幾種異型幕墻 的構造設計

    幕墻作為建筑的外衣，既需要保證結構維護、保溫隔熱、遮風避雨的功能，同時也成為表達建筑師創(chuàng)意的重要載體，體現(xiàn)城市規(guī)劃設計的風景線。而幕墻的功能性和裝飾性這兩大要求正隨著技術的進步和建筑設計概念的日新月異不斷地產(chǎn)生著矛盾。建筑設計中外立面的多種異型幕墻就讓幕墻設計師不得不煞費苦心。比較典型的就是建筑立面水平方向的非常規(guī)角度、立面垂直方向的非常規(guī)角度、曲面甚至雙曲面等等造型。本文中，筆者將根據(jù)自己的設計經(jīng)驗對以上幾種異型幕墻的構造設計進行剖析，并給出供參考的解決方案。

    圖1為一個建筑的局部效果圖，該建筑幕墻采用單元式構造。圖中立面尖銳的轉(zhuǎn)角為45°。由于幕墻板塊和主體結構間必須留有一定的結構連接空間，如果采用常規(guī)90°轉(zhuǎn)角的板塊組合設計（圖2）就會使得立柱型材寬度非常大，經(jīng)過圖紙放樣，寬度達到500mm以上。該寬度在當前鋁合金型材擠壓設備條件下很難達到，并且如此大的寬度將給轉(zhuǎn)接件的設計和施工帶來巨大困難。

    對于該轉(zhuǎn)角過小的情況，筆者嘗試了另一種方案(圖3)。設計一個轉(zhuǎn)角立柱將相鄰的板塊組合成一個“>”型板塊。

    方案說明：考慮到橫梁和立柱靠自攻螺釘連接，該組合板塊的45°角轉(zhuǎn)角立柱由圖中1和2兩根立柱拼合而成，以保證拼裝預留空間；考慮到尖角過小，設計了圖中7所示的小蓋板，避免玻璃棱角暴露在外，容易損壞；圖中6為中空玻璃，室外容易透過玻璃看到2的表面，因此對2的表面需做噴涂等表面處理，以保證室外視覺效果。

    方案優(yōu)點：解決了轉(zhuǎn)角過小帶來的施工和加工困難。

    方案缺點：由于板塊為“>”型，運輸和吊裝將會比普通板塊困難。

    無論角度如何，水平方向轉(zhuǎn)角都是建筑不可避免的，但是立面豎直方向上的立面角度就是純?yōu)轶w現(xiàn)外觀造型的設計了。圖4為一個國外已完工幕墻工程的立面造型。該造型酷似參差不齊的魚鱗，為單元式構造。該單元構造的思路是以樓板作為分界線，將分界線上和分界線下的“魚鱗”分別作為兩個單元板塊，這樣就存在了陰角和陽角兩種單元板塊。圖5為樓板中間的上下板塊縱剖節(jié)點。由于板塊交角為鈍角，即橫梁截面和立柱交角尚不尖銳，且需保證上下橫梁水槽接近水平放置以確保不會積水，所以考慮橫梁仍使用常見的單元式做法。

    對于該角度的處理，使用了圖5中3（鋁合金副框）來作調(diào)整，該副框可以看做橫梁的延伸部分，且由于構造簡單，開模方便，并且使得陰角和陽角的主橫梁可以通用，僅需通副框來體現(xiàn)外觀效果，也節(jié)省了成本。

    方案說明：該方案需注意三點，①該方案僅適用于鈍角或不是十分尖銳的角度；②由于副框跟梁有拼縫，所以該處的防水需注意，可加防水板或注膠；③橫梁靠近室內(nèi)的尾部需超出立柱一段距離，此處會在室內(nèi)出現(xiàn)一個接口縫隙，為了不影響室內(nèi)美觀，所以需配合采用圖5中6（鋁合金蓋板）來封口。

    方案優(yōu)點：解決了立面豎直方向角度的問題，簡化了材料，成本較低。

    方案缺點：分段構造，施工較繁瑣，拼縫較多，需注意細節(jié)。

    曲面和雙曲面因其形式多變，造型豐富，近幾年來也被建筑師非常熱衷地使用。國內(nèi)外的單曲及雙曲面幕墻成功的案例不勝枚舉。這一方面取決于現(xiàn)代建筑的造型求新求變，另一方面取決于各種三維設計軟件，曲面建模軟件在幕墻設計中的推廣，再者就是各種加工器械對異形板材加工能力的提升，以及施工中定位和安裝技術的大大提高。圖6為2010上海世博會阿聯(lián)酋館的效果圖，該項目屋面和外墻融為一體，為雙曲面造型，材料為進口不銹鋼蜂窩板。建筑師的想法是體現(xiàn)阿聯(lián)酋國的地貌特征—沙丘。對于此類項目，利用軟件建模的重要性就顯而易見了，加工圖和后期施工定位都將依賴于模型的準確度和精細度。

    圖7為該項目屋面和玻璃幕墻整體定位模型。從該模型上可以看出幕墻設計思路。由于雙曲面板材加工有難度，且如此多且復雜的面板如果都做雙曲面，費用極其昂貴，因此考慮用三角形面板擬合，邊長控制在1m左右。在建模過程中，需將三角形面板拼縫中心線作為定位線，得出控制點。該控制點也作為現(xiàn)場施工放線參照點。

    在控制點周圍最多將有6個板塊交匯，由于要求精度高，為確�，F(xiàn)場施工誤差在可控制范圍內(nèi)，該交匯處面板的可調(diào)節(jié)設計是項目的關鍵點。圖8為該交匯處使用的圓形托盤實體模型圖。該托盤采用鋁合金圓形底盤和鋁合金擠出滑槽組成，上部為螺栓組和橡膠墊塊。螺栓組的螺母為特制圓蓋形，上開內(nèi)六角槽。安裝時可先將螺栓反裝卡進鋁合金滑槽內(nèi)，面板連接碼對孔后靠螺栓在滑槽內(nèi)滑動以調(diào)整角度，后用內(nèi)六角螺絲刀擰緊。

    對于大面積雙曲面造型，采用平板擬合的方法很容易滿足外觀效果，且便于操作，設計、施工和加工精度也可保證，節(jié)省了成本，是目前幕墻設計中主要考慮的做法。

    用平面擬合的方法出來的雙曲面實際上可稱為“假雙曲面”，或者說擬合度不夠精細。在面積較小的造型中采用，往往會比原建筑效果失真很多，甚至會破壞建筑設計的亮點，很難滿足建筑師的要求。但是真正的雙曲面造型在工業(yè)設計，日常用品，汽車制造中已不足為奇。原因就在于這些行業(yè)中的模具復雜多變，可以用擠壓，拉伸，沖壓，澆注等多種方法來實現(xiàn)雙曲造型。同樣，在建筑室外裝飾中，為達到建筑效果，同樣可以采用類似方法。圖9為某裝飾造型實體效果圖。該造型為兩組相互對稱并獨立的柱形結構，高度從20m到9m不等。從效果圖看出每根都是一個扭曲向上的造型。寬度只有1.6m，該設計方案如采用平板來擬合將會破壞流線型的效果，并且扭曲角度也不大，故選擇了直接采用立面分格為雙曲面板的方案。

    由于蜂窩鋁板兩側鋁板較薄，便于開模沖壓，在成型后加六角孔狀夾層，面板彎曲強度較大，撓度可以控制在很小的范圍，故選擇蜂窩鋁板作為飾面板，每塊面板高度1.1m。圖10為單片蜂窩鋁板的模型圖。從圖中可以看出，雖然整個造型呈扭曲的走向，但是每塊面板實際扭曲程度并不大，沿中心扭轉(zhuǎn)的角度為5°。該角度對于模具的要求不高。另外需要考慮的是內(nèi)部結構的做法。結構跟面板的配合是施工是否順利的關鍵。對于內(nèi)部結構，采用了主次立柱加橫梁連接的鋼龍骨設計。該龍骨也需精準建模，如圖11所示，內(nèi)部龍骨采用了跟隨外觀變化的扭曲設計，以確保結構跟面板的配合間隙。



    圖12為橫剖節(jié)點圖，無論在施工圖設計過程中，還是模型建立過程中，需要找準控制截面，并標出截面中心線。該中心線作為鋼結構和面板加工控制線，也作為施工現(xiàn)場定位和檢查的依據(jù)。

    以上僅對幾種典型的異形幕墻或外裝飾造型進行了方案性分析，篇幅有限，對每個項目詳細數(shù)據(jù)不便提供。希望能給幕墻設計施工者提供參考，并歡迎探討、指正。
    
    文/胡蓓