高层建筑折线幕墙构造技术和受力分析

宁明肖 吴英国 潘光永

幕墙最早出现在20 世纪初期，1917年旧金山利用专业技术建造出第一栋玻璃幕墙建筑物，几年后德国又建成一座具有代表性的玻璃幕墙建筑物。直到20 世纪50 年代，幕墙才正式出现在大众的视野中。之后各国陆续建造了大量使用幕墙的建筑物，其中最具代表性的是1951年建立的联合国秘书处大厦，是构件式明框幕墙的代表作。

经过多年不断发展，幕墙使用范围逐渐拓展，通常应用在高层建筑物中。我国第一个玻璃幕墙工程是北京的长城饭店，全楼采用单元式幕墙；后期也出现各种利用单元式幕墙建设的高层建筑物，如上海金茂大厦、北京航华科贸中心等。基于此，本文探讨了玻璃幕墙构造的基本特征，介绍了玻璃幕墙各方面的情况，并采用有限元软件来分析水平侧向支点反力、自重以及卷扬机支座水平等数据，以进一步加强吊装系统支座的稳定性，避免出现倾覆风险[1]。

1 工程概况

某高层建筑属于改建工程，占地面积15 709 m2，总建筑面积为229 168 m2，建筑高度为235 m，共57 层。从幕墙基本结构来看，除了首层采用框架式雨篷幕墙外，其他环节均以单元式幕墙为主，塔楼立面则由玻璃、外伸竖向装饰条和凸出墙面的铝板等构件组成。工作人员在空调机室外平台上设有铝合金百叶，机电层也安装有铝合金百叶；塔顶环节以竖向装饰栅格为主体，栅格后设置背板，主要目的是反射照明灯光。外围护主要加强了智能化结构，能够根据实际气候的变化情况调节室内问题，从采光、保温等方面进行分析，使室内环境的形式更为多样化。相关数据表明，该建筑物平均每天的热负荷仅为0.7 W/m，以冬天温度进行计算，建筑的热负荷每天只需耗费2.3 W/m，将人体发热量和建筑室内各种设备发热量相结合，能实现整个冬天的热量供给。

1.1 分格形式

单元幕墙系统的竖向空间是以单元板块为主，主要包括玻璃和铝板融合单元板块、纯铝板单元板块以及纯玻璃单元板块等类型。工作人员可根据实际情况在单元板块竖向接缝处设置装饰带，并保证竖向装饰带超过玻璃面75 mm[2]。

1.2 结构类型

本项目采用横滑型单元幕墙结构，工作人员需合理控制单元板块的高度和楼层高度。可通过机制螺钉将单元模块连接起来，形成完整的单元板块结构，再连接结构胶和主框架，进一步提高整个玻璃板块的稳定性。同时，在日常安装时，工作人员要将板块吊装到指定位置，通过将两个单元组件的竖框对插来构成竖向组合杆，将上单元下框和上单元上框相互连接能构成横向组合杆。横向组合杆构造如图1 所示。

图1 横向组合杆构造（来源：网络）

2 单元组件中常见技术问题

在正常情况下，单元式幕墙在工厂制作完成，工作人员根据行业要求安装面板，单元组件和主体结构连接构件则被设置在单元组件内部。因此，在吊装工作时，必须将单元组件和主体结构相互连接的工作放在幕墙内部进行操作。单元组件接缝是利用相邻两单元组件框相互融合形成组合杆，从而实现接缝工作。而杆件上的接缝工作，是利用对插组合杆的方法进行。同时，工作人员要在工厂中完成幕墙尺寸、外形等环节，再通过主体结构连接件来控制幕墙外表面的平整度。由于单元式幕墙接缝结构具有较强的特殊性，导致单元式幕墙结构无法满足日常工作要求，主要表现在如下方面。

2.1 封口技术

在单元式幕墙接缝过程中，由于独立单元组件对插件无法到达预期位置，从而出现1 个贯穿内外的孔洞，因此孔洞填充是目前单元式幕墙设计中亟需解决的问题。工作人员应提高对孔洞填充的重视程度，在设计材料时选择合理的封口结构。

在设计型材断面时，要将封口构造全部体现在型材上，若设计过程中未能确保封口构造的合理性，则很容易给整个设计工作造成严重影响。单元幕墙的封口技术主要包括横锁型和横滑型两种，其中横滑型构造是在相邻两个单元组件上框设置封口板，再用封口板将4 个单元组件贯通孔洞进行堵塞；该封口板不仅拥有堵塞功能，还具有分隔和集水作用。由于封口板设置在单元组件上部的滑槽中，能在封口板槽中自由移动，不会给相邻单元组件移动带来任何影响。因此，在地震作用和主体结构层间变位影响下，上下两层单元组件会出现不同程度的移动，这时，上单元组件没有在下单元组件中，很可能被移动到下单元组件的上框中。

横锁型是在竖框连接位置安装多功能插芯，该插芯由对插封口环节和集水壶组成。其中，对插封口环节在4 单元连接位置，而集水壶在下方，具有集水、封口和分隔等作用。由于多功能插芯在上下单元连接点将两个单元相互结合构成1 个整体，并将单元组件固定在主体结构上，保证相同主体结构中的层间变形和平面变形不存在严重差异性。

从实际应用情况来看，其集水功能和排水功能较差，通常应用在单元组件任何角度的对插方面；由于插芯能固定上下单元，确保左右单元不出现明显移动，因此能够有效避免碰撞问题。在地震作用下，其位置移动情况和元件式基本相同，且平面变形率超过横滑型，因此工作人员在设计单元式幕墙时要对其进行深入了解[3]。

2.2 收口技术

在单元式幕墙单元组件过程中，工作人员通常利用对插进行接缝工作，对安装顺序有着更高的要求，每1 层都必须按照顺序进行对插，该过程中不能出现任何空位，安装完1层后才能安装上1层。目前，如何将最后1 个单元和相邻单元相互连接是关键所在，主要是因为已安装的单元组件间距要低于单元组件的实际宽度，导致组件无法推进空位，无法依次连接两个不同的侧组件。因此，在日常设计过程中，工作人员在组装最后1个单元组件时要考虑好具体的接缝方法。

由于收口位置技术过于复杂，工作人员应尽可能在每层设置1 个收口点，这就要求工作人员具有较高的技术能力。在设计时，应确定收口点的具体位置和收口方法，非设计收口环节禁止断开安装预留空位。在设计施工工序时，要严格遵循横向一一对插的原则，将施工设备设置在单元式幕墙的收口位置。主要原因是高层建筑的施工设备每3 层和主体结构拉结一次，这些拉结件会导致单元组件无法通过，从而中断安装工作。工作人员通常要等全部机具拆除后再进行收口，但该工作整体操作难度较高，即使采用各种处理措施也无法达到预期的效果。

因此，针对单元式幕墙施工，工作人员在进行收口环节设计时，要按照单元式幕墙组装规律进行，以有效提高日常施工效率[4]。

3 单元式幕墙安装

3.1 单元模块吊装

在单元板块吊装过程中，工作人员一般采用索道式电控提升机进行日常吊装工作。在地面上将电控卷扬机主钢丝绳固定起来，并和钢丝绳顶部、主体结构等环节相互连接，将两根辅助钢丝绳利用专业方法进行固定。工作人员要根据现场实际情况在地面上固定两个定滑轮，让主钢丝绳和主体结构相互结合，建立斜面轨道，然后将顶层主卷扬机绑在炮车上，通过吊具和索道环相互连接，再利用主卷扬机将所需物品沿着轨道吊装到指定位置。在吊装过程中，通常采用每5 层为1 批次的方式进行安装，工作人员通过对讲机和主卷扬机操作人员进行交流，传递停止指令；辅助卷扬机会解开钢丝绳，并将单元模块利用液压小车运输到指定楼层中，根据编号堆放整齐[5]。

3.2 单元板块吊装

在单元板块安装过程中，工作人员要利用专业工具运输单元液压小车，使其到达指定吊装位置并进行固定，以提高其稳定性。操作人员合理操作吊装卷扬机，将单元板块吊装到指定楼层，能够有效提高日常吊装效果。同时，在日常吊装过程中，楼层中的施工人员要扶着单元板块，保证其均匀缓慢下降，避免和主体结构发生碰撞，防止单元板块受到严重影响。待单元板块全部安装到指定位置后才能进行日常固定工作，以保证整个安装流程顺利进行[6]。

4 卷扬机受力分析

4.1 支座支点受力分析

卷扬机共有4 个支点，若支座施加到地面的集中力为正值，则表示卷扬机支座给地面造成的是压力，无任何倾覆风险；若为负数，表示支点已离开地面，会出现倾覆问题。

通过计算能够发现，4 个支点应力分别为389 MPa、323 MPa、370 MPa、342 MPa，均为正值，给地面造成了压力，因此该吊装系统支座不存在倾覆风险[7]。

4.2 吊装系统支架受力分析

利用有限元软件进行支架整体建模计算，设计吊装系统计算模型时要考虑到钢管自重。通过分析吊装系统支架应力发现，最大应力为215 MPa，符合行业标准对强度的要求。在正常情况下，配重矩为24.026 kN·m，前倾力矩为10.412 kN·m，所有抗倾覆系数为2.308，均高于行业标准倾覆系统，因此能够满足抗倾覆要求[8]。

5 钢丝绳受力分析

5.1 主钢丝绳受力分析

目前，吊车上卷扬机钢丝绳的重量为7 590 kg/m，单根钢丝绳最低破断拉力为110 kN，采用钢丝绳直径为14 mm。经计算可知，钢丝绳安全系数超过6，符合行业预期要求[9]。

5.2 辅助钢丝绳受力分析

在日常吊装过程中，辅助钢丝绳要承受来自不同方面的作用力，如单元板块自重传递的集中力、风荷载传递的集中力以及初始预拉力。因此，工作人员根据现场实际情况，选择1 个高5 m 宽2.2 m 分格的单元板块进行计算。通过分析10 根钢丝绳轴向应力发现，钢丝绳轴向力为44.624 kN，低于单根钢丝绳最小破断拉力，说明辅助钢丝绳受力满足基本要求[10]。

6 楼面结构承载力和钢管吊梁验算

6.1 楼面结构承载力验算

楼面混凝土轴心抗压强度设计值为14.3 MPa，前支点处最大的压应力为6.879 MPa ＜14.3 MPa，满足要求；后支点处最大的压应力（未起吊时最大）为6.538 MPa ＜14.3 MPa，满足要求。

6.2 钢管横梁验算

吊装过程中，横梁处于受力平衡状态，可简化为承受跨中集中荷载的简支梁。横梁的弯曲应力为78.824 MPa＜215 MPa，满足要求；剪切应力为6.209 MPa＜125 MPa，满足要求；折算应力为79.555 MPa ＜215 MPa，满足要求。

7 总结

在单元板块幕墙施工过程中要经过安装和吊装两个环节，吊装是采用索道式电控提升机来完成，保证运输效率达到预期标准。

在单元板块安装过程中，工作人员将其悬挂在单元层间的转接件上，再通过插接进行相关固定，整个操作流程非常简单。

同时，经过各项实验证明，当卷扬机制作水平力、水支点点反力以及自重都能给地面带来压力时，便可避免吊装系统出现倾覆风险。