大型机场航站楼幕墙系统设计研究

陈 明

（上海和甲幕墙设计咨询有限公司，上海）

引言

近年来，我国航空机场建设发展迅速，新建机场项目越来越多。机场项目功能划分和幕墙系统存在一定的相似性和可参考性，所以本文依托于杭州萧山国际机场三期项目，详细阐述该项目中层间无遮挡玻璃幕墙系统、大跨玻璃幕墙系统、大尺寸铝合金遮阳系统、平行四边形开启窗系统的设计技术难点和解决方案，为后续大型机场项目幕墙系统的设计提供一定方案参考，从而更好地实现建筑的具体功能和设计效果。

1 项目概述

杭州萧山国际机场三期项目是浙江省迄今以来最大的机场建设项目，其中的核心项目为新建航站楼（T4），其全部建成后总建设面积约72 万m2。此项目包含地下2 层，地上4 层（局部6 层），建筑最大高度为44.55 m。航站楼平面布局中央集中式构型，实现南北两翼空侧贯通，中央陆侧联系。主楼面宽约466 m，进深约261 m，北侧三根指廊宽度均为42 m。

2 幕墙系统分类与设计

由于项目体量庞大、幕墙系统种类繁多，主要包括主楼标准全明框玻璃幕墙系统、长廊全明框大跨玻璃幕墙系统、南北长廊全明框玻璃幕墙系统、长廊接主楼倾斜高侧窗幕墙系统、长廊锯齿铝板幕墙系统、指廊玻璃幕墙系统、室外蜂窝铝板吊顶幕墙系统、采光天窗系统、雨篷系统等组成部分，以下只针对主要的、典型的幕墙系统设计成果进行介绍。

2.1 主楼标准全明框玻璃幕墙系统

本系统外设进深150 mm 的竖向铝合金装饰杆件，幕墙横梁、立柱均为铝合金型材，立柱跨度为3 600 mm，立柱通过钢铸件与主体结构可靠连接。幕墙横梁跨度为1 800 mm，与立柱采用插芯连接。玻璃面板基本分格为：宽×高=1 800 mm×3 600 mm=6.48 m2，玻璃配置为8HS+1.52PVB+8HSLow-E+16Ar+8HS+1.52PVB+8HS超白半钢化双夹胶双银Low-E 中空玻璃。

2.2 长廊全明框大跨玻璃幕墙系统

本系统外设宽300 mm的横向铝合金遮阳杆件。幕墙立柱采用铝包钢做法，钢龙骨截面为220 mm×80 mm×14 mm×14 mm H 型钢，材质为Q355B，幕墙立柱上下两端通过两个M24 的螺栓连接在幕墙钢横梁上，幕墙立柱最顶端与主体结构横向封边钢梁连接，幕墙立柱对幕墙钢横梁的竖向变形起约束作用；幕墙横梁采用350 mm×100 mm×16 mm×20 mm 直角钢通，材质为Q235B，横梁一端开圆孔一端开长孔，其最大跨度为14.4 m，钢横梁通过厚钢板转接件与主体钢立柱连接。

图1 标准全明框玻璃幕墙竖剖节点图

图2 全明框大跨玻璃幕墙系统竖剖节点图

2.3 指廊全明框玻璃幕墙系统

本系统玻璃面板基本分格为：宽×高=3 000 mm×1 200 mm=3.6 m2，玻璃配置为6HS+1.52PVB+6HSLow-E+16Ar+8FT超白双银夹胶中空玻璃。玻璃幕墙外侧设置横向大小两种铝合金遮阳杆件，大遮阳杆件净宽600 mm，最外端距玻璃幕墙扣板1 500 mm，其跨度为6 m；小遮阳杆件净宽100 mm，最外端距玻璃扣板1 200 mm，其跨度为3 m。

主体钢结构每6 m设置一组钢立柱，供幕墙横梁和立柱连接。幕墙横梁立柱均为铝合金型材，表面氟碳喷涂处理。横梁为主受力杆件，跨度为6 m，横梁一端固定，另一端可自由伸缩；横梁中间位置的立柱前腔中设有不锈钢拉杆，为横梁提供竖向支撑，立柱跨度为1.2 m。

2.4 采光天窗幕墙系统

采光天窗整体成菱形，玻璃主要为平行四边形，基本分格为1.8 m×1.2 m，最大约为1.8 m×1.7 m，玻璃配置为8FTLow-E+16Ar+6HS+1.52SGP+6HS 超白钢化夹胶双银Low-E 中空玻璃；天窗主次龙骨采用120×60×6 热镀锌钢管，外包铝合金型材，表面氟碳喷涂处理。本系统设有电动开启窗，开启窗亦为平行四边形，其中锐角角度为81°。

3 设计技术难点与解决方案

通过上述的系统分类和介绍可知，各幕墙系统均有各自的特点，下文将根据各幕墙系统的特点详细阐述其设计技术难点和解决方案[1]。

3.1 层间无遮挡玻璃幕墙系统的精致连接设计

主楼玻璃幕墙本身属于常规玻璃幕墙系统，但其难点在于：（1）本系统位于大空间通高区域，无层间非透明幕墙；且主体结构为幕墙提供支撑的钢梁只有120 mm 高，无法对立柱连接构造进行遮挡，这就要求主楼玻璃幕墙系统的连接必须精致美观；（2）幕墙横梁与立柱连接件处于同一高度，转接件需避开横梁，故转接件只能通过立柱后端进行连接固定。

通过以上分析，立柱的连接方案设计如下：（1）立柱插芯采用不锈钢铸件，此铸件在立柱转接件位置开带螺纹的圆孔，并通过螺栓与铝合金立柱前端固定；（2）与主体钢横梁连接的转接件为带挂轴的钢铸件，焊接于主体钢横梁上；（3）与立柱插芯连接的转接件一端为直径Φ50 mm带螺纹的钢管，另一端为60 mm宽的挂钩。立柱连接设计见图3。

图3 立柱连接设计示意图

本系统立柱连接的安装顺序为：先将带挂轴的转接件一与主体钢横梁定位焊接，然后将不锈钢插芯通过螺栓与立柱固定，再将带螺纹的转接件二与钢插芯螺纹连接，并通过螺纹前后调节好位置，最后将带转接件的立柱挂接到转接件一上完成安装。此转接系统安装方便，外观轻巧精致，满足建筑对美观的要求。

3.2 大跨玻璃幕墙系统结构受力体系设计研究

本项目长廊玻璃幕墙系统为了减少构造层次，释放室内空间，将原主体结构设计的横向钢梁取消，由幕墙单位直接设计制作幕墙龙骨，这就造成幕墙龙骨的受力体系发生巨大变化。

3.2.1 结构受力体系设计

长廊玻璃幕墙区域，主体结构为幕墙提供的支撑条件只有间距18 m 的对柱，对柱间距为3.6 m，主体钢柱最顶端设有封边钢横梁。在此条件下，幕墙结构受力体系需变为横梁主受力，此钢梁跨度非常大为14.4 m（主体对柱之间的距离），主要承担风荷载。为满足钢横梁竖向变形的限值要求，幕墙立柱不能像常规幕墙立柱一样释放竖向约束，幕墙立柱必须为整个幕墙提供竖向支撑，需将幕墙自重通过立柱最终传递到主体结构顶部封边钢梁上。

3.2.2 封边梁刚度控制

由受力体系分析可知，长廊玻璃幕墙重量几乎全部传递到主体结构顶部封边梁上，这就要求主体顶部封边梁具有足够的刚度，否则会造成长廊幕墙最底部分格在安装完成后尺寸相差较大（相差尺寸为封边梁竖向变形量）[2]。安装过程中变形见图4。

图4 安装过程中变形示意图

经过与主体结构师反复沟通复核，最终将此钢梁的刚度控制条件提高到1/500，同时提醒施工单位最底部的玻璃需在上部玻璃安装完成后，进行现场实测，然后再下料、加工、安装。确保玻璃面板与横梁铝鼻子之间留有一定的间隙，避免使用过程中造成玻璃破损。

3.2.3 横梁与主体及横梁与立柱的连接处理

通过受力体系分析可知，长廊玻璃幕墙横梁及立柱的连接处受力都非常大，这就需要保证幕墙钢横梁与主体钢柱及幕墙钢横梁与幕墙立柱之间的连接既要安全可靠，又要兼顾建筑美观、简洁要求。

（1）钢横梁与主体的连接设计。幕墙在钢横梁与主体立柱连接位置主要受水平风荷载，故转接件采用40 mm厚钢板；横梁端头进行封口处理，并等强焊接两块25 mm 厚的耳板，上下与横梁表面平齐。两块25 mm 厚的耳板与40 mm 厚的转接件通过沉头螺栓固定。连接完成后，整体厚度与横梁相同，且所有连接均位于主体钢柱前端，外观非常干净、简洁。幕墙钢横梁与主体连接见图5。（2）钢横梁与幕墙立柱的连接设计。此连接的难点在于，既要美观不外漏连接构件，又要安全可靠，同时还要减少现场焊接方便施工。经过反复推敲研究，并进行有限元受力分析，各构件强度均满足受力要求[3]。此连接可以完全隐藏在外包的铝型材内部，不影响外观，同时封板的焊接均在工厂完成，焊接质量可靠，更为安全且现场安装非常方便快捷。

图5 幕墙钢横梁与主体连接示意图

3.3 大尺寸铝合金遮阳系统设计

本项目指廊遮阳系统的特点是：（1）遮阳杆件自身尺寸较大；（2）遮阳杆件到玻璃面板的距离较远；（3）如何实现外观简洁、美观，传力直接的受力体系。

本系统玻璃面板宽为3 m，考虑到建筑效果和受力的合理性，主体钢立柱每6 m 设置一道，供幕墙横梁和立柱连接。本系统特设计不锈钢铸造件从主体钢立柱上挑出，既支撑大遮阳杆件，又支撑幕墙立柱和横梁。幕墙横梁为主受力杆件，跨度为6 m，幕墙横梁中间位置的立柱前腔中设有不锈钢拉杆，并设有特殊不锈钢铸件将横梁重力荷载传递到拉杆上，从而解决幕墙横梁竖向变形问题。

小遮阳杆件通过竖向拉索固定在大装饰杆件上，大装饰杆件固定在由主结构钢柱上伸出的不锈钢支臂上[4]。不锈钢支臂前端设有两根竖向不锈钢吊杆，承担所有装饰的重力荷载，吊杆最顶端固定在由主体结构挑出的不锈钢大牛腿上，从而为遮阳系统提供竖向支撑。

3.4 平行四边形电动开启窗设计

由于采光顶电动开启窗尺寸较大，且为平行四边形，如何确保开启窗能正常开启，且不对幕墙龙骨产生较大的扭矩，是此系统的两个主要技术难点。

经过与多家电动开窗器厂家深入沟通，并经过反复受力分析，最终确定此开启窗开窗器采用大角度支撑形式(45°支撑角)。此种支撑形式既能提供较大的推拉力，又能缩小开窗器支架的偏心距离；同时在开窗器的头部安装进口的金鱼眼支架，使开窗器能适应一定的旋转角度（允许25°的偏差），确保开启窗能正常开启。大角度支撑形式设计见图6。

图6 大角度支撑形式设计

4 结论

以萧山国际机场三期项目航站楼幕墙工程为例，对大型机场项目幕墙工程中的重点、难点进行了详细分析，并给出了合理的解决方案，最终的建筑效果也得到了业主和建筑师的一致认可。与此同时，阐述的设计思路和解决方案对后续大型机场项目幕墙工程的设计具有较大的指导作用和参考价值。