東夷文化博物館幕墻設(shè)計(jì)探討

劉 凱

（山東天元裝飾工程有限公司，山東　臨沂　276002）

摘 要：通過(guò)東夷文化博物館幕墻工程，論述了玻璃幕墻、采光頂在工藝、結(jié)構(gòu)、節(jié)能方面的設(shè)計(jì)。并對(duì)幕墻設(shè)計(jì)與施工中跨度過(guò)大、土建控制點(diǎn)的校準(zhǔn)等難點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析闡述。

關(guān)鍵詞：玻璃幕墻；采光頂；工藝；結(jié)構(gòu)；節(jié)能；3D3S；MQMC

結(jié)構(gòu)安全與節(jié)能設(shè)計(jì)是幕墻工程的核心，有效科學(xué)的計(jì)算與設(shè)計(jì)是保證幕墻工程質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)，對(duì)于異形工程和非常規(guī)幕墻尤為重要，現(xiàn)就對(duì)此類工程進(jìn)行研究與探討，對(duì)關(guān)鍵環(huán)節(jié)和技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行分析。

1 工程概況

臨沂東夷文化博物館位于國(guó)家級(jí)臨沂經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)西北部皇山腳下，山環(huán)水抱，風(fēng)景優(yōu)美，是目前國(guó)內(nèi)首家以東夷文化為主題的國(guó)有博物館，座落在國(guó)家AAAA級(jí)旅游景區(qū)——東夷文化園內(nèi)。臨沂東夷文化博物館內(nèi)設(shè)八大展廳和兩大影院，讓史前時(shí)代的東夷文明以文物陳列的方式得到了更好的呈現(xiàn)。

東夷文化博物館總建筑面積為14 966 m2，地下1層，地上2層，主體建筑標(biāo)高為21.55 m。主體結(jié)構(gòu)形式采用鋼筋混凝土框架－剪力墻結(jié)構(gòu)體系。該次幕墻的設(shè)計(jì)范圍主要是構(gòu)件式玻璃幕墻系統(tǒng)、玻璃采光頂、鋁合金隔熱窗。下面從幾個(gè)方面對(duì)幕墻工程進(jìn)行設(shè)計(jì)討論和研究。

2 幕墻設(shè)計(jì)

作為公共建筑，通透性、亮度高是其基本要求。為了充分體現(xiàn)該工程建筑風(fēng)格，經(jīng)與設(shè)計(jì)單位協(xié)商確認(rèn)后，幕墻設(shè)計(jì)盡量采用大分格，立面設(shè)計(jì)整齊劃一，簡(jiǎn)潔有序，突出整體美感。幕墻系統(tǒng)采用成熟可靠的工藝，保證結(jié)構(gòu)安全的同時(shí)，滿足外立面效果，構(gòu)件規(guī)格嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)規(guī)范要求采用。

2.1 工 藝

入口位置幕墻，采用豎明橫隱玻璃幕墻形式，跨度達(dá)到12 m，立柱采用250 mm×100 mm×8 mm的鋼管，橫梁采用100 mm×60 mm ×4 mm的鋼管，玻璃采用6＋12（A）＋6＋1.52＋6Low－E中空鋼化玻璃，幕墻橫向分格高度2.4 m，明框采用100 mm寬裝飾扣蓋。整體造型簡(jiǎn)潔，大氣，通透效果較好，入口與幕墻均為鋼結(jié)構(gòu)焊接，渾然一體。完成后效果后如圖1所示。

圖1 入口效果圖

為突出整體造型的曲線美，東夷文化博物館采用了大量的采光頂，因該建筑呈螺旋型，給采光頂?shù)姆啪€施工帶來(lái)難度，為此，工程放線施工，均通過(guò)Rhinoceros犀牛軟件對(duì)采光頂控制點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)定位，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)坐標(biāo)點(diǎn)位置和模型復(fù)核無(wú)誤后，放線施工。采光頂共包括中心采光頂、鏡面玻璃采光頂以及兩個(gè)弧形采光頂。玻璃采用8鋼化＋12（A）＋8半鋼化＋1.52SGP＋8半鋼化超白Low－E中空夾膠玻璃，在滿足外觀的同時(shí)保證安全。弧形采光頂不除提供采光功能外，同時(shí)擔(dān)當(dāng)排水作用，因此采光頂?shù)拿芊夥浪兊糜葹橹匾?，為滿足這一需求，采光頂邊緣采用鋁板打膠的方式，確保不漏水。節(jié)點(diǎn)和整體效果如圖2、圖3所示。

圖2 節(jié)點(diǎn)大樣

圖3 效果圖

幕墻的結(jié)構(gòu)安全是幕墻設(shè)計(jì)中最重要，最不能忽視的部分，漂亮的造型必須建立在幕墻安全的前提之下，對(duì)結(jié)構(gòu)的安全計(jì)算必須有著嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度，對(duì)其中的每一個(gè)環(huán)節(jié)都必須把握好。該工程入口玻璃幕墻整體傾斜75°，此時(shí)不能采用全隱框玻璃幕墻，全隱框玻璃結(jié)構(gòu)膠難以保證玻璃不會(huì)脫落，因此，采用豎明橫隱利用壓塊將玻璃板塊安全固定，同時(shí)玻璃采用中空夾膠的安全玻璃［1］。立柱和橫梁框架采用鋼結(jié)構(gòu)焊接的方式，用3D3S軟件整體建模完成，驗(yàn)算結(jié)果證明鋼結(jié)構(gòu)框架完全能保證玻璃幕墻對(duì)撓度和強(qiáng)度的要求［2］。立柱通過(guò)有效的后錨安全固定在主體結(jié)構(gòu)上，從而保證整個(gè)幕墻結(jié)構(gòu)的安全與穩(wěn)定。鋼結(jié)構(gòu)模型和節(jié)點(diǎn)大樣如圖4、圖5所示。

圖4 鋼結(jié)構(gòu)模型

采光頂玻璃采用8鋼化＋12（A）＋8半鋼化＋1.52SGP＋8半鋼化超白Low－E中空夾膠玻璃，頂部中空，底部夾膠，保證即便玻璃破裂，由于夾膠的關(guān)系玻璃不會(huì)整體掉落砸傷人［3］。鋼框架由3D3S建模計(jì)算完成，鋼結(jié)構(gòu)撓度與強(qiáng)度均滿足規(guī)范［2］要求。3D3S模型如圖6所示。

圖5 節(jié)點(diǎn)大樣

幕墻和采光頂雖然表現(xiàn)的方位和形式不同，所受荷載也有所區(qū)別，但其傳力形式是一致的，風(fēng)荷載，地震荷載，自重等［4］首先通過(guò)面板傳遞給橫梁，橫梁通過(guò)連接的焊縫或者螺栓穩(wěn)定傳遞給立柱或主梁，最終通過(guò)埋件和錨栓傳遞給主體。在這個(gè)傳力過(guò)程中，要保證每一個(gè)傳力環(huán)節(jié)都是安全可靠的。所以，結(jié)構(gòu)安全的保證需要整體和節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度和撓度達(dá)到規(guī)范［2］要求。在建模過(guò)程中，如何實(shí)現(xiàn)模型與實(shí)際受力達(dá)到一致，保證建模的準(zhǔn)確性，也是值得探究的問(wèn)題。

圖6 中心采光頂、鏡面玻璃采光頂、弧形采光頂模型

2.2 幕墻與采光頂關(guān)鍵點(diǎn)、難點(diǎn)分析

東夷博物館的玻璃幕墻存在需要解決的難點(diǎn)：跨度過(guò)大且存在傾角，采用吊掛受力形式根部反力過(guò)大后錨固困難，土建結(jié)構(gòu)梁難以承受。為了解決這一問(wèn)題，主要采取以下措施，鋼立柱由受拉結(jié)構(gòu)改為受壓結(jié)構(gòu)，將鋼龍骨與玻璃面板的自重荷載傳遞至地梁，為保證做成受壓構(gòu)件，經(jīng)放線后先將鋼龍骨立柱與地梁的錨板可靠焊接，頂部與混凝土梁采用螺栓形式連接，為防止豎向剪力傳遞至頂梁，槽鋼連接件與鋼立柱均開豎向長(zhǎng)圓孔，以此大大緩解頂部混凝土梁的受力，借助錨栓對(duì)根部做可靠的連接與錨固。洞口兩側(cè)鋼立柱除了與梁頂梁底連接外，還與混凝土剪力墻多點(diǎn)連接，將力均勻分布，給予更多的安全儲(chǔ)備。幕墻的鋼橫梁采用100 mm×60 mm×4 mm鋼方管，與鋼立柱滿焊連接，風(fēng)荷載通過(guò)面板傳遞到橫梁后，再經(jīng)鋼立柱和錨板最終傳遞到土建結(jié)構(gòu)，鋼橫梁作為傳力構(gòu)件采用此規(guī)格完全滿足受力要求。鋼立柱采用大截面鋼方管（250 mm×100 mm× 8 mm），除了滿足結(jié)構(gòu)受力安全外，還需滿足長(zhǎng)細(xì)比不大于150 mm，保證鋼龍骨不失穩(wěn)。

除玻璃幕墻外，東夷文化博物館采光頂施工面臨更多問(wèn)題。首先雖然通過(guò)犀牛模型能夠提取控制點(diǎn)坐標(biāo)，由于土建施工與圖紙存在較大誤差，外裝飾施工時(shí)模型的參考意義被大大消減，因此現(xiàn)場(chǎng)利用全站儀對(duì)土建控制點(diǎn)重新進(jìn)行了復(fù)核和校準(zhǔn)，確定了相互之間的幾何關(guān)系，才能對(duì)采光頂定位點(diǎn)進(jìn)行確認(rèn)。其次由于采光頂整體螺旋型布置，板塊不均勻分割，分割尺寸都不相同，導(dǎo)致工作量多而復(fù)雜?，F(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，對(duì)加工好的板塊進(jìn)行了標(biāo)號(hào)，保證了施工的順利進(jìn)行。此外，由于采光頂要起到采光和排水的作用，面板采用了超白Low－E中空夾膠玻璃，降低自爆率，提高穩(wěn)定性。為了保證防水，除了保證施工質(zhì)量，打膠不留死角，還要通過(guò)合理的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行防水，之前已經(jīng)闡述。

2.3 幕墻的節(jié)能設(shè)計(jì)與計(jì)算

自2005年推出《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50189—2005）［5］，幕墻的節(jié)能設(shè)計(jì)正式成為幕墻設(shè)計(jì)中不可或缺的一部分。尤其隨著國(guó)家提出節(jié)能降耗的要求以來(lái)，幕墻的節(jié)能設(shè)計(jì)顯得尤其重要。在幕墻工程大步前進(jìn)的背景下，幕墻合理科學(xué)的節(jié)能設(shè)計(jì)可以每年節(jié)省大量的能耗。這是幕墻工程設(shè)計(jì)改造優(yōu)化過(guò)程中必須要遵循的原則，也是不可阻擋的趨勢(shì)。該工程為滿足節(jié)能設(shè)計(jì)要求，主要采取了以下措施：采用帶隔熱條的隔熱型材；面板采用中空夾膠Low－E玻璃，降低了傳熱系數(shù)；節(jié)點(diǎn)控制保證密封膠打膠合理。為得到科學(xué)計(jì)算結(jié)果，該工程使用粵建科MQMC軟件，對(duì)玻璃幕墻版塊傳熱性能進(jìn)行了計(jì)算［6］，結(jié)果如表1所示。

表1 中空鋼化玻璃傳熱性能

厚度／mm可見光透射比可見光反射比（前／后）太陽(yáng)直接透射比太陽(yáng)反射比（前／后）太陽(yáng)能總透射比半球發(fā)射率（前／后）冬季傳熱系數(shù)夏季傳熱系數(shù)遮陽(yáng)系數(shù)310.3660.014／0.3760.1670.042／0.3040.2510.840／0.8401.5421.5990.289

通過(guò)表1可知，6＋12（A）＋6＋1.52SGP＋6Low－E中空鋼化玻璃傳熱系數(shù)為1.54，遮陽(yáng)系數(shù)為0.289，是完全滿足規(guī)范［5］要求的。幕墻的玻璃選擇是節(jié)能設(shè)計(jì)的核心，如果玻璃的選擇無(wú)法達(dá)到節(jié)能設(shè)計(jì)要求，節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)再成功也是無(wú)濟(jì)于事的，通常情況下，為滿足節(jié)能設(shè)計(jì)要求，玻璃通常以中空玻璃加鍍Low－ E膜的形式，Low－E膜是在玻璃表面鍍上一層氧化錫或者銀膜，這種膜對(duì)可見光有很高的通透性，對(duì)紅外線有很高的輻射率，由此達(dá)到良好的隔熱效果。幕墻良好的節(jié)能效果，不僅對(duì)玻璃有較高的節(jié)能要求，對(duì)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)同樣如此。該工程利用MQMC軟件對(duì)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)進(jìn)行熱工分析，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 節(jié)點(diǎn)熱工計(jì)算結(jié)果

節(jié)點(diǎn)傳熱系數(shù)線傳熱系數(shù)／（W／（m·K－1））框的太陽(yáng)光總透射比溫差／℃誤差率框T10溫度／℃面板邊緣T10溫度／℃橫剖2.560.187 70.03360.387713.8（不結(jié)露）9.4（不結(jié)露）豎剖1.120.1940.025360.42510.4（不結(jié)露）9.4（不結(jié)露）

根據(jù)表2可知，玻璃幕墻的橫剖與豎剖節(jié)點(diǎn)圖均控制在較小值，橫剖節(jié)點(diǎn)傳熱系數(shù)為2.56 W／（m2·K），豎剖節(jié)點(diǎn)傳熱系數(shù)為1.12 W／（m2·K），根據(jù)《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50189—2005）［5］對(duì)該工程熱工性能進(jìn)行判斷。

通過(guò)主要城市所處氣候分區(qū)，可知臨沂位于寒冷地區(qū)。

由東夷文化博物館建筑設(shè)計(jì)說(shuō)明可知，該工程體形系數(shù)為0.18，各朝向窗墻比分別為南：0.35，北：0.02，東：0.02，西：0.03，根據(jù)建筑體形系數(shù)以及各朝向窗墻比和寒冷地區(qū)圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)和遮陽(yáng)系數(shù)限值可知傳熱系數(shù)需小于2.7 W／（m2·K），遮陽(yáng)系數(shù)需小于0.7，該工程幕墻傳熱系數(shù)與遮陽(yáng)系數(shù)均滿足寒冷地區(qū)節(jié)能設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié) 語(yǔ)

東夷文化博物館作為體現(xiàn)東夷文化的載體，其幕墻方案經(jīng)過(guò)了多方反復(fù)的修改才最終確定，其復(fù)雜旋轉(zhuǎn)的造型給設(shè)計(jì)施工帶了不小的難度，最終經(jīng)過(guò)合理的設(shè)計(jì)和準(zhǔn)確的現(xiàn)場(chǎng)放線施工，得以順利完成，其效果達(dá)到最初預(yù)期。

參考文獻(xiàn)：

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［5］ GB 50189—2005，公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［6］ JGJ／T 151—2008，建筑門窗玻璃幕墻熱工計(jì)算規(guī)程［S］.

Discussion on design of curtain wall of Dongyi culture museum

Liu Kai
（Shandong Tianyuan Decoration Engineering Co.，ltd，Linyi 276002，Shandong）

Abstract：Through the curtain wall project of Dongyi culture museum，the process，structure and energy saving designs were given for the glass curtain wall and the day-lighting roof.The difficulties and the key technologies etc.in design and construction of the curtain wall such as too large span and civil engineering control points were analyzed and described.

Key words：glass curtain wall；day-lighting roof；technology；structure；energy conservation；3D3S；MQMC

中圖分類號(hào)：TU 227

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1673－8993（2016）01－0044－04

doi：10.13402／j.gcjs.2016.01.009

收稿日期：2015－10－28

作者簡(jiǎn)介：劉 凱（1988－），男，助理工程師。