雙曲面幕牆設計難點問題及優化策略研究

王雲飛
中山中瑞建築裝飾工程有限公司
摘要：本文主要對雙曲面幕牆設計難點問題及優化策略進行分析與探討，以供同仁參考。
關鍵詞：雙曲面幕牆；設計難點；優化策略
一、前言
近年來，隨著我國城市化進程的不斷推進，建築業也得到了飛速的發展，各種複雜形式的幕牆在建築中的應用越來越廣泛，雙曲面就是其中應用較為廣泛的一種。雙曲面幕牆工程規模大，施工技術要求高，幕牆的設計製作、施工安裝的難度大。基於此，本文主要對雙曲面幕牆設計難點問題及優化策略進行分析與探討，以供同仁參考。
二、雙曲面幕牆設計的方法
（1）設計預控法。採用此種方法設計雙曲面時，應該對結構變形進行分析，從而計算出變形量，得出設計雙曲面玻璃幕牆與屋面板的尺寸和變形位移量。
（2）施工預調法。採用此種方法設計雙曲面時，在正式施工前施工人員需要進行電子模擬施工分析以及計算施工變形，在施工的過程中跟蹤監測鋼結構以及幕牆安裝，並且需要及時地反饋變形偏差值，合理地對結構和幕牆施工進行調控，最大限度地減少並消除施工變形偏差。
（3）幕牆安裝微調法。採用此種方法設計雙曲面時，需要對結構加工安裝產生的小量偏差變形，利用幕牆節點進行吸收消化。
（4）施工終結吻合法。採用此種方法設計雙曲面時，施工放線需要在建築屋頂鋼結構施工完成並卸載後再進行，儘可能地減少卸載對幕牆施工放線精確度的影響。
三、雙曲面幕牆設計技術難點問題
用雙曲面幕牆空間有著比較大的弧度，具有不對等寬度的特點，給人以視覺上較大的衝擊力。但是，在增添建築外觀美觀性的同時，給施工也增加了難度，這就需要設計人員在設計時具有較高的技術水平，從而實現雙曲面幕牆設計的美觀性與實用性。
像我們在進行斜面曲面幕牆設計時，由於該種形式幕牆不適宜採用弔掛單元形式幕牆的做法，因為其大部分板塊的大小不具有規律性，單元板塊種類過多且帶有角度，收口節點處理過於複雜，同時會使加工周期變長。當無法以常規單元板塊的形式設計時，可以選擇以三角形分格方式的框架式幕牆設計，並且幕牆系統需考慮面板與龍骨之間的柔性連接，避免室內室外存在溫差時產生的噪音。
另外，曲面幕牆往往不是單曲面，很多時候由雙曲面構成，分格劃分應以三角形優先，儘量減少含有矩形的板塊，因為矩形的玻璃板塊與相鄰板塊會出現四點不是共面的情況，面板有一個角相對於邊鄰板塊會翹起，分格縫之間的交接難以達到順滑過度，會出現魚鱗形狀式的接縫，影響外觀和防水性能的同時也給施工帶來不少的難度，工期也極難保證。
例如某大夏裙樓為雙曲面玻璃幕牆，原始方案的本意是設計成菱形的玻璃板塊，通過三維軟體模擬建模後發現轉折處的玻璃翹點太高，同時板塊也不利於加工，玻璃面板安裝時會凸出鋼龍骨表面，基於以上的情況，設計時在菱形分格的中間處增加了一道豎向分格，變成三角形的玻璃板塊，這樣做的好處就是使玻璃在弧形轉接的位置可以順利過渡，避免強迫安裝，施工放線安裝方便，對於鋼結構的受力來說則是力的傳遞方式更為清晰，在原來菱形沒有增加一道豎向龍骨的時候，鋼架構件之間呈一個網狀的關係：構件相互受力之間的傳遞方式比較複雜，主次龍骨不明顯。經模擬計算，計算模型上有局部位置應力偏大，最大值到達297Mpa，需採用Q345B鋼材，強度設計值方能能滿足設計要求。同時分析了單層網殼的撓度和穩定性，雖然均符合規範設計要求。然而，考慮到雙曲面鋼結構節點焊接為現場焊接，每個節點連接需要達到剛性連接，對焊接要求非常高，因此在不影響外觀效果的情況下，在層間位置加一道橫向梁，豎向杆件支撐於橫向樑上：受力體系由原來的單層網殼薄膜內力→支座改變為斜向杆件→豎向杆件→橫向梁→支座，修改之後的體系力的傳遞路徑清晰、簡單，斜向杆件與豎向杆件採用3級焊縫，杆件受力均勻，撓度、穩定性均能滿足設計要求。鋼架按照整體建模，弧形鋼架近似圓形（橢圓形鋼架，邊界層分離產生渦街效應小於圓形，所以計算採用體型係數為-1.7，按H/D=1時最不利荷載取值）採用MIDASGEN8.0進行模擬計算，沿主體梁方向加橫向橫樑時，鋼材採用Q235材質。
根據建築結構荷載規範GB50009-2012，給出計算圍護結構風荷載計算公式計算出風荷載與地震荷載組合標準值，建模並導入荷載。
計算的荷載組合按（1.2自重+1.0×1.4風荷載+0.7×1.4施工荷載）。
荷載組合作用下結構最大應力為160.0Mpa<215Mpa，風荷載標準值作用下，結構最大撓度均滿足計算要求。
幕牆設計方案確定後，為了驗證方案的防水性能及安裝工藝，特意選取了定位壓框與點式兩種幕牆形式在加工廠試樣作為對比。由於玻璃板塊較小，若採用點式幕牆的形式顯得太過密集反而會影響建築效果，因此最終的方案確定為定
距壓塊固定的框架式幕牆。對於幕牆的三角玻璃形板塊可設計成組框方式，在加工廠一次性加工完成，現場只需要嵌入固定在鋼構支架中部通過機械連接固定即可，邊部採用密封膠條與密封膠封堵，由於鋼管是圓管，三角形的鋁合金副框組角時還要考慮與圓管相關線處的交接銑口。安裝時副框需與鋼管用密封膠封堵，
一方面可以隱藏副框銑口外露的鋁白色，另一方面可以加強幕牆的氣密性能。
四、雙曲面幕牆設計技術難點問題的優化策略
在進行雙曲面幕牆工程設計時，要掌握設計技術難點，要注重曲面幕牆龍骨及轉接件的設計。幕牆龍骨是幕牆的重要支撐體系，應採用鋼龍骨，較之鋁合金龍骨有良好的可彎曲性能，還有其方便的焊接連接性能，易起到結構連接作用，增加結構的整體性，提高建築的牢固性。
另外，設計人員在設計中應藉助BIM軟體，優化曲線龍骨的形狀，使幕牆設計的曲面造型與實現情況相符。掌握設計技術難點，首先要選擇具有針對性的模型來進行計算，避免在計算中使材料性能與安裝過程時產生較大的誤差。對計算模型進行有效的分析，降低調整力與變形間的差異；其次，控制預埋件誤差。設計人員要結合曲面造型的的具體情況，提高預埋件的定位精確度。最後，用3D軟體二次建模優化曲面幕牆龍骨網形態。為了提高建築外觀的美觀性，設計中要保證構件達到規定的彎曲效果，這樣在安裝雙曲面幕牆施工時，可以按照設計要求與步驟進行安裝，為提高施工質量提供有力的保障。
另外，對雙曲面幕牆結構形式與材料設計進行優化。玻璃幕牆項目採用雙曲面玻璃形式較為複雜。建築物的中間部位，設置曲面鋼結構組成由尺寸不同、規格不一樣的支撐體系，空間上形成雙曲面體型。設計採用專用的3D軟體建模，準確的確定了曲面的位置及結構空間參數設置，保證所完成施工圖紙設計及工藝精確程度。為了達到建築設計所要得到的立面效果，設計中發明使用了新型節點處理方法來解決這一系列的技術難題，採用角度可自由調節的合頁式龍骨底座來支撐雙曲面玻璃幕牆，以適應雙面幕牆、多個雙曲面相交的交界處夾角的變化，在平面幕牆與曲面幕牆交接位置，即鋼鋁龍骨交接位置，要增加不小於10mm厚的熱鍍鋅鋼板插芯連接，同時注意兩材料間增加防腐措施。考慮雙曲熱彎玻璃不能鋼化，雙曲部位選用雙夾膠中空熱彎玻璃和夾膠熱彎玻璃，連接也採用了不鏽鋼夾板、壓板，多途徑的保證安全、穩定和可靠。
五、結語
總之，雙曲面幕牆設計和施工由於其具有較高的優越性，在建築外觀應用中越來越廣泛，增強建築結構穩定性的同時，還具有一定的觀賞價值。設計和施工人員技術水平應不斷提升，從而促進了建築行業的發展，為提高建築性能與質量而提供有力的保障。
參考文獻
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