幕墻結構體系總結及分析

一、引言

四十年代末,，在一些發(fā)達國家,，由于興建高層建筑的需要和塔式起重機的出現(xiàn)，在減輕圍護墻體方面取得了巨大發(fā)展,。開始以無數(shù)高度工業(yè)化的模數(shù)化的輕金屬,，玻璃預制單元鑲嵌或懸掛在框架結構外，作為圍護墻體,，由于它大片連續(xù),，不承受荷載，質輕如幕,，故稱幕墻?，F(xiàn)在，幕墻已經成為現(xiàn)代建筑的象征,，為眾多建筑所廣泛采用,。幕墻作為建筑的重要部分，其結構設計尤為關鍵,。因為它幾乎含概了幕墻設計的所有內容,。優(yōu)秀的結構形式將對幕墻及建筑主體的裝飾性,、功能性和經濟性產生至關重要的影響。這也是業(yè)主與承建商共同關心的問題,。本文參照我司現(xiàn)有的部分產品，對投標過程中如何根據(jù)業(yè)主的需要選擇基本結構提出了一些建議,。

二,、產品概論及設計原則

產品概論

遠大公司自成立以來，經過不斷的開發(fā)研制,，幕墻產品已經系列化,、多元化。從簡單經濟的框架幕墻到高性能單元幕墻以及當代國際上最先進的雙層幕墻,，都在實際工程中有過廣泛的應用,。研究所開發(fā)的幾種幕墻其結構都有獨到之處，其結構成熟,，性能優(yōu)越,，均能達到很高的性能指標。此外,，各公司技術部發(fā)出多種結構形式,，也有很高的技術含量。

按不同的分類方法幕墻可分為下幾種

1．   按裝飾材料可分為玻璃幕墻,、金屬幕墻,、石材幕墻、駁接幕墻,。

2．   按裝飾形式可分為明框幕墻,、半隱幕墻和全隱幕墻。

3．   按安裝形式可分為框架幕墻（包括小單元幕墻）,、半單元幕墻和單元幕墻,。

4．   按裝飾規(guī)格及工程成本可分為經濟幕墻、普通幕墻,、高性能幕墻及雙層動態(tài)幕墻,。

設計原則

按有關規(guī)范，建筑幕墻采用以概率理論為基礎的極限狀態(tài)設計方法,，用分項系數(shù)的設計表達式進行計算,。其結構設計的標準是在正常荷載作用下不產生損壞，在這種情況下,，幕墻處于彈性狀態(tài),。其中玻璃的安全度K=2.5；鋁板的安全度K=2.0,，花崗巖的安全度K=3.0,，鋁材的安全度K=1.8,。

幕墻應按圍護結構進行設計。幕墻的主要構件應懸掛在主體結構上,，幕墻在進行結構設計計算時,，不應考慮分擔主體結構所承受的荷載和作用，只應考慮承受施加于其上的荷載與作用,。幕墻及其連接件應具有足夠的承載力,、剛度和相對與主體結構的位移能力。非震區(qū)幕墻,，在風力的作用下,，應保證正常的幕墻使用功能。有抗震設計要求的幕墻,，應做到小震不壞,、中震可修、大震不倒,。幕墻構件的設計,，在重力荷載、設計風荷載,、設防烈度地震作用,、溫度作用和主體結構變形影響下，應具有安全性,。

好的結構設計應滿足下列要求

s  ·理解業(yè)主的要求,、尊重建筑師的思路和意見、滿足外裝飾的藝術性和協(xié)調性,。

s  ·考慮結構的可行性及合理性

s  ·滿足幕墻安全性和功能性要求

s  ·保證較好的內視效果

s  ·保證開啟的功能性和裝飾性

s  ·滿足材料的強度,、剛度要求

s  ·滿足幕墻各種使用功能的要求

s  ·考慮各種不同材料交界的處理方式

s  ·考慮材料開模和加工的可能性和工藝性（橫梁大于1.2m，壁厚不小于3mm,、螺釘連接部分截面厚度大于螺釘公稱直徑）

s  ·在尊重設計師的思路和滿足裝飾效果的前提下,，充分融合自己的特點，使外裝飾設計更加完善

作為幕墻工程投標的關鍵環(huán)節(jié),，

設計準則：根據(jù)業(yè)主的修養(yǎng)和所能提供的資金狀況,，在建筑幕墻的藝術性、功能性,、安全性及經濟性之間尋求一種平衡,，即以最優(yōu)的分格形式和結構，保證建筑的裝飾完美,、功能完善,，和最大限度的成本降低。

三,、框架幕墻的結構選型

構成原理：框架式幕墻是用一根根元件（豎框,、橫框）安裝在樓板或主梁上,，再相互連接豎框、橫框,，形成框格體系,，再將板塊（玻璃、鋁板,、石材）鑲嵌在框格上,，形成幕墻，對以豎向受力為主的框格,，首先將豎框固定在建筑物每層樓板（梁）上，再將橫框通過角片固定在豎框上,，對以橫向受力為主的框格,，則先安裝橫框，豎框固定在橫梁上,，以形成幕墻框格體系,，再安裝面板。

框架式幕墻的優(yōu)點：

s  各元件加工簡單,，操作方便,。

s  可以保證幕墻良好的使用功能，空氣滲透性能,、雨水滲漏性能,、風壓變形性能均可達國標規(guī)定的要求。

s  運輸方便,，且運費低,。

s  現(xiàn)場貯存材料方便。

框架式幕墻的缺點：

現(xiàn)場工作量大,，安裝周期長,。

現(xiàn)場施工質量管理和施工組織要求較高

圖1

（一）   隱框幕墻

隱框幕墻是我司在實際工程中應用較早，也是應用最多的結構,。比較有代表性的如90年代初期的哈爾濱森融大廈,、沈陽北站綜合樓、西單國際大廈等,，其中鋁板的處理方式上北站,、西單的結構比較接近，北站結構中鋁板帶勾邊,，而西單為結構防水,，由于結構上的不足，這兩種結構已很少采用,。相對而言森融結構堪稱經典之作,。筆者認為并非僅僅那些錯綜復雜,、晦澀難懂的才稱為好結構。簡潔,、實用,、而功能強大的一樣是優(yōu)秀作品。直到現(xiàn)在遠大公司的全隱幕墻工程基本上還是以森融結構為基礎（小單元除外）,。雖然結構在不斷改進,，但核心未變，精髓還在,。

經過多種結構的比較,，以下三種結構可在向業(yè)主推薦時予以考慮。即浮動式,、上掛式和全掛式三種,。其中，浮動式即森融結構,，上掛式為浮動式的變型,，而全掛式即“小單元”幕墻。

浮動式

浮動式定位安裝隱框幕墻在工程中大量應用,，該結構是我公司在國外技術基礎上,，結合我國自然環(huán)境研制而成，并被列入建設部標準圖集《鋁合金玻璃幕墻》（標準號97SJ103）,。做為一種成熟結構在哈爾濱森融大廈,、天津郵政網(wǎng)管大廈等建筑中廣泛應用。

圖2

此系統(tǒng)的主要技術特點如下：

s  

采用定位安裝,、定距壓緊式結構,，橫豎框上的定位槽口有效控制了板塊的壓緊力。保證飾面板塊安裝位置精度,，同時保證幕墻表面平整度,，避免了由于壓緊力不均而造成的安裝應力，可有效阻止玻璃影像畸變和鋁板“起包”現(xiàn)象,，也避免了玻璃的自爆,。

s  板塊采用浮動式連接結構，在溫度應力等作用下壓板-附框間允許相對位移,，板塊能夠自由伸縮,，平面內變位吸收能力強，抗震能力強,。

s  

圖3

密封性能可靠,，采用雙道環(huán)形密封，外層為厚度大于3.5mm的耐候硅酮密封膠，內層為三元乙丙膠條,，接頭處用專用膠粘接,，可有效地保證氣密和水密性能。（均可達到一級）

s  橫梁與豎梁的連接采用可伸縮結構,，滿足了橫梁因溫差作用而產生的伸縮變形要求,，消除了幕墻的伸縮噪音，提高了系統(tǒng)的抗變位能力,。

s  所有硬性接觸處,，均采用彈性連接，提高了幕墻的抗震性能,，消除了伸縮噪聲,，吸收聲波，同時由于密封性能的提高,，保證了帷幕的隔音效果,。

s  固定板塊的壓板采用螺釘、螺母加彈簧墊圈緊固,，螺母下到型材槽內?？朔俗怨メ斶B接強度不夠,、易松動等問題。連接牢固,，安全可靠,，可調性好。

s  安裝可操作性強,，可先裝豎框,， 后裝橫框。這樣既可以提高框架安裝精度和速度,，又能解決先裝橫框成品保護困難問題,。

s  玻璃板塊下方設置托板，

s  不同金屬的接觸面都使用尼龍墊片以防止電化腐蝕

s  幕墻和主體之間采用螺栓連接實現(xiàn)三維調整,，既保證幕墻的平面度和垂直度,，又提高結構抗震性能。(耐熱的環(huán)氧樹脂或尼龍12墊片)

s  通用性好,，僅通過附框的變型既可實現(xiàn)中空玻璃,、單玻璃、鋁板等多種板材的裝飾形式,。

圖4

s  為降低成本,，鋁板橫框可作成H型或T型框，特殊部位也可用幾字條或僅用角片連接。（圖4）

s  如室內須氟碳噴涂,，附框應做成分體式,。（圖5）

s  橫框做成方腔，即可做成彎弧幕墻（圖6）

圖5  

圖6

上掛式

圖7

浮動式幕墻也存在一些不足,，比較關鍵的一點是浮動式幕墻采用坐裝式,，板塊的穩(wěn)定性相對要差一些，而且由于自重產生彎曲應力,，使板塊容易變形,。雖然板塊周圍定距壓緊的壓板使彎曲應力有所抵消，但長時間的重力荷載顯然會幕墻的平整度產生不利影響,。為此,，我司對浮動式結構加以改進，將橫向附框和橫框該為上掛式,，有效的解決了這以問題,。近年來，我司的許多工程如青島光大銀行,、北京710所等均采用此結構,，效果較好。

該幕墻系統(tǒng)除具有浮動式幕墻的一般特點外,，還因其采用上掛式安裝結構,，周邊浮動式壓板連接固定，使板塊處于懸掛受拉狀態(tài),，可避免重力影響和溫度應力作用產生鋁板中部“鼓包”和玻璃影像變形失真,、自爆等現(xiàn)象，保持外表面平整,，保證外觀效果,。同時安裝方便，速度快,，節(jié)省時間,。但本結構也有一個缺點，即：不能用于彎弧幕墻

全掛式

全掛式又稱小單元幕墻,，是我司參照國內外同類技術研制的,。它雖屬框架幕墻，但克服了以往框架幕墻螺釘連接的弊端,，主受力處完全實現(xiàn)無釘連接,。不僅加快安裝速度，保證了板塊的平整度,，更重要的是：幕墻的安全性大大提高了,。我司在石家莊長途電信等工程中使用此結構,。近年來又對其加以改進，使結構日趨完善,，成本盡量降低,。

該系統(tǒng)基本特點如下：

s 

圖8

結構板塊固定靠型材的掛接來實現(xiàn)，板塊直接掛于橫豎龍骨上的特殊橫口上,，靠龍骨本身定位,，取消了以往的壓板連接方式，且設計了防松動的卡塊,，以防板塊松動和串位,，使連接強度趨于更加合理，消除了人為因素產生的安全隱患,，安全可靠,，可適用于高層建筑。外掛單元板塊加工方便,、簡捷,，工廠內加工組合，加工精度高,。

s 

圖9

安裝簡便,，易于調整，可無序安裝,，安裝速度快,，施工周期短。更換亦簡潔易行,。

s  所有型材接合部位均設有彈性膠墊,，橫豎框連接采用浮動式伸縮結構,，可從根本上消除熱變形伸縮噪音,。

s  彈性連接結構可吸收一定的橫豎框安裝階差，且抗震能力強,。

s 

圖10

s  采用三道密封，水密性和氣密性良好,。

s  每個板塊的固定靠定位塊組件來實現(xiàn),。板塊掛上后先將定位塊擔在兩塊板副框的槽里，然后再插入定位插件,，將板塊固定,。

s  該結構的缺點是成本較高，且不能用于彎弧幕墻。

圖11

為降低成本,，可將“等片”合中空改為“大小片”合中空,，也可將橫豎框尺寸適當減小（圖11）,。但此結構必須橫豎框同時安裝,，現(xiàn)場施工的精度和速度有一定影響。

成本分析

為了更好的比較以上結構的經濟性,，特制作下列表格以供參考,。

附表說明

1.本表僅考慮每平米直接費的差價,，且未計插芯,、托板、角片和翻窗費用,。

2．計算單元格為1.05m×1.6m,，中空玻璃6+9+5mm。

3．全掛式1為研究所開發(fā)結構,、橫豎框寬80（等片合中空）,。120系列

4．全掛式2為后改進結構、橫豎框寬75（等片合中空）,。120系列

5．浮動式和上掛式采用125系列,。

6.如全掛式2改為聚硫膠合片，差價可降為43.6元,。

7．型材,、膠條的截面面積及成本計算附后。

分析結論

根據(jù)以上分析,，對框架式全隱幕墻可做如下結論

1．平面玻璃幕墻應首選上掛式,。

2．由于橫框的多樣性，彎弧玻璃幕墻及鋁板幕墻應選用浮動式

3．如業(yè)主資金較好,，且建筑不適合做單元幕墻的情況下,，可選用全掛式

4．對其他結構中好的做法（如鋼龍骨掛軸式鋁板等）可在投標中適當應用。

（一）   明框幕墻,、半隱幕墻及斷熱幕墻

早期的幕墻,，基本都是明框做法。隨著硅膠在建筑上的應用,，隱框幕墻曾受到許多設計師的偏愛,。但近年來，明框或半隱幕墻似乎又占據(jù)了主導地位,。畢竟,，豐富多變的裝飾線條更能體現(xiàn)建筑的個性,。

我公司類似的工程也很多比較典型的有廈門建行、上海智慧廣場,、北京聯(lián)合廣場,、北京西西工程一號地等

雖然此類幕墻幕墻外飾面變化頗多，但結構,、成本基本相近,，本文在此不做比較分析，僅將我司現(xiàn)有幾種類型歸納列出以供大家參考,。

明框幕墻

結構1

本結構在投標中經常使用,，主要特點如下：

s 

圖12

明框幕墻玻璃座裝在橫梁上，橫向和豎向通過壓板定距壓緊,，外加扣板,，安裝可靠，裝飾效果好,，耐候性強,。玻璃可浮動，能滿足幕墻各種變位要求,。

s  在結構的處理上,，采用分體結構，豎向及橫向均以壓板勾到豎框,、橫框上,，輔之以自攻釘擰緊，即可定位,，又牢固可靠,，由于此分體結構既方便更換玻璃，又安裝靈活,。

s  通過鋁合金墊框可實現(xiàn)中空玻璃,、單玻璃及鋁板的裝飾形式。

s  橫梁前部及外露扣板底部設有排水通道,，使少量可能滲入的雨水沿此通道排到室外,，實現(xiàn)結構防水,。

s 

圖13

密封膠,、密封膠條的雙道密封保證幕墻的水密性和氣密性。

s  橫向壓板與橫框間靠型材交合承受負風壓,，自攻釘不起受力作用,，結構合理，安全可靠,。

s 

圖14

玻璃板塊采用浮動式柔性安裝結構,，且壓板定距安裝,，玻璃不會產生安裝應力而導致破損。

s  開啟形式有上掛式和鉸鏈式兩種,。密封膠條采用三元乙丙膠條具有很能強的耐老化性,、耐候性、耐高低溫性,，因而有很長的使用壽命（30年以上）,。

s  裝飾扣板可根據(jù)需要做成各種形狀滿足裝飾要示,。如外立面要求大扣板裝飾,，室內須加設相應型材以保證外飾效果。

s  安裝可操作性強,，可先裝豎框,，后裝橫框,。
結構2

此結構為研究所開發(fā)的KJ401型明框玻璃幕墻，同結構1相比有兩個主要特點：一是橫豎框采用柱銷式連接,，二是外露扣板有自潔功能,。

結構主要特點如下

s  本產品為明框結構。橫框與壓板采用分體,，豎框采用整體結構,，便于安裝且能保證安全。

s  橫,、豎框用柱銷連接,，橫框可自由伸縮，安全可靠,，消除了橫框熱變形產生的噪音,。

s  豎框上與橫框連接銷孔用專用設備及工具加工完成，可有效保證加工精度,，進面保證橫框安裝的位置精度,。

s 

圖15

本產品采用兩道膠條密封，干式結構,，利用等壓原理實現(xiàn)結構防水,。如果有少量水滲入，能及時通過排水系統(tǒng)排出,，保證了幕墻的水密性能,。

s  能夠進行無序安裝和拆卸，維修方便,。

s 

圖16

本系統(tǒng)具有清洗功能,。由于采用干式密封，不用硅酮膠,，無硅油滲處,，大大減少灰塵吸附量,，減輕污染程度。另外,，裝飾扣板上設有積灰排水槽,，玻璃表面及橫向扣板上積留的灰塵可隨雨水沖刷通過此槽向下排出，不致流到下面的玻璃表面而造成污染,，即可利用雨水沖刷達到自身清洗作用,，裝飾效果美觀，清洗周期延長,，降低維護費用,。

s  弧形幕墻尤其是半徑較小的弧形幕墻，不宜采用此結構,。

結構3

即參照美國康尼公司為廈門建行工程設計的明框幕墻,，其主要結構特點如下

s  橫豎框連接機構新穎，橫框重量較輕,，特別是窗間部分,，可明顯降低此處的橫框成本

s  采光部分可在室內安裝

s  橫梁前部及外露扣板底部設有較好的排水通道，可實現(xiàn)結構防水

圖18

圖18

s  橫框壓板為分體式,，開模精度不好保證,，

s  因康尼公司設計的結構中沒考慮翻窗，所以增加翻窗結構后,，存在些問題,。如翻窗上橫框其壓板不能與橫框做成一體。

s 

圖19
對中空玻璃,，翻窗可作成等片,，由于玻璃后面的膠條不與外片鍍膜玻璃接觸，可避免結構膠形成的黑邊,。此方法使用于各種類型中空玻璃翻窗,，但對單玻璃而言，因膠條直接與鍍膜玻璃接觸,，效果反而不好,。

半隱幕墻。

半隱幕墻分為顯橫隱豎及顯豎隱橫兩種形式,，本文僅給出顯橫隱豎的結構特點

s  半隱幕墻玻璃座裝在橫梁上,，橫向通過壓板壓緊，外加扣板,，安裝可靠,，裝飾效果好,，耐候性強,。豎向通過壓板,、附框連接方式，保證了浮動式連接,，滿足了幕墻各種變位要求,，避免了因結構變位造成的玻璃破損。

s  橫梁前部及外露扣板底部設有排水通道,，使少量可能滲入的雨水沿此通道排到室外,，實現(xiàn)結構防水。

s  幕墻和主體之間實現(xiàn)三維調整,，既保證幕墻的平面度和垂直度,，又提高結構抗震性能。

s  玻璃座裝于橫梁上,，避免了結構膠承受剪力,，提高了使用安全性。

s  橫梁與豎梁的連接采用可伸縮結構,，滿足了橫梁因溫差作用而產生的伸縮效應,，消除了幕墻的伸縮噪音，提高了幕墻的抗震變位能力,。

s 

圖20

利用等壓原理和雙道密封,，保證幕墻的水密性和氣密性。

s  所有硬性接觸處,，均采用彈性連接,，提高了幕墻的抗震性能，消除了伸縮噪聲,，同時由于密封性能的提高,，保證了帷幕的隔音效果。

s  不同金屬的接觸面都使用尼龍墊片以防止電化腐蝕,。

斷熱幕墻

  明框玻璃幕墻和半隱玻璃幕墻有大量外露裝飾扣板,，因鋁合金型材為良好導體，導熱性強,。外界與室內的熱量會通過這一“橋梁”大量傳遞,，使幕墻性能下降。因采光部分無法做墻體保溫,，必須采取一種措施阻止熱量傳遞,。由此，斷熱幕墻應運而生,。斷熱幕墻的基本理念是采用一種高強度絕緣材料將室內外型材隔斷,，形成“斷熱橋”以提高幕墻性能。

類似的斷熱幕墻及斷熱門窗工程有中國電信（單元式）,、大連憶達,、中國青年培訓中心等,。目前，我司在斷熱幕墻,、門窗上使用的斷熱條均為進口產品（意大利Alfa,，德國Technoform），其主要材料為聚氨脂加玻璃纖維,。國內生產的斷熱條主要成分為增強PVC,，性能同國外相比有較大差距，在實際工程中應慎重選用,。

隔熱橋基本參數(shù)如下

下面歸納出幾種框架式斷熱幕墻形式，供大家參考

結構1

圖21

此明框幕墻結構設計采用本公司成熟的明框斷熱幕墻系統(tǒng)結構,，性能可靠,，氣密性能、水密性能優(yōu)良,。在中國青年高級人才培訓中心等工程中已大量使用并反應很好,。本設計系統(tǒng)除滿足正常功能外主要考慮了其水密性及排水途徑的安裝，從而達到“構造防水”“以排為主”的較先進的設計原則,，一改過去打密封膠“以堵為主”的陳舊觀念,。其結構設計特點詳見下述：

s  斷熱冷橋設計，阻止熱量大量傳遞,，有利于保持室內溫度,，節(jié)約能源。用意大利專用設備進行組橋,，組橋精度高,，質量有保證。斷熱條結構推薦兩種形式,，具體祥見圖紙,。

s  明框幕墻玻璃座裝于橫梁上，橫向和豎向通過壓板壓緊,，外加扣板,，安裝可靠，裝飾效果好,，耐候性強,。玻璃可浮動，能滿足幕墻各種變位要求。

s  扣板前部特殊加工,，形成排水通道,，使少量可能滲入雨水排出。

s  所有硬性接觸處,，均采用彈性連接,，提高了幕墻的抗震性能,，消除了伸縮噪聲,，同時由于密封性能的提高，保證了帷幕的隔音效果,。

s  不同金屬的接觸面都使用尼龍墊片以防止電化腐蝕,。

s 

圖22

利用等壓原理和結構密封保證幕墻的水密性和氣密性。

s  玻璃底部使用托板型材承重,，避免了斷熱橋承重,。

s  扣板同豎框掛接，避免了機制釘受到軸向拉力,，連接可靠,、安全。機制釘僅起定位作用,。

s  本結構缺點是成本較高,。

結構2

減小了橫豎框和斷熱條的結構尺寸，使成本有所降低,。但強度不如結構1可靠,，而且，由于自攻自鉆釘和室內外型材都有接觸,，也使得此結構不能完全斷熱,。

圖23

 圖24

結構2

同結構2相比，橫框可以做得更?。◣Х皶r除外）,，橫豎框連接采用插芯及彈簧機構，形式新穎,、安裝簡潔方便,，但鉆孔時須做胎具。

圖25

圖26