浅析单元式幕墙设计要点

孙志刚 李长春 中建深圳装饰有限公司

1 前言

在装配式建筑大力发展的现状下，单元式幕墙逐现优势，本文主要围绕单元式幕墙设计进行分析，希望能为单元式幕墙在未来发展提供理论依据。

2 单元式幕墙的定义

单元式幕墙是指将幕墙各种面板和支撑框架（横梁、立柱）在工厂加工组装为幕墙单元板块，以单元板块的形式在工地上通过转接系统直接安装在主体结构上的幕墙。

3 单元式幕墙的优点

（1）安装速度快，现场安装周期短，特别适用于施工场地狭窄的高层建筑；

（2）幕墙表面安装较平整，幕墙板块和龙骨间的拼缝效果好；

（3）幕墙的水密和气密性能可靠；利用等压腔原理实现幕墙的排水和防水，密封性能好，因单元板块全部在工厂加工组装，并进行相应的试验，不依靠现场工人高空操作的水平来保证质量，故幕墙的水密和气密性能会更可靠；

（4）单元板块之间的拼缝采用柔性橡胶胶条代替硅酮密封，因柔性橡胶胶条吸附灰尘的能力较硅酮密封胶少，故降低了幕墙的污染；

（5）单元构件是采用电脑控制加工中心在工厂内完成加工，保证了加工质量；

（6）单元式幕墙的挂接系统可以实现单元板块的三维调整，可以适应正常土建结构偏差的2 倍，使幕墙系统较大的吸收外因素造成的变位，从而提高了幕墙的抗震性能。

4 单元幕墙的构造设计

4.1 幕墙的雨幕原理

雨幕的设计原理是指如何阻止雨水对幕墙表面的渗透，这一原理的应用，主要形成因素为在接缝位置内部有空气的腔体要保持和室外的连通，保证腔体与室外处于等压状态，内部有空气腔体的外表面即上述所说的“雨幕”。等压状态的取得是使内部有空气的腔体与室外大气相流通。

4.2 单元幕墙结构设计要点

所谓的单元幕墙结构设计，实际上就是在满足建筑外视效果、在可控的成本范围内，通过结构设计实现幕墙各种性能要求。

4.3 单元插接原理设计及其实现方式

单元幕墙插接的设计原理就是板块间的横立柱插接部位，要保证单元体间的插接在整面幕墙上的连续性，插接部位不允许存在密封的间断点，保证幕墙的密封。单元板块插接的十字交叉点是最容易产生问题的位置，因此不管在设计过程中还是安装过程中该处都要重点考虑。对于单元幕墙插接的设计原理的实现方式有两种，一种为密封线的前置方式，一种为密封线的后置方式。密封线的前置方式优于密封线的后置方式，所以现在的做法为密封前置方式。密封线前置的做法见图1，图2。

图1 单元纵剖节点图

图2 单元横剖节点图

如图1和图2所示，单元体下横梁①面和立柱②面在一个平面上，③面和④面在一个平面上。公立柱的前插接刺在①、②面的外侧，后插接刺在③、④面的外侧，单元板块安装时可避免单元体公立柱插接刺与上横梁插接刺的干涉，保证单元竖向插接密封性；同时，位于上横梁插接刺上的胶条可以压在①、②、③、④面上，保证了单元横向插接密封性；可通过在公立柱前插接刺与上横梁批水胶条间的空隙内填充闭合海绵条的方式，保证单元体横向插接密封性。在十字接缝位置，上下横梁插接处要加泡棉密封。

4.4 水密性设计

4.4.1 设计原理

单元式幕墙水密性能设计原理是指通过单元体之间的插接和挡水密封胶条的设置，使单元板块的插接位置形成多个腔体，并与室外大气连通，将幕墙的气密线和水密线分开处理。从而使进入腔内的雨水通过自身重力顺利排到室外，保证靠近室内侧的位置（即：气密线）无水的存在，实现幕墙的水密性能。

4.4.2 设计关键点

从图2 的构造形式可以看出，正常情况下，单元会有三四道挡水密封胶条，挡水量由外至内递减，根据四性试验确定外侧第一道胶条上的排水口的大小，对于第二道批水胶条，在成本允许的情况下选择合适的批水胶条，整体式的批水胶条挡水性能比较好。

各密封面的密封可靠性主要与板块的安装定位是否准确、胶条具体尺寸设计是否合理有关，在安装过程中必须保证板块的插接缝尺寸与设计尺寸相同，从而保证横立柱插接处胶条对接严密，通过胶条密封防止大量进水，该胶条的具体尺寸一定要慎重选择，胶条太小则水密、气密性能无法保证，胶条尺寸太大则安装比较困难。

4.4.3 挡水设计

单元式幕墙均采用密封胶条进行挡风、挡水，幕墙第一道挡水密封胶条俗称尘密线。它的作用是防止灰尘和大量雨水进入内部腔体。挡水密封胶条在使用时具有一定的拉伸压缩性能，保证幕墙单元板块在发生变位时，挡水密封胶条仍具有一定密封挡水性能。

4.4.4 排水设计

一般情况下，单元式幕墙插接形成的腔体至少有两个。根据插接形式和挡水密封胶条的不同，还可以形成更多的内部腔体，如图1和图2中的等压腔体Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。

在挡水密封胶条的室外侧挡刺上增设排水孔，使腔体Ⅰ与室外大气形成贯通。

在挡水密封胶条的室内侧挡刺上增设排水孔，使腔体Ⅱ与腔体Ⅰ形成贯通。

在单元体上横梁的前插接刺上增设排水孔，使腔体Ⅲ与腔体Ⅱ形成贯通。

4.4.5 单元幕墙排水路线

室外雨水可通过两种途径进入单元体插接形成的空气腔体，即两单元板块横梁或竖立柱间的挡水密封胶条搭接处。通过横梁挡水密封胶条搭接处进入腔体Ⅰ内的水，一部分可通过挡水密封胶条挡刺上的排水孔排出，另一部分进入腔体Ⅱ内的雨水会在自身重力作用下通过挡水密封胶条间的缝隙排出，另外极少量进入腔体Ⅲ内的雨水，通过上横梁前插接刺上的排水孔排到下层单元的腔体Ⅱ中，最后通过上述原理排到室外。通过立柱挡水密封胶条搭接处进入腔体Ⅰ内的水，一部分通过自身重力落到上横梁的披水铝板或披水胶条上，与横梁腔体Ⅰ内的雨水一同排出。另一部分进入等压腔Ⅱ的大部分雨水会通过自身重力落到上横梁的披水铝板或披水胶条上，与横梁腔体Ⅱ内的雨水一同排出。还有少量雨水会进入腔体Ⅲ内，通过上横梁前插接刺上的排水孔排到下层单元的腔体Ⅱ中，最后通过上述原理排到室外。

单元体幕墙排水路径详见图3。

图3 单元幕墙排水路径示意图

4.4.6 单元式幕墙的排水设计

单元式幕墙在设计时应设计成逐层排水或分层排水，采用分层排水时一般不超过2 层。单元幕墙的排水有以下两种设计方式。

整体式披水胶条具有防水密封可靠，幕墙板块插接缝位置密封效果好，打胶粘接环节少，依托胶条实现单元板块件间进出水通道的阻隔，不会因单元板块发生变位而造成破坏。

采用批水铝板，其加工难度和造价均较低，且防水性能优良；其防水性能主要依靠现场打胶保证，在板块发生变位时或造成胶缝撕裂，其本身无法实现单元板块件间进出水通道的阻隔，需在单元上横梁上进行单独的阻隔设计。整体式披水胶条与批水铝板在原理上均可达到相同效果，但批水铝板依赖于其他设计和施工方法，综合对比，整体式披水胶条性能更好。

4.5 气密性设计

4.5.1 设计原理

气密性设计原理是指通过在单元幕墙③面位置设置胶条、闭合海绵以及打密封胶形成最后一道密封线，实现室内外空气的阻隔。气密性位置必须设置密封胶条，插接位置的胶条形状、尺寸和槽口的设计应相同。同时在板块交接位置的上横梁上放置300mm 长左右的闭合海绵，单元板块安装后闭合海绵具有一定的压缩和回弹能力，以保证幕墙的气密性能。

4.5.2 密封胶密封

应在十字接缝处打密封胶密封，保证密封线的连续完整性。

4.6 板块变位预留量的设计

4.6.1 插接预留尺寸H、D的确定方法

板块间的插接尺寸H、D应考虑结构变形量、温度和自重引起的变形、地震影响及板块加工、组装、安装的误差等多方面因素。

4.6.2 横梁插接预留尺寸设计

H1～H4的尺寸大小均应≥H。其中，H1、H2、H4为单元板块件预留的压缩尺寸，避免上下两单元因结构变位造成相互挤压破坏；H3为单元插接受力尺寸，避免上下两单元不会因结构变位造成插接脱落。

4.6.3 立柱插接预留尺寸设计

立柱插接尺寸的设计应适应各种变形因素，一般单元板块的横向插接变位小于竖向插接变位。D1～D3的尺寸大小均应≥D。D1、D3为单元板块件预留的压缩尺寸，避免左右两单元因结构变位造成相互挤压破坏；D2为单元插接受力尺寸，保证左右两单元不会因结构变位造成插接脱落。

4.7 横滑插芯设计

4.7.1 插芯的作用

单元式幕墙插芯具有定位和导向作用，单元幕墙板块是靠插接刺和槽口相互插接，槽口内设置柔性胶条，因胶条具有拉伸和压缩能力，单元板块无法准确定位，单元插芯插入紧密配合的槽口内可以实现定位，并且具有安装导向作用。

4.7.2 承压的作用

对于所有的横滑式单元幕墙，风荷载作用到幕墙外表面上时，单元板块上下横梁和左右立柱交接位置也是通过下单元插芯将上单元所承受的部分风荷载传到下单元板块的固定端，再由下单元固定端传递到主体结构上。因而，单元插芯在整个受力体系起承压的作用，插芯的承压能力必须通过计算确定。

4.7.3 插芯的排水和密封作用

单元式幕墙的特点在于合理的干法密封设计与施工，并使幕墙能有效地疏导排水。单元式幕墙横竖龙骨在设计合理时，单元板块的拼缝处往往是幕墙的密封和防水性能的薄弱位置。因此，插芯除连接相邻两单元板块外，其还可保证相邻板块件的水密性能和排水的功能。

4.7.4 横滑插芯强度设计

由于插芯在单元幕墙系统中起着承压作用，所以插芯的截面尺寸和长度必须满足结构计算要求。对于横滑单元式幕墙，上单元板块和下单元上横梁相互插接位置构成单元立柱的简支梁结构，因单元上横梁多采用开腔体系，自身结构强度很难满足计算要求，就需要插芯参与单元体的计算，并作为该简支结构的下支点。单元上横梁插接刺在承压计算时不能将其作为一个整体连续体，应将其承压段（承压段长一般取300mm）和插芯配合计算，以确定插芯截面和长度。

4.7.5 横滑插芯其他设计要点

底部和前后壁应与上横梁应留有足够的打胶间隙，保证密封胶的变位能力。当采用立柱开钉槽时，由于上横梁向立柱打钉情况时，插芯要预留间隙，避开钉头。

4.8 横滑式单元幕墙转角收口设计

4.8.1 在转角部位做幕墙收口处理

建筑周圈均为单元幕墙时，单元幕墙的最后一个板块将无法正常安装，所以在单元幕墙交圈的最后收口部位需做特殊处理。幕墙的转角可以做收口处理的，如图4 所示，当单元幕墙收口为转角时，需要做一樘双公框单元和一樘双母立柱单元。当同层除双母立柱单元外的所有板块都安装后，再将双母立柱单元板块从上至下安装，完成板块交圈收口。

图4 收口为转角单元板块做法示意图

4.8.2 转角板块的主定位点设置

转角两侧的单元板块主定位点应设置靠近转角处。因为双公框结构与其相对应的双母立柱结构在板块内水平方向上的伸缩量很小，如果双公框板块的定位点在远离转角的一侧，则靠近转角的一侧在温度变形作用下，会产生沿板块内水平方向的伸缩，该伸缩无法从结构上消除，对结构不利；而双母立柱结构，虽然理论上沿着板块内水平方向的伸缩可以通过结构消除，但是转接处结构变位情况复杂，应将变位点设在靠近直面的简单受力部位。

4.9 横滑式单元幕墙大面收口设计

横滑式单元式幕墙的密封为周圈插接，故每层最后一块单元板块的安装难度是最大的，正常情况的单元板块无法从上向下进行安装固定，在施工的各工程中，主要有以下四种解决方法。

4.9.1 收口部位放在与其他类型的幕墙结构交接位置

此种方法适用于幕墙不为单一的单元式幕墙，在每一层均存在与单元式幕墙交接的其他幕墙结构，因其他幕墙结构为非插接结构，故可以把单元幕墙的收口板块定为与其他幕墙交接的板块，这样可是实现单元幕墙的收口作业。

4.9.2 预留三块单元板块做法

预留三块单元板块，通过调整左右两侧单元以实现中间收口单元的安装。该方法需对单元板块反复调整，且调整困难，考虑现场的施工难度，此种收口方法不推荐使用。

4.9.3 双母立柱收口板块做法

如图5 所示，如采用正常公母立柱插接体系，中间收口单元板块的右侧立柱插接刺势必与其右侧单元板块上横梁产生干涉，无法进行安装，可采用双母立柱体系避开干涉情况，如图6 所示。此插接体系是单元收口板块左右立柱均采用母立柱，其右侧单元板块采用双公立柱做法，可保证中间收口板块从上而下安装时，可避免上述干涉情况，实现单元板块的交圈收口。此做法不会影响单元式幕墙的气密和水密性能。

图5 正常单元板块做法示意图

图6 收口为双母立柱单元板块做法示意图

4.9.4 单元板块铣豁插接做法

如图5 所示，如采用正常公母立柱插接体系，中间收口单元板块的右侧立柱插接刺势必与其右侧单元板块上横梁产生干涉，如不采用双母立柱做法，可对单元板块上横梁进行开缺口处理避开上述干涉，以实现收口板块的插接。该两个铣豁位置位于单元十字接缝处的披水胶条（披水板）和横滑插芯位置。在单元十字接缝处理过程中，这两处豁口可用密封胶封堵，不影响单元整体的密封效果。以上做法均可解决横滑式单元幕墙的收口问题，具体可依照工程实际情况，选取适用方案。

5 结束语

以上论述仅代表大多数单元幕墙工程到的设计要点，也是作者在单元幕墙设计中的体会，具体工程还要根据实际情况进行设计施工。当前，国内幕墙企业竞争激烈，且幕墙价格透明度高，微利运行，在幕墙设计施工过程中，要综合分析，广泛借鉴，合理选择经济、高效的设计系统和施工方案，同时也要遵循安全与质量并重的原则，使利润最大化。