关于一种抛物线切面玻璃单元式幕墙设计解析

李 莉

随着建筑行业的飞速发展，建筑造型设计越来越体现多元化和多样化。特别是在大型公共建筑、商业建筑之中，异形斜面及切面应用案例更是不胜枚举。

本文结合武汉保利时代K18 地块办公塔楼圆柱斜切面玻璃设计施工过程对斜切面的设计要点进行分析，以期对后续其他相似工程提供参考。

1 背景与概况

本项目幕墙系统设计从建筑外观效果、功能和自然条件等因素出发，在热工性能、安全性能、声学性能、光学性能上充分考虑了其建筑的特点和要求，利用不同的幕墙技术、方法、工艺、材料创造优越的建筑外围护功能。满足建筑的安全、健康、舒适各项要求，合理提高建筑的热舒适度、光舒适度、声舒适度，创造良好的建筑室内外视觉感受。

武汉保利时代K18 地块办公塔楼单元式幕墙工程项目组成概况：第1，主体结构形式：框架核心筒结构；建筑高度：办公塔楼171 m；建筑抗震设防烈度：六度；建筑地面粗糙度类型：C 类；建筑物耐火等级：一级；本项目基本风压：0.35 kN/m2；基本雪压：0.5 kN/m2。年温度变化为80 ℃。第2，建筑概况：本项目办公塔楼为5A级办公楼，共34层，最大标高171 m，标准层层高4200 mm，避难层层高5400 mm。商业楼为商业用途，塔楼共7 层，一层层高6 m，其他楼层层高5.4 m，局部有负一层（最大层高5.7m），裙楼建筑高度39.1 m。

2 建筑幕墙物理性能

2.1 抗风压性能

具体施工时严格按照《建筑幕墙》（GB/T 21086—2007）[1]第5.1.1 条 的规定，本工程风荷载标准值为1.708，因此本工程幕墙的风压变形性能分级应为2 级。建筑幕墙的抗风压性能分级标准如表1 所示。

表1 建筑幕墙抗风压性能分级表

2.2 水密性能

按照《建筑幕墙》（GB/T 21086—2007）第5.1.2 条的规定，建筑幕墙水密性能的分级标准如表2 所示。

表2 建筑幕墙水密性能分级

按照《建筑幕墙》（GB/T 21086—2007）第5.1.2 条的规定，水密性能指标计算如下：

由《建筑气候区划标准》（GB 50178—1993）[2]知，本工程为非热带风暴和台风多发地区，经按规范要求计算得，P＝595Pa 按照规定P小于700 时按照700 取值，所以本建筑的幕墙雨水渗透性能分级应为2 级。

2.3 气密性能

建筑幕墙的气密性能按照《建筑幕墙》（GB/T 21086—2007）的第5.1.3条的规定，以在标准状态下，压力差为10 Pa的空气渗透量q为分级依据，建筑幕墙开启部分气密性能分级标准以及整体气密性能分级，如表3 所示。《建筑幕墙》（GB/T 21086—2007）第5.1.3 条规定如表4 所示，规定了建筑幕墙气密性能设计指标的一般性规定。

表3 建筑幕墙开启部分气密性能分级标准以及整体气密性能分级

本建筑所在地属于其他地区，幕墙的气密性能要求应达到3 级。符合上表的一般要求，符合《公关建筑节能设计标准》(GB 50189—2015)[3]、《民用建筑热工设计规范》（GB 50176）[4]、《采暖居住建筑节能检验标准》(JGJ/T 132—2001)[5]、《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准（校正版）》（JGJ 26—2010）以及《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》（JGJ 134—2010）的有关规定，满足这些标准的节能要求。

2.4 平面内变形性能

建筑幕墙平面内变形性能，抗震设计时，应按主体结构弹性层间位移角限值的3 倍进行设计；非抗震设计时，应按主体结构弹性层间位移角限值进行设计。主体结构楼层最大弹性层间位移角如表5 所示。按照《建筑幕墙》（GB/T 21086—2007）第5.1.6条的规定，建筑幕墙的平面内变形性能分级标准如表6 所示。

表5 主体结构楼层最大弹性层间位移角

表6 建筑幕墙平面内变形性能分级

本建筑为框架-核心筒结构，并采用抗震设计，平面内变形性能分级指标值应不小于3 级，本工程建筑幕墙的层间位移角为1/246。本建筑幕墙的平面内变形性能，幕墙分级为2 级。

3 斜切面系统介绍

本项目塔楼转角圆柱面斜切隐框钢框架单元式玻璃幕墙（本系统为塔楼部分的重难点之一）位置：办公楼27 层～办公楼屋顶层西北角和东南角，1 层～6 层东南角。面材：玻璃面材为TP8 mm+12A mm+TP6 mm 钢化中空LOW-E 玻璃，系统构造特点：采用隐框钢框架龙骨单元式幕墙结构体系。

3.1 斜切面制作阶段分析

由于上下切面抛物线型材分析切面主要存在的区别在于两者为上下对称的关系，由BIM 配合对幕墙切面交接的抛物线，按实际情况对幕墙型材扭转的角度对幕墙典型的下切面进行了实际分析。

将幕墙抛物线型材定位轨迹线按照建筑层高分为5 段，从下至上依次编号。分析抛物线曲率半径区间：在每一段线上取1000 个测量等分点，测量抛物线曲线在每个点处的曲率半径，得出每个分段线的曲率半径区间。角度分析：截取每段抛物曲线的中点，测得抛物曲面与平面在该点处的夹角及最大处拱高值，表7 为抛物角度变化及曲率半径分析。由表7 可知，抛物曲线的曲率半径从下到上呈递减趋势，可见抛物曲线越往上越弯曲。由上述分析的结果，对切面影响较大的型材和玻璃2 种材料进行加工制作分析。

表7 抛物角度变化及曲率半径分析

3.2 铝型材加工分析

经过与铝型材拉弯加工厂家沟通，铝型材存在的问题：第1，铝型材如果存在2 个方向的扭转弯弧无法加工；第2，一般单曲铝型材拉弯靠模最多允许弧段为3 段，超过允许弧段无法拉弯；第3，铝型材拉弯长度最大不宜超过4.5 m 以上，超过拉弯长度弯弧半径无法保证精度；第4，竖向受力铝型材拉弯存在铝型材能否时效的问题，铝型材时效后硬度大无法拉弯成型，不做时效的话对于铝型材的强度存在无法保证。

经实际三维模拟下切面1～5 号型材，其中将5 型材进一步分析型材半径及拱高（图1 所示为5 型材半径及拱高）。5 号型材分为3 段后的半径各不一样，拱高只能控制在50 mm 的范围内，这样的型材按照单曲弯弧也无法作为一根型材加工制作。对于这个范围内的型材安装的误差更加不好控制。尤其是单元的双型材安装配合困难，无法在精度上很好把控，型材与型材间隙是难点，如间隙会较大。

图1 5 型材半径及拱高（来源：作者自绘）

3.3 玻璃面材加工分析

玻璃厂家提供的玻璃制作工艺的技术要求为：第1，弯弧玻璃加工要求最小边尺寸需达到500 mm 以上，才能满足玻璃弯弧滚轮最小弯弧尺寸要求，小于500 mm 将无法弯弧。玻璃弧长部分不宜超过2 m，超过弧长要求的玻璃无法弯弧，勉强弯弧对于弯弧半径的误差也无法保证要求。第2，玻璃钢化要求，玻璃最小边尺寸需达到20 mm 以上才能满足玻璃钢化对尺寸的最低要求，所以三角形玻璃尖角将不会是尖角。三角形玻璃最小边尺寸需达到150 mm 以上，才可制作，小于150 mm 将无法制作。

根据以上玻璃厂家提供的加工工艺要求，需要将圆柱面斜切玻璃面材做一定规整。对玻璃提取3 块典型性玻璃进行分析：第1，1 号弯弧玻璃（图2a，1 号玻璃展平图），图中玻璃为展平图纸，按玻璃加工厂家反馈的意见可以加工。第2，2 号弯弧玻璃（图2b，2 号玻璃展平图），图中玻璃为展平图纸，按玻璃加工厂家反馈的意见无法加工。主要是最小边尺寸不满足弯弧要求，需和其它玻璃合并制作。第3，3 号弯弧玻璃为异形三角形玻璃（图3a，3 号玻璃展平图），下图玻璃为展平图纸，按玻璃加工厂家反馈的意见无法加工。主要原因为三角形无法满足弯弧要求，需和其他玻璃合并制作。将1 号和3 号玻璃合并（图3b，1 号与3 号玻璃合并展平图），新的问题是该块玻璃弯弧边长度超过了2 m，这样的尺寸也是无法制作的。3 号玻璃尖角部分需按钢化最小要求减尖角。

图2 玻璃展平图：1 号与2 号(来源：作者自绘)

图3 玻璃展平图：1 号与3 号（来源：作者自绘）

3.4 型材与面材分析结论

为了能够满足业主及建筑师对外观及单元系统的构造的要求，做了如下处理：第1，玻璃方面，对立面中的玻璃做了优化调整，能够合并的做了合并处理。不能够合并的又不满足玻璃厂家批量加工要求的，由业主协调玻璃厂家给出承诺按做玻璃工艺品的工艺来做斜面部分无法正常制作的玻璃。无法做弯弧的玻璃，就做折线处理等。第2，型材方面，单元一般采用的型材多为铝型材，但是本工程切面与弧面交接的部分横向型材存在错位的关系，抛物线又有扭转。因此，抛物线交接的部位采用了钢框架的连接方式，横竖向龙骨均采用钢龙骨外包不锈钢板的形式，在能够满足结构安全构造需求的同时，即保证了业主要求的外观上与型材外观大小一致，又做到了建筑顾问及幕墙顾问要求的必须采用单元式的安装方案。针对上述的方案措施对立面的钢板块区域进行了划分,下切面钢板块平面区域划分如图4 所示。

图4 下切面钢板块平面区域划分（来源：作者自绘）

3.5 板块加工制作

切面板块制作安装分解：钢框架的焊接及防锈处理—安装抛物线处调平转接件及防锈处理—安装钢框架前端型材—包覆不锈钢板及不锈钢表面处理—玻璃面板安装及打胶密封。这样的流程保证了钢板块的顺利完成制作。由于圆柱面斜切交接部位情况较复杂，所有上下圆柱面斜切钢板块均采用犀牛软件（Rhino）建模完成对设计方案的模拟，建模过程中发现设计方案矛盾的位置能够及时有效的修改，虽然前期投入较多的精力来修改模型调整方案，但这为后期加工制作能从模型中提取实际数据来对应加工提供了方便及良好的技术支持。

板块主要结构形式，左右与正常板块交接的部位采用扁钢管龙骨的规格为30 mm×120mm ×4mm，中间变化部位的龙骨为保证外观的尺寸及满足计算要求采用了120 mm×80 mm×4 mm，抛物线位置采用了圆管Ø70 mm×5 mm 来适应抛物线的扭转过程。

斜切面重难点部位为塔楼圆柱面下斜切部位，为大跨度区间，1～3F 无主体结构需采用大钢立柱与切面板块交接的连接形式。为使最终切面板块安装准确，切面处作为主要受力构件，6 根扁钢柱成为了放线的重点部位，现场放线对该6 根扁钢柱按理论数据与实际结构的关系核对误差尽量减小到无误，确保切面板块的顺利安装，本系统最终通过了认证发明专利。

3.6 经验总结

异形项目初始，首件试制的重要性。单元式钢板块主要的制作难度在钢管的焊接误差上。为了保证焊接质量，找了多个钢结构制作厂家进行多次比选的试制，才确定最终实施方案。

BIM 技术的应用。BIM 配合从建筑造型的意图及对建筑原始模型的特征分析，得到了相应的逻辑关系；再到施工图阶段中配合各阶段的方案合理性及可实施性的研究，提供了有效可靠的数据支持。钢架加工制作方面，通过BIM 模型图来精准确定连接长度及扭转的方向，加工厂家通过BIM 模型来放样制作，确保了切面钢板块按时顺利的完成。

现场施工阶段BIM 配合对斜切面抛物线部分提供相应的分格定位点及坐标系数的提取，为现场安装提供了有效的数据支持。BIM 技术的应用对整个切面系统来说起到了重要的作用。

4 结语

现在工程已经竣工使用几年，本系统能经受住时间和风雨的考验是各专业间上下一心协力的成果，是团队智慧的结晶。整个工程的设计施工过程是一次难得的经验和知识积累的过程，总结过去是为了更好砥砺前行。经过这个工程项目的锻炼，大家一定可以胜任更多有难度的工程。