摘要：不同于传统构件式幕墙和单元式幕墙的设计方法，装配式幕墙具有更加灵活和更加广泛的应用范围，尤其是更加经济的价格优势，在幕墙行业具有广泛的推广应用前景。本文以某科技园区项目多栋楼的系列幕墙设计为例，通过深化设计与原招标图对比，系统提出装配式幕墙的各项细节设计方法，为广大设计师及业主方提供装配式幕墙的系统解决方案，促进装配式幕墙的推广应用。
关键词：构件式幕墙;单元式幕墙;装配式幕墙;
1、引言
自2020年1月份新冠疫情爆发以来现已持续两年时间，尤其在2020年爆发之后，疫情持续加重并蔓延至全球性灾难，全国的工程建设项目也遭遇严冬。持续至2021年后全国建材行业则进入到价格飞涨时期，所有钢材铝材金属材料产业、玻璃产业、硅酮胶产业等均全面大幅涨价;而建设项目所必需的劳动力市场也遭受严重影响，劳动力流动收到严重限制，施工现场严重缺乏劳动力。再加上国家对于房地产管控力度的持续加强，房地产行业也遇到瓶颈，低价销售降价销售已成为房地产企业自救的主要途径，而与房地产企业合作最多的幕墙企业，更是在夹缝中求生存，已签订的合同需要履约完成，而材料成本及人力成本持续上涨，现场作业劳动力人员数量又受到限制，在面临巨大亏损的风险下，如何控制成本并按时履约则成为各幕墙企业的重点公关课题。而装配式幕墙，则能够按最接近构件式幕墙的成本实施单元式幕墙的设计和施工，同时可大幅度降低构件式幕墙对现场劳动力数量的需要，大大降低疫情风险。因此系统化地推广装配式幕墙的设计方法和施工方法，不仅是适应国家对建筑业提高装配化率的要求，也是幕墙企业在技术发展和成本控制双控条件下的必然选择。而现有的有关幕墙的规范、标准、图集等，基本都是只涉及到构件式幕墙和单元式幕墙，甚至各幕墙企业的内部图集及设计施工规程基本上也没有针对装配式幕墙进行系统化的规划和总结，本文则以具体项目的施工设计为例，详细介绍装配式幕墙的系统化设计，为装配式幕墙的系统推广奠定基础;
2、装配式幕墙的概念及与其他幕墙系统的区别
幕墙系统按照结构支撑系统的构造设计分类，现在最通用的系统类型包括构件式幕墙系统、单元式幕墙系统、半单元幕墙、小单元是幕墙系统等几大类。
从《建筑幕墙术语》(GB/T34327-2017)的定义来看，“构件式幕墙stick curtain wall”是指在现场依次安装立柱、横梁和面板的框支承建筑幕墙;“单元式幕墙unitized curtain wall”是指由面板与支承框架在工厂制成的不小于一个楼层高度的幕墙结构基本单位，直接安装在主体结构上组合而成的框支承建筑幕墙;“半单元幕墙semi-unitized curtain wall”是指由小于一个楼层高度的不同幕墙单体直接安装组合、或与先行安装在主体结构上的立柱组合而成的建筑幕墙。根据JGT216-2007《小单元建筑幕墙》中的定义，“小单元幕墙”是指小单元板块与构件式或单元式框架采用挂钩和插接连接的、可方便安装和拆换的幕墙。
如下图1~图3所示为构件式幕墙施工过程中的形象进度示意图，图1显示为主体结构验收移交给幕墙公司开始施工，先安装裙楼的散装式构件(立柱、横梁等杆件)，图2显示为主楼各立面从下往上逐层安装幕墙构件(立柱横梁等杆件)，图3显示幕墙框架验收后，开始安装玻璃面板。
如图4~图6所示，随着现场施工进度进一步推进，立面玻璃逐渐展开安装，直至立面安装封闭;从以上安装施工流程中可以看出，构件式幕墙在工厂完成的工序很少，大部分工序都是在现场作业，因此现场的材料堆放比较杂，材料损耗也比较大，现场作业工人多，施工作业安全隐患也比较多，加大了现场管理的难度，同时现场工人都是在空中吊篮上进行作业，幕墙构件之间的装配精度也收到一定的影响，同时现场的施工形象也收到一定的影响。
而如下图7~图11所示，则为单元式幕墙的施工过程示意图，图7显示结构移交给幕墙公司后，幕墙公司只需安排少量人员进场先安装单元板块的支座，同时大批量单元板块在工厂进行组装。图8显示单元板块进场从起底楼层开始吊装，正常工况下，水平方向按逆时针方向依次吊装。图9显示单元板块垂直方向从低层向高层逐层依次安装。图10及图11则显示单元板块逐渐向高层安装，直至施工到顶层，完整立面的整体封闭。单元式幕墙的优势也非常明显，大部分工序在工厂内完成，现场作业工序很少，现场的作业人员数量大大减少，吊装均为机械化作业，且现场吊装时操作人员仅在室内吊装作业，施工过程中的立面整体形象也很完整。
以上各种类型的幕墙均已在市场上使用对年，并已形成比较成熟的经验，但这样也限制了大多数设计人员的思路，形成了固定思维，一看到建筑平面立面图后就形成了基本的幕墙设计思路，再加上很多业主在招标时就已限定了“幕墙投标限价”，甚至在很多幕墙招标文件中就已经直接确定了幕墙体系(即在构件式幕墙、单元式幕墙、半单元幕墙、小单元幕墙中选取一种)。尤其现在幕墙行业中又细分出一种类型的幕墙公司-幕墙顾问，这种顾问公司的业务以为业主提供前期的“幕墙技术咨询”为主，实际就是以给业主出“幕墙招标图”为主，这种幕墙图专门用于幕墙工程招投标，在很大程度上更加限制了幕墙公司的设计思路，相当于限制了技术创新，有些幕墙公司本来可用提出更多具有创新思维的设计方案，但限于前期招标图及招标条款的诸多技术条款和商务条款的限制，这些创新的技术和工艺并不被认可，在一定程度上只能局限于顾问公司的技术水平了。
按照招标条件及顾问公司的招标图及招标技术条件，为了避免招标过程中发生争议，这些招标图及招标技术条件一般都相对比较简单、比较保守，并尽量回避可能发生争议的新技术新工艺，所以招标图及招标技术条件基本都限于以传统的“构件式幕墙”或“单元式幕墙”为主进行招标。而按照常规的市场规律，构件式幕墙主要用于不太规整的立面、裙楼、或造价较低的项目上;而单元式幕墙则一般用于比较规整的立面、主楼幕墙，或造价较高的项目中;再就是如果建筑师对幕墙的杆件尺寸有一定要求，如立柱横梁等杆件的宽度尺寸要求比较纤细，如强制要求立柱横梁的型材截面宽度不超过80mm，则正常设计就无法选用单元式幕墙而只能采用构件式幕墙了。如果建筑师对幕墙立柱横梁的型材截面宽度无要求，或要求不小于90mm，则各种幕墙结构体系都可以选择。如果业主对幕墙单方造价有一定限制，则构件式幕墙与单元式幕墙之间就基本上不能互相代替了。
市场上的实际情况则是千变万化的，行业内以上的传统分类方式只是将千变万化的各种工程项目强行限制分配在这些分类类型之中，实际对各项目并不完全适配，也就是并不能做到“量身定制”。因此通过多项目的“量身定制”式的设计，并打破以上分类类型的条框限制、打破商务条款的限制，且不同于以上构件式幕墙、单元式幕墙、半单元幕墙、小单元幕墙等这些类型，而创新出一种新型幕墙形式，因此“装配式幕墙”就应运而生，这里所提出来的“装配式幕墙”，其使用条件和适用范围均不受以上“构件式幕墙”和“单元式幕墙”的限制，其加工方式、运输方式、现场施工方式，则与单元式幕墙完全相同，尤其是其造价能够与构件式幕墙的低成本相适应，而不受招标商务条款的限制，因此这种装配式幕墙具有更广泛的适用范围，具备更广阔的推广前景。“装配式幕墙”与“单元式幕墙”的工艺非常相似但又不完全相同，不再受到传统认识的单元式幕墙通用特点的限制，这些单元式幕墙的特点包括利用“雨屏原理”进行等压防水设计、利用“同层排水”或“隔层排水”工艺排除渗漏水、空缝式安装单元板块等。而单元式幕墙的这些特点，也客观导致了单元式幕墙的成本造价居高不下，商务条款方面受到较多限制。而“装配式幕墙”重点在于突出“整体装配”的概念，并结合和利用构件式幕墙的防水设计原理，而并不强调或要求“等压设计防水”的特点，这样既能够按照单元式幕墙的工艺特点进行整体预制、整体吊装，又能够把成本造价降低到构件式幕墙同档次的低价格水平，这才是装配式幕墙值得推广的关键所在。
如上图12~图14所示为装配式幕墙的施工过程示意图，立面为石材柱与玻璃相间隔的造型效果，为了配合板块整体吊装，玻璃按整体单元预制、整体吊装，而石材柱框架(含防水板、保温层等)则单独按单元体整体预制整体吊装，石材柱板块采用钢框架，玻璃板块采用铝框架，因此石材柱板块单元与玻璃单元之间，并不符合单元式幕墙的设计和施工条件，但仍可以采用各自独立的“装配单元”各自独立设计、现场独立吊装，现场外立面的施工吊装流程与单元式幕墙的施工流程非常接近。而在立面上各装配单元安装完成后，再从室外二次安装石材柱造型的石材面板，并同时完成室外立面各板块之间的注胶密封，最后经淋水试验检查验证，确保整体外立面的密封防水。
从以上的设计施工流程可以看出，“装配式幕墙”可以从更宽更广的范围进行定义，只要能满足支撑杆件结构安全设计要求，满足建筑幕墙的材料标准要求，满足建筑幕墙的构造要求和功能要求(抗风压性能、水密性能、气密性能、保温性能、隔声性能、变形性能、抗震性能、防火性能、防雷性能、耐久性能等)，全部(或大部分)幕墙构件、全部(或大部分)面板在工厂整体预制、现场整体吊装的建筑幕墙，都可以统称为“装配式幕墙”。因此装配式幕墙的装配单元，不再限制宽度分格(一跨或多跨)，高度也不再限制为一层以上或一层以内甚至多层以上，只要能够满足制造条件、满足运输条件、满足现场吊装条件，均可按“装配式幕墙”进行设计和施工。
本文通过某科技园区项目的多栋楼盘(以下简称为本项目)不同复杂体型的幕墙设计为例，通过对构件式幕墙、单元式幕墙与装配式幕墙等各种不同的幕墙系统结构的选型对比分析，系统介绍和探讨装配式幕墙设计方案的各种细节设计方法。
3、装配式幕墙的设计基础-装配单元划分
与构件式幕墙的最大区别在于装配式幕墙需要整体预制、整体吊装，因此“装配单元”就成为“装配式幕墙”设计的最基础工作，即首先须选择和划分“装配单元”。“装配单元”的选择方法与单元式幕墙相似，但并不完全相同。因为“装配式幕墙”并不一定要求全部构件均整体预制、整体吊装，如果遇到有些高度分格比较特殊，无法实现在层间断开单元板块的情况下，就无法实现单元式幕墙，而装配式幕墙则可以实现这种要求，即装配式幕墙可以与局部散装的构件式幕墙同时配合使用，或者说装配式幕墙可以先进行整体吊装，同时再利用散装构件对装配式幕墙的接口部位进行补充完善，而单元式幕墙则不能在单元板块之间频繁使用散装构件进行补充施工，只能成片安装单元板块，仅单元式幕墙的边角部位采用构件式幕墙完成收边收口。这也是装配式幕墙比单元式幕墙的应用范围更广的原因。
如图15~图18立面图所示，本项目外立面造型复杂，立面面板主要为空缝陶土板柱、陶土板梁及间断式玻璃幕墙，且玻璃幕墙的外立面有很复杂的铝合金装饰线。遇到这种立面效果，通常设计师就不会再考虑选用单元式幕墙了，因此幕墙顾问公司所提供的招标图全部都为“构件式幕墙”的设计图纸;
图16、图17所示，园区各栋楼都是以陶土板包柱包梁、点式幕墙窗、局部玻璃幕墙组合而成的立面，图18所示局部玻璃立面室外全部设置有大装饰线，且铝材室内外型材截面宽度均为80mm。图19所示为局部立面陶土板包柱包梁，因此按正常设计思路，本园区的各楼都无法采用单元式幕墙。
原招标图陶土板典型节点图如下图20~图21所示。
图20及图21所示为陶土板幕墙安装的典型节点图图，因涉及到凸出玻璃幕墙面500的包梁和包柱，故最通用的设计和施工方法就是按构件式现场依次安装支座、支臂钢构件、钢立柱、钢横梁、铝立柱、铝横梁、保温面背板、保温层、防水板背板、点窗的玻璃面板、注胶密封、陶土板面板等，直至完成立面封闭;
以上传统构件式陶土板幕墙和点窗玻璃幕墙的设计施工方法，全部工序都是现场散装施工的，工序繁杂，耗用劳动力多，现场焊接作业量大，安全隐患大。而按照装配式的设计施工方法，则仍然可以将大部分工序改为在工厂预制加工、现场整体吊装。仅将空缝陶土板面板在现场钢框架单元吊装完成后再二次安装即可。因此涉及到陶土板包柱和陶土板包梁的立面，其装配单元划分如下：
如图22所示，可将立面图按图中云线所示划分为三种装配单元，即“点窗装配单元”、“陶土板柱装配单元”、“陶土板梁装配单元”，这三种“装配单元”可组成完整的立面，而很显然这三种装配单元与传统意义上单元式幕墙的“单元板块”的划分方法是完全不同的。基于构件式幕墙的种种缺陷及单元式幕墙的诸多限制，现在可采用“装配式幕墙”的思路对本项目此类立面进行重新设计，不再局限于按原构件式幕墙的思路进行设计和安装了。
以上为陶土板幕墙与玻璃幕墙的混合立面按照装配式幕墙设计时的装配单元的划分方法，基本上类似此类石材幕墙与玻璃幕墙混合的立面都可以按此方法划分
装配单元划分清楚后，继续将各装配单元分别进行细节设计，各装配单元均在工厂进行预制组装成整体单元，运输到现场后即可整体吊装，按与单元式幕墙相似的施工流程进行施工。需要说明的是为了保证空缝陶土板面板的最终安装不变形，可以将陶土板面板单列出来在现场二次安装，而将除陶土板面板之外的其他所有构件均预制组装成装配单元进行整体吊装。
除以上混合幕墙外，本项目的局部玻璃幕墙也比较特殊，型材截面宽度要求为80mm不允许加大，玻璃的外表面全部均设置有凸出玻璃面450的横向及竖向铝合金装饰翼。玻璃分格宽度分别为600与1200间隔布置。总结出玻璃的分格划分规律后，最终按虚线所示范围划分玻璃幕墙的装配单元，如图23所示。
4、装配式幕墙主受力杆件-立柱设计
原招标图典型的玻璃幕墙构件式节点图如下图24所示,按装配式设计时节点图如下图25所示：
上图24所示为传统常规的构件式幕墙设计节点，方管铝立柱明框方式安装玻璃，立柱上安装铝支臂用于固定80X450的竖向悬挑铝合金装饰翼，所有杆件全部须在现场逐一依次安装。上图25所示为改为装配式设计的节点，两个分格合计1800宽度为装配单元，单元左右立柱为组合立柱，单元中立柱则仍为方管整体立柱。
从右图26与图27的立柱的区别可以看出，装配式立柱设计要求如下：
(1)装配式立柱须类似单元式幕墙立柱分为可以对插的公料立柱和母料立柱;立柱强度及稳定性计算须满足结构计算要求;
(2)装配式幕墙立柱竖向层间采用铝芯套连接固定，公料立柱和母料立柱各自设置立柱芯套;
装配式幕墙立柱采用开口型材，除其强度按折减计算后须满足规范及设计要求外，同时须按立柱侧向刚度要求增大前后双肢的侧向宽度尺寸;
(3)装配式幕墙立柱的型材总截面宽度仍须按80mm不变，为保证开口型材的侧向刚度，公母料的型材截面宽度各自仍达到60~65mm，因此公母料的搭接深度较大，搭接尺寸已达到35mm，远远大于一般单元式幕墙公母料的搭接深度;
(4)从原构件式幕墙改为装配式幕墙设计后，节点所有室内外的外观尺寸均不能改变。
5、装配式幕墙的装配单元横梁及层间伸缩缝设计
按上所述，装配式幕墙划分“装配单元”后，后面的细节设计就是要处理好各个装配单元之间的接口设计.装配单元的立柱按照以上公母料分开为两个独立的立柱，装配单元的横梁也需要按照类似单元式幕墙的设计划分为公母料的上下单元横梁，如下图28、图29所示。
构件式幕墙层间横梁均位于立柱伸缩缝以上，而装配式幕墙的层间伸缩缝正位于装配式横梁的中心位置，故装配式横梁与构件式横梁设计的最大区别是装配式横梁除对插装配之外，还要考虑层间的伸缩缝须达到15~20mm，并须满足主体结构对容纳层间位移的要求。
如图30所示，装配式横梁的上下单元横梁的搭接深度为35mm，可容纳位移量为27.5mm;
上下层装配单元之间的接口，除上下层单元横梁的插接搭接之外，上下层的立柱内均有竖向可滑动过的铝合金芯套进行连接;
从以上装配式单元横梁节点可以看出装配式横梁节点与单元式横梁的节点要简化得多，由于装配式幕墙采用了构件式幕墙的注胶密封防水方法，因此不需要再设置等压腔，也无需考虑排水腔、排水通道等防水排水措施，这也是装配式幕墙与单元式幕墙的最明显的区别。
6、装配式幕墙的密封防水设计
单元式幕墙造价较高的主要原因就是“依靠等压构造防水”，为了实现这一效果，单元式幕墙额外增加了很多材料和措施，而这些并不是满足幕墙结构强度计算所必须的，同时也不是密封防水所必须的唯一措施。装配式设计正式基于这两方面的考虑，采用了构件式幕墙造价较低的注胶密封防水措施，回避了单元式等压构造防水导致造价增高的各项措施，因此达到既能够降低成本又能够实现整体预制整体吊装的“装配式”施工工艺，大大提高了装配化率。
如下图31、图32所示，装配式幕墙的防水采用了与构件式幕墙相似的防水措施，同时为了提高密封防水的可靠性，所有玻璃幕墙部位均采用了两道注胶密封防水措施，其中第一道内侧的注胶密封防水均在工厂组装单元体时完成，单元体内的第二道注胶密封防水也在工厂组装时完成，而单元体之间的接缝部位的第二道注胶密封防水，则在现场吊装完成单元体之后再实施，此工序则与构件式幕墙的现场注胶密封防水工序相似，但现场注胶密封的作业量则减少到30%以下了。
图31 水平节点密封防水示意图 图32 垂直节点密封防水示意图
7、装配式幕墙的防火防烟设计
建筑幕墙的防火、防烟等要求在《玻璃幕墙工程技术规范》及《建筑防火封堵应用技术标准》中都有明确的规定，其具体的构造设计及施工方法已多年来已形成了约定俗成的各种细节措施。装配式幕墙之所以在此对防火防烟设计单独提出来，是因为装配式幕墙与传统常规的构件式幕墙和单元式幕墙的具体措施还是有所区别。
装配式幕墙因为立柱设计为开口的公母料对插式安装，室外侧均已有两道注胶密封措施以防风防雨防渗漏，故室内侧的插接接口仅为两道EPDM胶条密封连接，且均位于室内，并无防水密封要求，但此开口部位在室内可能会成为烟雾的入口，以至在发生火灾时烟雾可能从此室内开口进入到立柱的空腔内。单元式幕墙现在最常用的是“横滑型”设计，在每层的单元体上口沿整楼都形成了封闭的“水槽”，此水槽既能用于防水排水，同时也阻断了立柱的竖向通道，使立柱层层断开。而装配式幕墙的立柱采用了更简化的构造措施，上下层立柱之间仍然采用铝合金芯套滑动式连接，这样就导致立柱上下层之间未完全断开，其中的立柱空腔则可能成为火灾情况下的“窜烟通道”，因此须对装配式幕墙的立柱层间防火防烟特别强调须进行封堵。
如图33、图34、图35所示，装配式幕墙的防火防烟封堵，除须按照《建筑防火封堵应用技术标准》执行外，还须达到如下要求：
(1)每层单元板块吊装完成后，均统一在立柱上端内腔进行注胶封堵(防火密封胶+弹性防火密封漆)。(2)每层单元板块的上端口全部形成连续的密封界面，并与室内楼板上口与幕墙间隙之间的防火防烟封堵形成连续的防火防烟封堵密封界面。
8、结语
本文通过具体项目的装配式幕墙各细节设计，系统总结了装配式幕墙设计的基础工作、设计流程、各细节设计的注意事项，通过本案列的具体分析，总结出解决装配式幕墙设计的途径，从而找到构件式幕墙和单元式幕墙改为按装配式幕墙设计的具体方法，在并不明显增加幕墙成本的前提下，大大提高建设项目的装配化率，为装配式幕墙的系统推广做好前期设计及技术铺垫工作。
作者单位：姜清海幕墙系统工程(武汉)有限公司
作者：姜清海 姜 辉 陈志顺
