【BCW】北京市电力科技馆幕墙的超大玻璃板块和镂空石板设计

0 前言

随着我国玻璃制造工艺的不断改进，建筑师对建筑外立面通透性的要求不断提高，超大尺寸玻璃板块已经在幕墙工程中得到了大量应用。对于超大玻璃板块，目前尚无明确的定义。常规的玻璃尺寸宽度不超过2.4m，高度不超过4.5m。换句话说，玻璃尺寸超过以上尺寸的可视为超大玻璃板块。本文以“北京市电力科技馆”幕墙专项设计为例，对超大玻璃板块幕墙的板块计算、连接构造设计进行分析阐述，以供此类幕墙设计工程参考。

幕墙作为建筑的外围护结构，对整个建筑语言具有最直观的展示作用，建筑师往往通过外幕墙即“外皮”来展示建筑或现代或古典的特质。石材这种材料，因为具有天然、厚重的质感，因此被大量应用于建筑外立面。近年来建筑师已不满足于常规平板石材的效果，开始采用镂空的石材面板来形成外皮的不规则肌理。本文结合“北京市电力科技馆”，对镂空石材的设计办法、计算过程进行阐述，以供此类幕墙设计工程参考。

1 工程概述

北京市电力科技馆由国网北京市电力公司出资兴建，项目地位于北京市菜市口大街东侧，集办公、会议和展览功能于一体。建筑主体由清华大学建筑设计院、全国工程勘察设计大师庄惟敏主持设计。清华大学建筑设计院对外幕墙进行了方案原创，外幕墙的分格尺寸、连接方式和构造形式均需要进一步分析和深化。该项目建筑层数：地上12层，地下5层，建筑总高度59.7m，建筑面积为4.8万平方米，幕墙面积共计2.3万平方米。地上部分主楼1~6层为电力科技馆展厅，7~12层为电力客服中心营业、办公、管理用房。项目主要幕墙系统有：1）超大玻璃板块幕墙；2）外挂镂空石材幕墙；3）隐框玻璃幕墙；4）标准石材幕墙（图1）。本文主要针对超大玻璃板块幕墙和镂空石材幕墙的设计过程进行阐述。

图1 北京电力科技馆幕墙

2 超大玻璃板块幕墙系统设计

2.1 幕墙系统选择

该幕墙是本工程一个重点和难点系统。幕墙系统的特点是：玻璃板块超宽、超高，一块玻璃面板跨越2个建筑层间。最大玻璃板块尺寸高11m，宽3.1m。按照《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ102-2003 第5.6.1条的规定：“隐框玻璃幕墙的硅酮结构胶粘结厚度不应大于12mm”。对于全隐框玻璃幕墙结构胶须满足抗震变形要求，结构胶厚度按如下公式计算：

全隐框玻璃幕墙系统仅从结构胶的构造要求出发，玻璃面板的最大高度是：

基于以上理论分析，为使立面效果通透大气，减少玻璃横、竖向龙骨对幕墙通透性的影响，对于类似本工程玻璃面板高度大于6.18米的超大玻璃板块的幕墙系统不应采用全隐框的幕墙构造，可采用明框幕墙、全玻幕墙或者点式幕墙系统。

本工程结合建筑特点，最终确定采用夹板点式玻璃幕墙构造系统，并将玻璃夹板隐藏，使外立面更加通透、简洁、大气（图2,3）。

图2 超大板块玻璃幕墙三维视图

图3 超大板块玻璃幕墙局部效果图

2.2 玻璃板块计算及构造设计

本工程最大玻璃面板宽度3.1m，高度11m，选定的面板材料为：12+2.28pvb+12mm双钢化双超白夹胶玻璃。玻璃采用不锈钢夹板与竖向钢龙骨固定，夹板间距约为1.8m，面板自重由夹板间的钢销轴承担（图4,5）。

图4 玻璃幕墙构造节点图

图5 玻璃夹具连接示意图

玻璃板块的受力模型为多点支撑结构（图6），计算玻璃强度和挠度时无现成的计算公式可以套用，因此须采用有限元软件进行分析计算。此类玻璃面板应力最大点出现在夹板支座区域（图7，8），在节点设计时需特别关注此位置的柔性连接，钢销轴与玻璃孔壁需采用尼龙垫或耐候硬质橡胶套，且玻璃支撑孔边与板边的距离不宜小于70mm。值得一提的是，由于超大玻璃板块受力较大、计算模型复杂，在工程设计时设计人员必须对板块在各种受力工况下进行有限元模拟计算，建议留出相对较大的安全储备并优先选用超白全钢化夹胶玻璃，在工程造价的允许下可选用SGP胶片。

图6 玻璃板块计算模型

图7 玻璃板块应力云图

图8 玻璃板块变形云图

对于超大玻璃板块的施工安装，制定合理可行的施工方案也非常关键。施工单位应定制专用吊篮、玻璃吸盘，并充分考虑当地气候条件，避免在起吊安装阶段，风流对板块的影响，以免玻璃板块在起吊时扭转或吸盘失效引起玻璃破碎，造成损失（图9）。

图9 现场玻璃破损照片

3 镂空石材幕墙系统设计

3.1 幕墙系统选择

在石材幕墙设计中，面板主要采用通槽式、托板式、背栓式3种连接形式，幕墙设计师要根据不同的石材幕墙镂空图案择优选择石材的连接方式。但是不管采用哪种挂接系统，在立柱参与受力的石材幕墙系统中均需保证幕墙立柱在竖向贯通。

北京电力科技馆的镂空石材幕墙是该项目另外一个重点和难点系统。主楼大面积采用镂空形式的石材外围护幕墙，原建筑方案的镂空图案排版较为随意，图案分布极不规则，有局部孔洞跨越了竖向立柱，造成钢立柱外露，影响外立面效果。因此为了保证外立面效果不被石材的竖向立柱影响，幕墙设计时须对原有镂空图案进行一定的微调（图10）。

同时，为了尽可能保证原有镂空图案排版的无序性和建筑设计意图，须对幕墙横龙骨进行优化设计。采用“L”形托板与背栓相结合的连接构造，竖向龙骨贯通，横向龙骨分段的方式，这样可以充分保证镂空图案的无序性排版，避免大量的横龙骨与孔洞相交的情况，满足结构安全的同时也节约了成本，最终实现更合理、更美观的幕墙外立面效果（图11，12）。

图10 镂空洞口位置调整前、后对比示意图

图11 镂空石材幕墙三维视图

图12 镂空石材幕墙局部效果图

3.2 石材板块计算及构造设计

本工程镂空石材最大分格宽度1.042m，高度1.055m，选定的面板材料为：55mm厚洞石。面板受力模型为6点支撑结构（图13），计算面板强度时无现成的计算公式可以套用，并且不规则的开孔排版很难直观判断哪一块镂空石材受力最不利，因此须针对不同的开孔形式采用有限元计算软件对石材强度进行分析，如图14所示。

图13 镂空石材面板计算模型

图14 镂空石材面板应力云图

另外，为了体现镂空石材幕墙的沉稳和厚重感，建筑师要求石材洞口侧壁和背面包裹石材，使整个幕墙从斜向视角看，给人的观感是“200mm或者更厚的石材砖”的感觉。要满足这种观感效果，在镂空石材的洞口侧壁采用石材不仅工艺复杂也不易保证施工质量。原因有以下两点：1）洞口尺寸太小，石材挂件没有安装空间，石材安装极易破损；2）侧壁小石材与内、外侧石材之间留出的2道密封胶，影响外视效果。因此，幕墙设计时镂空石材幕墙洞口侧壁和内侧采用了仿石材辊涂铝板（或仿石材热转印铝板），不仅可实现同等的建筑效果，而且减轻了幕墙自重。同时背面铝板和洞口侧壁铝板可整体加工成一个盒体，安装质量高，建筑效果良好（图15~17）。

图15 仿石材铝单板样

图16 镂空石材幕墙1:1现场样板照片

图17 镂空石材幕墙内侧实景照片

由于石材面板开孔会造成石材强度很大的折减，因此镂空石材面板往往较厚，石材幕墙系统自重较大。幕墙设计人员在进行此类工程设计时须详细计算幕墙系统的自重，提供给主体结构工程师复核土建结构。在幕墙系统构造设计中，幕墙立柱、横框、转接件、连接螺栓等均需进行强度、变形复核。本项目石材根据计算采用8mm厚“L”形不锈钢挂件，并且在面板背衬玻璃纤维网。幕墙构造节点如图18所示。

图18 镂空石材幕墙构造节点图

4 结语

通过本工程幕墙设计，可以得出超大玻璃板块和镂空石材幕墙工程，在设计时需要注意以下两点：

（1）确定幕墙构造形式：在满足规范的前提下，根据建筑效果合理确定幕墙的构造形式。构造形式应同时考虑现场施工安装的可行性和便易性。

（2）详细计算面板厚度和连接系统各个部件的受力，设计时不能留薄弱点：由于超大玻璃板块和镂空石材的面板受力较大且复杂，设计师须根据最不利荷载工况利用有限元计算软件对板块厚度进行精确的分析计算，并预留一定的安全储备。玻璃面板建议选择超白夹胶玻璃，在造价可接受的前提下首选SGP胶片；石材面板建议选择质地较密的花岗石，面板的连接系统应安全可靠。

总的来说，超大玻璃板块和镂空石材幕墙不同于常规尺寸的玻璃幕墙和石材幕墙工程，幕墙设计应综合考虑安全、美观、经济、加工、安装等各方面因素，做到精细设计、精确分析，才能得到优秀的幕墙工程设计成果，保证工程顺利实施及安全使用。

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