装配式石材幕墙的设计分析

刘发令 谢陈坚 陈家前 高耀明

摘 要：随着整个社会工业化、机械化、信息化进程的加快，传统幕墙结构已经很难适应建筑行业的发展需求。《中共中央国务院关于进一步加强城市规划建设管理工作的若干意见》提出“要争取用10年左右时间，使装配式建筑占新建建筑的比例达到30%”。因此为适应整个建筑行业的需求，一种新型的幕墙形式——装配式幕墙结构运而生。

装配式幕墙实现了幕墙行业从“建造”到“制造”的过程，大量的工作均在工厂内完成，现场仅需进行必要的连接、拼装即可。现场工序简单，避免了施工通病造成的缺陷和返工，大大提高了工程的可靠性，更重要的是环保和节能，由于现场操作量的减少，粉尘和噪声几乎没有，施工过程绿色、环保，同时也减少了安装过程中的能源损耗。

北京城市副中心正是采用了装配式幕墙设计理念，以新型建造设计方案，创导绿色施工、节能环保。充分发挥装配式建筑的优势，与时间赛跑，为祖国首都建设千年优质精品工程。

关键词：装配式建筑；装配式石材幕墙；设计理念；实现方案

1 前言

北京城市副中心行政办公区工程作为北京市政府东迁通州副中心的政府性工程，从建设初期就担负着一系列不同寻常的历史使命。作为市政府办公类建筑项目，不仅工期短，更要求工程质量高且须完全符合国家相关建筑控制项。北京城市副中心的主体建筑及结构设计完全按照《北京市人民政府办公厅关于加快发展装配式建筑的实施意见》（京政办发〔2017〕8号）的规定，实现了建筑主体结构为全钢结构装配，钢柱、钢梁由工厂预制完成，相关连接部位件预留，现场仅进行主体钢结构的连接作业。B1工程为一组建筑，含3栋主楼（高7～8层不等）和5栋裙房（高1～2层），主楼和裙房之间通过13个连廊连接起来形成一个建筑群。整个建筑外帷幕为石材和窗，屋面为金属板屋顶屋面和铝合金格栅。

按照建筑形体的特点，建筑外幕墙整体考虑为装配式幕墙板块，按系统构造分为装配式石材板块、装配式幕墙窗板块、装配式金属栏杆板块。论文主要针对装配式石材幕墙板块设计进行分析。

2 装配式石材幕墙板块的构造设计分析

装配式石材幕墙是一种集成较高的幕墙系统，通过设计及加工，将零散的预制构件（结构钢架、保温一体板、饰面面板）在工厂组装好，现场仅进行主体结构连接作业的一种幕墙。

2.1 结构钢架

石材幕墙板块结构钢架采用了全钢构件构造，全部要求在工厂车间作业完成，其结构钢架的连接形式采用车间焊接工艺，保证结构刚度。

石材幕墙板块在工厂预装连接加强钢件，板块连接加强钢件预制安装孔，用于后期现场吊装、装配式幕墙窗板块的安装及与主体钢结构的螺栓连接。

钢架、连接件整体焊接制作完成后，整体置于镀锌池中镀锌以达到规定的镀锌层厚度。

2.2 保温一体板

石材幕墙板块内侧连接保温一体化板，保温一体化功能板块实现了保温、隔音、防水功效。保温一体板通过不锈钢沉头钉固定于结构钢架预设的龙骨上。

保温一体化板采用的保温材料为100mm厚度憎水型保温岩棉（容重应不小于110KG/m3，憎水率应不小于98%，吸水率应不大于6%）。0.9mm的铝镁锰防水合金板（材质AA3004-H24，原色平板）作为石材幕墙板块的第二道防水体系（石材外面板完全封闭防水），在石材外面板密封防水假设失效的前提下，仍然有第二道防水体系功能；1.2mm隔音毡+2mm的隔音钢板作为保温一体板的隔音功能模块，保证了石材幕墙板块作为该建筑的不透明墙体部分达到隔声指标>48dB。室内面的12mm硅酸钙板（性能指标见表1）给建筑内部装修提供了基体墙面条件。保温一体板内层龙骨支撑结构采用C型钢，C型钢的单臂特点有助于降低整个系统的冷桥。装配式保温一体板同样为非承重结构构件， 不承受建筑物载荷，只承担自重、风压、地震、温差等产生的应力。

2.3 饰面面板

饰面面板选用天然花岗岩石材，堅硬永久、高贵典雅。表现了政府办公楼端庄、稳重的特质。建筑外立面通过石材面板的表达来实现整个建筑体的气质，石材面板分为深色及浅色系，面板的分块尺寸较小且规整（600x1200mm）。为了保证本项目的8度抗震设防烈度，石材面板与幕墙板块结构构件的连接均为可靠的螺栓连接，采用背栓入槽式，其对关键性连接件石材背栓做了明确的性能要求规定。30mm厚的石材锚固深度要求不小于15mm，保证了石材面板与幕墙板块结构构件连接的安全可靠。

3 装配式石材幕墙板块的防水设计

幕墙的防水为设计的重点，装配式石材幕墙板块共设计了三道防水线。第一道防水线为室外连续30mm石材，8mm石材间隙采用中性硅酮密封胶密封，此道防水线在不失效的前提下，能隔绝室外的水进入幕墙内体系；第二道防水线为胶条防水，将胶条嵌入铝合金型材中，再与铝镁锰板铆接，与相邻石材板块搭接共同形成第二道防水线，假设在第一道防水线突破后，能起到防住绝大部分水分不进入保温层内；第三道防水线为室内连续的硅酸钙板，起到最后一道保障。通过三道防水线的共同作用，确保了幕墙防水性能。

4 装配式幕墙板块的连接设计

B1幕墙工程大面主要由装配式石材板块和幕墙窗板块组成。装配式石材板块与主体钢结构栓接，单元窗内嵌于竖向石材单元结构钢架上。连接构造排版见图5。

A顶——横向石材单元上结构连接部（承重+抗风）

A底——横向石材单元下结构连接部（抗风）

B顶——竖向石材单元上结构连接部（承重+抗风）

B底——竖向石材单元下结构连接部（抗风）

（2）主体工字钢梁车间预钻孔，现场主体结构楼板浇筑预留单元结构连接部位空间；

（3）结构连接部件均实现无焊接螺栓连接及三维可调式；

（4）B底结构连接部为二次安全防护连接，视位置定。

装配式石材板块与主体钢结构连接设计

装配式石材幕墙板块通过钢转接件与主体钢结构采用螺栓連接，此种连接构造实现了绝对的结构安全度及现场与主体结构的三维误差调整功能。该项目为8级抗震设防烈度，石材幕墙板块在工厂预装连接加强钢件，板块连接加强钢件与主体钢结构的连接均由螺栓连接构造来实现。连接构造理念完全摒弃了目前行业内全单元式玻璃幕墙的挂接构造，保证了石材幕墙板块连接部的结构安全性。在此前提下，其连接构造均可实现三维调整功能。在主体钢结构误差允许范围内，可以实现装配式石材幕墙板块三维调整到位。

装配式石材板块与幕墙窗板块连接设计。幕墙窗板块在工厂预装铝合金连接件，在现场通过螺栓与竖向结构钢架上预留的连接件连接。共设计4个连接点，来完全保证幕墙窗板块所受荷载能良好的传递给主体钢结构。石材板块与幕墙窗板块连接后，板块间的空隙采用同材质的12mm硅酸钙板封修，内填充保温棉，达到室内基本墙面的连续完整性（见图 7）。

5 装配式石材幕墙板块的加工设计

B1工程幕墙共计有8栋楼，每栋楼都有各自的风格，幕墙板块也各自不一。为了完整表达建筑风格，势必需将每个独立的幕墙板块进行定制加工设计。加工设计与方案设计相辅相成，方案设计能指导加工时的工艺工序，加工设计也能完整表达方案设计的理念。

装配式石材幕墙板块规格约为1200*4200mm，鉴于板块高度的集成性及装配性。需要考虑组装时的配合、工艺工序。即幕墙结构钢架优先制作，其构件通过设计加工图，做到长度定尺，孔眼定位，通过焊接连接而组成钢架待用。钢架制作完成后整体置于镀锌池中镀锌，由于钢架尺寸较大，为保证镀锌的均匀性且满足规范要求的镀锌层厚度，加工设计时需考虑构件上镀锌工艺孔的开设。

结构钢架制作好之后，再将保温一体板通过自攻钉与结构钢架连接。受硅酸钙板材料尺寸制约，保温一体板设计制作规格为1200*1000.保温一体板固定后，相接部位的缝隙采用中性硅酮密封胶密封，保证整体气密性。

最后，将预植M8背栓的石材面板通过螺栓连接固定于结构钢架上。石材面板间预留8mm缝隙施胶，做好防水气密线。

6 装配式幕墙设计的意义

2016年09月30日，国务院办公厅印发了《关于大力发展装配式建筑的指导意见》。坚持标准化设计、工厂化生产、装配化施工、一体化装修、信息化管理、智能化应用，提高技术水平和工程质量，促进建筑产业转型升级。本工程新型装配式石材幕墙系统的应用，正是对装配式建筑幕墙的探索与实践，相信在国家大力发展装配式建筑的指导下，越来越多的新技术、新材料、新模式即将运用到装配式建筑幕墙中。

7 结束语

2017年是北京市推进装配式建筑发展的关键之年，也是我司首次接触装配式幕墙的第一年。实践出真知，通过北京城市副中心B1幕墙工程的设计与学习，我认识到新的建筑设计理念能给建筑行业带来革新，为建筑行业发展推波助澜，推进建筑建造的工业化、信息化发展。极大程度的节约劳动力、倡导绿色施工，为实现健康中国、绿色中国添砖加瓦。

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