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作者：武汉凌云建筑装饰工程有限公司 张朝正 摘 要：超高层建筑中，幕墙的施工设计方案必须充分考虑整体安全性，包括幕墙与主体结构连接、面板与幕墙龙骨间的连接、单元体内横竖龙骨的连接及横滑多功能插芯连接、装饰条的连接以及特殊部位或构造的安全性设计等。另外还需要考虑幕墙本身的抗位移能力，必须能吸收掉主体结构变形以及风荷载地震荷载等因素对幕墙造成的变形位移。而幕墙的另一个主要性能指标就是防排水性能，在方案设计中需设置完整的挡水隔层和通畅的排水路径，保证挡住大量的水，排出微量的水，形成严密可靠的幕墙防水线。 关键词：幕墙、单元式、超高层、安全 一、工程概况 上海船厂（浦东）区域2E5-1地块办公楼幕墙工程位于陆家嘴中心区域，东临即墨路，南接银城中路，西靠浦东南路，北靠黄浦江，包含了两栋超高层办公楼（T1、T2）及扩大层部分T3。该工程由上海瑞博置业有限公司开发，上海建筑设计研究院有限公司承担建筑设计，建筑设计顾问为美国KPF建筑师事务所，结构及幕墙顾问为Ove Arup & Partners Hong Kong Ltd.（奥雅纳）。 T1及T2塔楼分别高249.7米和237.7米，T3扩大层高度为43.5米，其中T1塔楼幕墙面积约为62204平方，T2塔楼幕墙面积约为55710平方，T3扩大层幕墙面积约为3384平方。外立面幕墙主要为单元式玻璃幕墙系统，还有顶部框架式玻璃幕墙系统、金属百叶幕墙系统、采光顶玻璃幕墙系统、大跨度钢架无立柱幕墙系统、干挂式石材系统、大悬挑无拉杆双层玻璃雨棚等。外立面整体效果简洁大方，线条规整，比例匀称。 首层大堂主入口部位照片 扩大层完成立面 二、幕墙施工设计中的重难点 本工程主要幕墙类型为单元式玻璃幕墙，基本层高4.2m，标准分隔宽度为1.5m，大面面材为 8mm(半钢化)+1.52PVB+6mm(半钢化)LOW-E+ 12A+8mm(钢化)玻璃。 标准层幕墙效果图 幕墙室内完成效果 下面就主要介绍在单元幕墙设计中，主要考虑的几个要素。 2.1 幕墙的结构安全性设计 由于幕墙结构设计的安全可靠性直接关系到人身和财产安全，幕墙结构的安全可靠设计也是选择一种安全与经济相对的最佳平衡。因此安全可靠性历来是幕墙结构设计必须首先面对和需要审慎解决的重大问题。 本工程幕墙结构设计应重点关注： （1）. 幕墙与主体结构连接设计 （2）. 面板与幕墙龙骨间的连接设计 （3）. 单元体内横竖龙骨的连接及横滑多功能插芯设计 （4）. 装饰条的连接设计 （5）. 特殊部位或构造的安全性设计 典型单元节点效果 下面对上述关系到幕墙结构安全性的主要问题进行详细说明： （1）. 幕墙与主体结构连接设计 应重视与主体结构连接节点的可靠性，以及连接部件（预埋件、螺栓、单元挂接系统、龙骨挂节点的局部强度等）的计算。 a、预埋件安全性设计：①由于本工程为超高层建筑，风荷载大，幕墙平面内传予埋件的侧向力不容忽视。因此本套方案中，槽型埋件均采用抗侧向位移的带齿型槽型埋件及与之配套的带齿T型螺栓组，如此幕墙可承受水平向外力且将侧向滑移的危险降到最低。如下图所示： 带齿型槽型埋件（抗侧向位移） 带齿型槽型埋件与螺栓配合图 ②在受力较大的位置采取特制的钢制平板埋件。如本方案中屋顶及裙楼大堂钢结构处，均经过计算采取合适的平板钢埋件；此外在塔楼屋顶风荷载较大区域，单元板块采取双支点的受力形式，在梁下增设的挂点处，由于受力较大（普通槽型埋件不满足受力要求），因此也专门设计为钢制平板埋件。 b、单元挂接系统安全性设计： 本方案单元挂接系统由铝合金挂钩，挂座组成，其中铝合金挂钩为可高度调节的组合式。本系统中铝合金挂钩，挂座均采用高强度的6061-T6材质。在进行转接件深化设计时严格依据力学分析结果，认真分析危险截面和重要连接螺栓组，保证挂接系统的设计安全合理。
（2）. 面板与幕墙龙骨间的连接设计 该工程设计过程中重视大面积隐框幕墙的硅酮结构胶的粘接可靠性，在保证玻璃与幕墙构件间硅酮结构胶的计算满足要求的同时，在玻璃面板的长边（竖向）设置有竖向明框扣板兼具玻璃压板作用，保证即使结构胶失效的情况下玻璃面板的固定仍然安全可靠。 在横向隐框玻璃下口设置有承重的铝合金玻璃托，避免结构胶受长期重力荷载，同时为防止铝合金玻璃托条在风荷载、地震等外力作用下脱落，本方案在铝合金玻璃托条与横龙骨间采取可靠的机械连接的方式。如下图所示：
（3）. 单元体内横竖龙骨的连接及横滑多功能插芯设计 由于本工程大面为单元板块，还需重视板块内部构件间连接的设计，如横向型材与竖向型材的连接、中竖、中横的连接等。单元体内框架间采用连接螺钉的直径不小于5mm,螺钉数量应经计算确定且每个连接点不少于3个，螺钉与型材的连接长度不小于40mm。 对于横滑式单元幕墙，风压等作用施加到幕墙表面上时，在单元板块的非固定端（单元板块的下端）也是通过下层单元板块横滑插芯将本单元所承受的部分风荷载传到下单元板块的固定端，再由下单元固定端传递到主体结构上。因而横滑插芯同时也起着承压的作用，横滑插芯的承压能力必须通过计算确定。 （4）. 装饰条的连接设计 本工程立面设计上，设置有从底到顶的竖向装饰条。装饰条总宽度230mm，挑出玻璃面210mm，外形较大而且由于楼层较高，所以装饰的风荷载及自重不容忽视。本方案在保证装饰条外观美观的前提下，采取大线条整体安装且线条右侧插入竖向压板的预制槽口（竖向压板已与主龙骨可靠连接），左侧再用不锈钢机制螺钉与竖向主龙骨连接，如此装饰条抗正面和侧面风压性能良好，可确保装饰条的连接安全性。
（5）. 特殊部位或构造的安全性设计 本工程存在转角一体式单元板块，且建筑外观上要求将此处拐角处竖料做中竖设计（拐角处竖料较小，且难于设置挂点）。这样此转角板块处阳角横龙骨悬挑出左右挂点近1m，单靠横梁间的连接无法承受玻璃自重。因此，本方案在此处采用斜拉杆设计，将阳角处横梁的重力荷载直接传予左右侧的挂点，并最终传至主体结构。 此外在此转角板块中，上下横的45°拼角处均用L形铝构件将2段横梁连接起来，其中上横的L形连接件兼具封堵横向集水槽的拼缝作用；尤其在中横的45°拼角处，中横内侧设置有铝合金套芯，该套芯既可靠连接中竖又直接连接拉杆传力。 如下图所示：
转角板块内视节点效果
现场施工完成照片 2.2 幕墙的抗位移变形能力设计 本工程为超高层建筑，主体结构变形是固有特性，从考虑主体结构位移对幕墙的影响角度出发，可将建筑位移分为以下三种类型： 恒载下主体的竖向变形、结构边梁及悬挑板的变形、使用过程中外部作用力下的变形，实际情况下，三种情况相互影响，变形复杂。 为吸收建筑变形，将幕墙设计成能够适应变形的柔性体系与构造。 幕墙系统附着在楼板结构上，设计成柔性体系，按单元式系统设计。幕墙板块中玻璃面板采用明框型材固定，板块本身具有较强的刚性，当建筑发生变形时，幕墙板块间可通过伸缩缝吸收掉各自区域内左右或者上下的变位，保证幕墙的性能不受到影响。 1） 幕墙单元板块间均设计了可伸缩的构造分格缝，左右分格缝最大可吸收±10mm的伸缩变形，上下可吸收±25mm伸缩变形。
幕墙系统变形能力示意图 2）幕墙板块运动位移分析
系统局部三维图 a. 风荷载作用下幕墙板块运动位移分析 根据招标技术说明书中提供的结构位移可知，塔楼在风荷载作用下的最大平面内位移角为：X向为1/1261，Y向为1/878 对于本方案中单元幕墙，在T2顶部板块层较高为4500mm。在风荷载作用下，单元板块水平向最大相对位移：dx= 4500/1261=3.57mm； 竖直向最大相对位移dy=4500/878=5.13mm。 b. 地震作用下幕墙单元板块运动位移分析 根据招标技术说明书中提供的结构位移可知，塔楼在地震荷载作用下的最大平面内位移角为：X向为1/786，Y向为1/678。 对于本方案中单元幕墙，在T2顶部板块层较高为4500mm。在地震荷载作用下，单元板块的水平向最大相对位移：dx= 4500/786=5.72mm； 竖直向最大相对位移dy= 4500/678=6.64mm。 综上可知，幕墙板块在风荷载和地震作用下，板块的平面内最大位移分别为： Dx，max=5.72 mm，Dy，max =6.64 mm 可得知：Dx，max<左右板块间竖缝10mm；Dy，max<上下板块间横缝25mm 此外本工程单元板块采取横滑单元式，板块自身已是刚性体，且板块之间插接的构造缝使得板块上下左右之间均可随主体发生整体移动（玻璃面板随之一起移动），因此即使在建筑位移达到层间位移限值3倍时仍能满足要求。 综上，本系统在风荷载和地震作用下，单元幕墙板块适应变形能力满足设计要求。 3.） 地震作用下框架幕墙对水平层间位移的吸收 根据招标技术说明书中提供的结构位移可知，塔楼在地震荷载作用下的最大水平层间位移角为1/786。因幕墙按照主体层间位移角限制的3倍为控制指标，所以框架处最大层间水平位移按照3/786计算。 楼顶部玻璃最大玻璃面板高度为3500mm，故此处最大水平位移量为 Fx=(3500/786)x3=13.35mm<14mm(如下图所示，此处玻璃与竖向龙骨的间隙按照14mm进行设计)
综上，本方案中单元和框架幕墙适应主体结构变形的能力均满足要求。 2.3 幕墙系统的防排水设计 本项目为超高层临江建筑，单元系统的防水性设计是幕墙设计的重点。 幕墙防水是幕墙系统设计的关键之一，也是幕墙功能性要求中最基本和最重要的。单元幕墙的水密性设计原理是将幕墙的水密线和气密线分离处理。即通过单元幕墙的插接构造及挡水胶条的设置使单元板块的插接部位形成多个与室外环境连通的等压腔，从而使少量进入型腔内的雨水可以顺利的排出室外，保证幕墙靠近室内侧的气密线部位没有水的存在，实现幕墙的优良水密性能。本方案的水密性设计包括阻挡大量水进入的防水设计和将进入型腔的少量水排出的排水设计。 3.1.挡水设计 本方案最外侧采用胶条挡水，挡水胶条是幕墙的第一道密封结构，为尘密线兼具挡水功能,能披挡灰尘及大量的雨水进入等压腔。除此道防尘密封线外，还依次设置有3道密封线。挡水胶条设计时能保证其在正常使用状态下具有一定的压缩量，从而可以保证幕墙板块在温度等外力作用下发生变位时，挡水胶条仍具有一定的密封能力。 3.2.等压腔的设计（幕墙的插接型腔内存在两个等压腔，如下图）
⑴ 在横向挡水胶条上开排水孔，使等压腔Ⅰ与室外环境形成等压。 ⑵ 在上横框的第一道插接片上开设排水孔，使等压腔Ⅱ与等压腔Ⅰ形成等压。由于横、竖框的等压腔Ⅱ与等压腔Ⅰ是对应连通的，所以保证横、竖框的等压腔Ⅱ与等压腔Ⅰ均与环境形成等压。 3.3. 单元幕墙排水路线设计 ⑴第一道挡水胶条可挡住大量雨水进入等压腔内。 ⑵少量穿越第一道密封线的雨水的导和排 室外的雨水可以通过两种途径穿越第一道密封线,即横框的挡水胶条搭接处和竖框的挡水胶条搭接处。 通过横框的挡水胶条搭接处进入等压腔Ⅰ的雨水也会在重力作用下通过挡水胶条上的排水孔直接排出，还会有极少量雨水进入等压腔Ⅱ，然后通过上横框的第一道插接片上开设排水孔排到下层单元的等压腔Ⅰ中，直至最后排出室外。 通过竖框的挡水胶条搭接处进入等压腔Ⅰ的水，一部分可以直接落到下单元上横框的披水胶条上，随横框等压腔Ⅰ中的雨水一起排出。还会有少量雨水会在风压及毛细作用下渗漏进等压腔Ⅱ，落到上横的集水槽内，然后通过上横框的第一道插接片上开设排水孔排到下排出室外。 ⑶ 竖向密封线略前置于横向密封线的设计： 单元横框的外壁①面与竖框内壁②面在同一平面上，在单元板块安装时不会与上横框的插接刺发生干涉，保证了竖向插接的完整性；同时，上横框插接片上的胶条可直接压在竖框内壁②面上，从而形成了一个连续的密封面，保证了单元内横向插接密封的完整性；同时，在十字接缝位置采用填充等方法，使左右两单元的横向插接密封相连续，保证了横向插接密封在整个幕墙范围内的完整性。 在十字接缝位置，单元竖框插接片起到了披水作用，保证竖框等压腔Ⅰ上的雨水直接落入横框等压腔Ⅰ上而不至于落入横框等压腔Ⅱ（干区），提高单元整体防水能力。
三维排水路径图 3.4. 单元幕墙封口设计 单元式幕墙通过对插完成接缝，这样在上、下、左、右四个单元连接点上必然有一个四个单元对插件均不能到达的地方，此处必然有一个内外贯穿的缝隙，如何堵好这个缝隙是单元式幕墙设计中必须解决好的关键问题。本方案中解决方式为在单元上框母槽内设置横滑插芯堵住四个板块相接部位的洞，防止雨水通过内外贯穿的缝隙直接进入室内。同时横滑插芯能收集竖向落水到横框等压腔Ⅱ中直至排出。 3.5. 在避难层框架与单元交接等特殊位置，设置通长的单元起步上横型材，保证单元上口的水顺利排出，不进入框架系统。 三、总结 上海船厂（浦东）区域2E5-1地块办公楼幕墙工程是一个典型的超高层项目，对幕墙的安全性能、抗位移变形性能、防水性能均有高于一般项目的要求，也是我们在幕墙设计中需要重点解决的内容。本幕墙设计方案在保证了幕墙的性能的前提下，完美的实现了建筑外观效果，达到了建筑幕墙力与美，功能与美观相结合的要求。
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