确数据，详细标明幕墙水平标高和垂直标高，以便安装施工。

（2） 横梁安装

对横梁进行放样下料，根据吊线位置，将30#槽钢固定在钢筋混凝土梁外侧。

（3） 边框固定

将边框料固定在受力钢梁上。调整好边框的水平后用膨胀螺栓将边框固定在钢梁上，边框每侧至少有三个固定点，边框固定后，在边框内侧底部放置硬泡沫塑料作为胀缝材料，在边框两翼内侧贴上垫条，以保证U形玻璃幕墙的自由伸缩。

（4） 嵌入件及U型玻璃安装

将起稳定作用的成品塑料件截成相应长度，放入框中的上下型材内。将U型玻璃依次插入，U型玻璃插入上框的深度应≥20mm，插入下框的深度应≥12mm，插入左右框的深度应≥20mm，当U型玻璃插至最后一块，洞口宽与玻璃宽不一致时，则沿长度方向裁切玻璃，按端头玻璃安装顺序将所裁玻璃装入。

4 结束语

U型玻璃已经是一种工艺较为成熟的建筑材料，但U型玻璃幕墙作为一种新的玻璃幕墙形式，在建筑领域还未普遍推广。近年来，建筑设计中越来越多的开始使用U型玻璃幕墙，其造价、环保性、美观性以及耐久性較之普通玻璃幕墙都有明显优势，《建筑玻璃應用技术规程》JGJ113-2015中也增加了U型玻璃的内容，因此U型玻璃幕墙的设计和施工有了更可靠更充分的理论依据，本文对U型玻璃幕墙的设计和施工工艺进行了详细介绍，希望可以对同类工程提供更加全面的经验。

参考文献

[1] 王永恒，米家华，崔厚寅，等.U型玻璃应用技术手册[M].北京：中国建材工业出版社，1996：50-52.

作者简介

宋庆博（1990-），男，专业：土木工程，现就职单位：中建三局第三建设工程有限责任公司。

王文涛（1994-），男，专业：土木工程，现就职单位：中建三局第三建设工程有限责任公司。