论文 | 超百米造型叠级石材的设计及安装解析
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2024-10-28 14:27
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作者：武汉凌云建筑装饰工程有限公司 金海潮、卢仁伟、赵明、胡锦洁、李 方、张小东 本文全面介绍了安徽舒城农村商业银行新建办公楼幕墙工程的方案设计思路、材料深化和服务现场的过程。该项目包含防弹幕墙等十项幕墙系统，全文按照从创新方案到高效施工，分别对重难点系统进行设计分析，对精准材料深化技能进行概括总结，对现场施工设计服务进行梳理回顾，旨在为大家分享类似工程设计经验。 超百米造型叠级石材、防弹幕墙、装配式小单元幕墙、三维BIM技术、技术巡检
安徽舒城农村商业银行新建办公楼幕墙工程位于安徽舒城县，建筑高度102.800m，平面尺寸长（132.4m）X宽(45.7m)，总建筑面积约 39990㎡，为高层办公楼，是一个刷新当地建筑天际线的地标项目。该项目由东西裙楼和中部塔楼组成，西裙楼为营业厅，东群楼为附属用房，裙楼东西相依，塔楼挺拔巍峨，两者拱卫相依成品字方尊形状，表达厚重典雅的设计宗旨。远处相望犹如带两个发动器的航空火箭，体现银行奋发向上的寓意。 结构类型：框架-剪力墙结构；基本风压：Wo=0.35kN/m2，基本雪压：0.60kN/m2； 建设单位（业主）：安徽舒城农村商业银行股份有限公司 建筑风格整体庄重大方、叠级错落复杂、层次分明、造型别致、富有山石壮丽之美，背面溪流穿梭而过，四周繁华奔赴环伺。 7) 幕墙热工性能：传热系数等级为5级，遮阳系数等级为5级。 1、重点部位幕墙的设计----竖明横隐框架玻璃幕墙 本系统为竖明横隐框架玻璃幕墙，最大高度96m，裙楼幕墙分格为5150x1250mm,位于梁外侧；塔楼分格约为3000x1100mm，位于结构洞口内; 立面分布约1400樘上悬窗，规格尺寸约为1250x1100mm。由于结构偏差和对缝石材导致幕墙高宽分格尺寸种类繁多。 ❀ 面材：6Low-E+12A+6mm双钢化超白中空玻璃; ❀ 受力体系：塔楼采用简支梁体系；出屋面采用双跨梁体系；裙楼采用简支梁体系；横、竖龙骨连接构造： ❀ 群楼：竖龙骨为闭口断热明框型材，横梁为隐框型材，横竖龙骨之间设置隔热胶垫，通过钢销连接，横竖龙骨之间可以几何变形。 ❀ 塔楼：竖龙骨为开口断热明框型材，横梁为隐框型材，塔楼横竖龙骨通过自攻钉连接，装配式安装以增强幕墙窗整体稳定性。 塔楼共有洞口式小面积框架幕墙约900个，幕墙中外开启上悬窗约1400个，窗洞尺寸基本在高（2900m）X宽(2650m)和高（3300m）X宽(1200m)。由于幕墙分格种类繁多、尺寸各异，即使是标准层，也会产生很多尺寸的横梁和立柱，材料到达现场后施工人员需要进行区分安装，这既会影响施工进度，又会增加现场施工成本。 现场洞口四周结构实际为构造圈梁和构造柱，与招标图纸设计的结构条件不一致，规范不允许幕墙埋件直接固定在圈梁等非主要受力构件上。 我们经过策划分析如下：1）结合成熟标准化的单元式幕墙、窗系统原理和加工组装工艺进行装配式幕墙窗系统设计；2）考虑材料尺寸较为接近，装配式幕墙窗系统设计可以优化施工流程，提高施工便捷性；3）校核幕墙四周现场结构条件，改变安装思路，共用石材钢立柱体系作为窗幕墙的受力点，经过验算，石材龙骨满足幕墙窗的结构受力需求且有足够安全余量。 通过以上设计，将洞口内玻璃幕墙按装配式单元幕墙窗进行设计，以整窗为单位进行加工组框，现场整框安装，实现“一种外挂式小单元幕墙窗系统”。 ❀ 提供了洞口内框架式幕墙遇到圈梁的一种解决方案； ❀ 传统框架式窗幕墙系统的体系优化为小单元幕墙窗的方案 ； 作为幕墙人，节能是核心，安全是重点，每一个系统的创新设计都离不开结构计算的支撑。 本项目为框架幕墙，节能、环保设计可分为透明幕墙和非透明幕墙（石材、铝板）两种区域来进行考虑和设计。 （1）透明幕墙区域：采用6Low-E+12A+6mm双钢化超白中空玻璃，同时铝合金龙骨与外压板铝型材之间设置通长的PA66隔热垫。 （2）非透明幕墙区域：采用30mm花岗岩+主体保温系统、3mm铝板幕墙+60mm保温岩棉板。 经计算校核可知，本项目的幕墙设计和安装均能满足现行国家节能设计标准，并能满足GB50189、DGJ08-56、JGJ132-2001和JGJ26的相关要求。 1) 裙楼施工工艺流程(传统框架式玻璃幕墙系统)： 各楼层安装紧固转接件——安装竖向主龙骨——安装横向次龙骨——安装保温岩棉、背衬板——安装玻璃——安装外部压块、压板及扣板——打胶密封——安装楼层封闭镀锌钢板及防火岩棉——清洗玻璃 2) 塔楼施工工艺流程(外挂式小单元幕墙窗系统)： 各楼层安装紧固转接件——加工成装配式幕墙窗——幕墙窗整体安装到洞口——四周安装防火岩棉——打胶密封——清洗玻璃 2、重点部位幕墙的设计-----超百米叠级造型石材幕墙系统 本工程以石材幕墙为主要元素，最大高度103米，石材叠级造型进退尺寸复杂，按照现行石材幕墙规范JGJ133，属于超规范项目，需进行超百米石材幕墙设计专家论证。 幕墙层高4200mm，分格宽度900~1500mm多种，高度300~800mm多种,幕墙龙骨为钢龙骨体系，石材挂接系统为铝合金SE系统（大面），铝合金背栓系统（包梁）。 ❀ 面材：砂黄色、熟褐色、赭石色三种30mm厚花岗石； ❀ 受力体系：包梁采用简支梁体系；大面和包柱采用多跨铰接连续梁体系；出屋面处采用双跨梁体系；横、竖龙骨连接构造 ❀ 竖龙骨：100*50*5/120*60*5/80*60*5镀锌钢通；层间设置20mm伸缩缝，通过10#槽钢与梁上埋板螺接； ❀ 横龙骨：50*50*4镀锌角钢；横梁与立柱采用L50*5钢角码螺接，几何可变； 石材幕墙在本工程中占有很大体量，造型进出多，叠级层次复杂，同时存在弧形和斜面石材，存在安全隐患，因此我们做了如下加强措施： 2）、80米以上石材采用加强措施处理，增加石材纤维网格布； 3）、超过100mm进深尺寸吊顶石材调整为仿石材铝单板； 经过采取以上设计措施，顺利通过超百米石材幕墙设计方案论证。 3、 重点部位幕墙的设计----一种实用防弹幕墙（西群房部分） 银行柜台、营业厅维护结构常需要进行防弹防盗设计。由于原幕墙招标图没有进行防弹幕墙设计，我司依据现行《GA 38-2021 银行安全防范要求》、《GA165-2016防弹透明材料测试标准》、《GA 844-2018防砸透明材料》、《GJB 3196-98枪弹试验方法》等规范及验收标准要求，进行防弹幕墙设计并报公安系统进审查行备。 本工程防弹幕墙系统要求如下：1）要求不低于F64级防弹等级；2）要求外幕墙具有通透性；3）要尽量保持外立面效果的整体性。为此我们翻阅了一些防弹设计规范，咨询厂家和业内案例进行设计策划，以寻求一个可以满足“立柱结构耐久、面材安全防弹、外形通透美观、体系防火难燃”的要求。 防弹幕墙设计依据《1_GA 38-2021 银行安全防范要求》； 横竖龙骨类别采用双加10#竖向槽钢 (热浸锌)，均采用螺栓进行机械连接； 面材采用31mm厚防弹复合玻璃（SB-31-TD01-I型），满足F64级防弹要求； 立柱外包8mm厚阻燃多层板和铝板，满足体系难燃级别和立面统一性； 防弹幕墙体系的难点在于原招标图没有设计，又属于非常规幕墙，很多幕墙设计师缺少设计工程经验。我们设计的一种实用防弹幕墙方案，具有如下优点： 1) 横竖龙骨采用双加10#竖向槽钢 (热浸锌)，采用螺栓进行机械连接，满足结构耐久和龙骨位移变形能力；另外组合钢结构具有良好的抗冲击性能，价格较合理，组装安装较为简单易操作，在项目工地即可完成； 2) 面材采用31mm厚防弹复合玻璃，远满足F64级防弹要求，达到业主安全和外形通透要求，满足建筑整体美观协调，仅玻璃从专业厂家采购，施工队自行安装即可； 3) 玻璃四周与立柱之间设置防撞垫块，方便玻璃安装固定，满足防弹幕墙遭遇外力冲击时，玻璃不会因外力与龙骨之间产生应力而破坏，有效的延缓玻璃破碎速度； 4) 立柱外包8mm厚阻燃多层板和铝板，满足体系难燃级别，同时具有与周边幕墙立柱同色要求，即便在极端条件下采取火攻，也可以延缓防弹幕墙的破坏时间； 防弹幕墙设计要进行公安系统审核和备案后才能用于施工； 防弹幕墙面材选择是关键环节，既要满足业主外观要求，又要可以出具防弹等级验收报告，比如防F64式手枪射击； 防弹幕墙设计在实际工程不是经常遇到，从规范学习、构造设计、采购询价到验收环节对大多数幕墙设计师来说可能不是很熟悉。为此设计的一种简单实用的防弹幕墙方案，希望可以给大家在防弹幕墙方案设计中起到抛砖引玉的作用。 1、“逻辑编号法”和“动态参数法”在二维图下料中的应用 本工程玻璃幕墙横竖向分格尺寸种类繁多，且分布较为零散，为了提高工作效率和减少人工操作误差，经过对幕墙分格规律进行分析，我们引入了“逻辑编号法”和“动态参数法”技术的应用； 1）、逻辑编号法，即缩短编号长度，通过编号即可判断加工图样式、类别和所在区域； 2）、 采用“参数动态法”方法可以进行一键将数据导出到EXCEL表格，避免了手动输入表格的带来的失误；同时可以实现动态参数值与扣尺理论值进行互检，在不到1分钟时间内即可完成数百行尺寸校对工作；本工程材料理论尺寸创造了高效率、0错误的目标，大大促进了项目的进展。 ❀ 效率高，准确率高，智能校对数据，减少不必要的环节和失误； ❀ 可应用工程广，节省30~40%的人工和时间，为工程增效； 此方法适用的场景较多，可以一维、二维、三维参数方向进行自动控制，免去了人工输入尺寸的低效工作，本工程在汽车坡道、采光顶、雨棚、铝板幕墙等二维材料上均做了应用，具有比三维门槛低、比传统下料高效、精准的优点； 2、BIM技术（犀牛、GH）在复杂叠级石材幕墙的应用 该工程石材种类采用新疆黄金麻花岗岩，石材价格较高，运输较远，采购补单成本较麻烦，再加上当时新疆受疫情管控影响采购运输，对我们材料订单的准确性、及时性要求达到前所未有的紧急状态。 面对造型复杂、叠级错落的石材幕墙，如何高效、准确、快速的完成下料，以满足工程紧张工期的要求摆在我面前。众所周知，复杂造型仅靠平立面图纸容易造成理解上的偏差，常规的节点配合横竖剖面放样方法也难以直观全面的表达进退尺寸关系，且现场工人读图能力有限，也无法开展施工放线和有效尺寸核对。为此，指导设计部根据现场结构尺寸和平立面图的轮廓进行细化，采用rhino软件进行整体建模，GH编程参数处理，既准确快捷的导出各处加工图，提高了出图效率和准确率，同时可以有效的帮助工人理解图纸和指导现场施工。 工程总体复杂，石材幕墙造型分散且没有逻辑关系可言，我们先通过施工图分区域进行手动建模。建模阶段，首先建表皮模型推敲造型的叠级关系，对施工图进行一遍整体的放样和校对，并将问题反馈到施工图纸中。其次进行幕墙和结构的碰撞关系检查。当表皮和施工图校核完，并确保无碰撞情况之后进行进一步的深化建模。 深化设计输出阶段，本工程延续传统的面板订货方式：材料清单、加工图、布置图模式。此过程中我们尽量用GH参数化介入批量处理数据，来提升工作效率。例如GH自动编号，通过使用预先设置好的GH程序只需点击对应板块就可以实现自动编号。并将模型截图直接作为布置图，这样既节省了绘制展开图的时间，又可以让现场工人看起来更加直观。 由于石材厂家与铝板厂家不同，他们不接受三维模型直接加工，所以我们只好将三维模型转换成传统的二位加工图，我们利用GH程序将编号的模型自动导出成二维平面的加工图，供工厂家使用。 由于本工程造型复杂，施工图不能把工程表达得面面俱到,而且每个人的识图水平也参差不齐。BIM模型的介入给各个环节的沟通带来了极大的便利，如设计部内部的沟通，与业主的沟通，与材料厂家的沟通，与项目部的沟通，都达到了高效且准确的效果。BIM技术的应用极大的节约了时间成本和试错成本。应用建模辅助下料，显著的提高了工作效率，也直观的指导了现场劳务施工，加工厂材料加工。 技术巡检是我司控制工程品质的一项保障措施，通常与质安部一起进行的一种巡场检查活动，目的在于早期发现施工问题及时纠偏，是控制施工质量的重要环节。 我司在幕墙施工过程，除了编制施工组织外，设计所会指派专项工程的设计团队，进行开工时的施工图技术交底，设计师材料深化交底，加工厂材料加工技术要点交底，运输安装的现场操作流程交底，“首件样板制”和四性实验的设计验收评审以及施工过程中动态“技术巡检”的设计服务。其中，技术巡检是“P-D-C-A”质量管理体系中的动态控制环节。每次现场技术巡检后，针对发现问题进行归纳总结和级别划分，一般表观问题进行技术交底修复处理，重点部位进行技术加固处理，施工疑难问题进行各部门开会决策解决方案，具有安全隐患的问题坚决拆除重做。 本工程共2处汽车坡道，应业主要求提升坡道玻璃顶品质，增加三面侧边维护玻璃，由于变更设计后，坡道玻璃顶变更成了玻璃盒子，钢结构受力的工况荷载发生了变化。为此我们进行整体SAP建模进行安全验算，提供详细根部节点和连接节点设计，并指导现场施工； 南北入口为跨层玻璃幕墙，入口电动感应门四周设计不锈钢门套，招标图中门套根部做法缺失，我部经过现场勘察结构，对门套进行整体SAP建模安全验算，提供详细根部节点设计，并指导现场施工； 此处结构条件与原设计不符，原图结构为竖向双混凝土板凹槽结构作为玻璃采光顶支撑结构，现场实际无混凝土挑板。另现场返尺放线后，结构误差较大，为此我部根据现场结构返尺条件，综合归并包梁宽度尺寸。同时考虑吊顶铝板与三面梁、柱叠级造型的搭接关系，此处吊顶铝板按照犀牛建模进行碰撞模拟，以提高材料深化准确度和指导现场施工； 现代化办公楼多以玻璃幕墙为主，大体量的造型层叠的石材幕墙已不多见，本工程采用了大量新疆黄金麻花岗岩作为主要元素，显得巍峨庄重，期间镶嵌玻璃幕墙条窗，犹如高耸山体上裸露的宝石一样熠熠发光。我们秉持“敬业、严谨、专业”的设计作风，经过突破设计方案、创新材料深化、谋划现场安装层层难关，完美的实现了建筑设计意图； 回顾设计历程，过程中的点点滴滴，尽在心头。于设计师而言，过程是充满困难和折磨的，但结果是令人满意的。我们的成长也正需要不断地经历各种各样繁琐项目的洗礼，我们的心态也会随之更加坦然，处事会更加自信，专业素养也会越来越高。正所谓“干一个工程，树一个标杆”，作为幕墙人，我们一直不忘初心的为城市繁华孜孜奋斗着，用幕匠尺度的胸怀，来实现建筑设计的高度！
