美的大廈幕墻板塊的優(yōu)化分析

劉卓然 許偉東

摘要：近年來常規(guī)幕墻形式已經(jīng)無法滿足設(shè)計(jì)師的多元化設(shè)計(jì)理念，各種特殊扭轉(zhuǎn)曲面的幕墻形式在實(shí)際應(yīng)用中越來越廣泛。本文主要以美的總部大廈項(xiàng)目空間扭轉(zhuǎn)的曲面幕墻板塊進(jìn)行介紹分析。

關(guān)鍵詞：幕墻；扭轉(zhuǎn)曲面；設(shè)計(jì)

前言

美的總部大廈項(xiàng)目總共分為A、B、C、D四個(gè)區(qū)（如圖1所示），其中西部裙房A區(qū)幕墻面積4500m2，主塔樓B區(qū)幕墻面積20200m2，東部裙房C區(qū)幕墻面積3850m2，IT樓D區(qū)幕墻面積為8100m2。美的總部大廈的四個(gè)部分都是按照一定的規(guī)律來完成外形。整個(gè)大樓的外立面是一個(gè)扭轉(zhuǎn)的曲面，一個(gè)類似的馬鞍面的一個(gè)不規(guī)則曲面。經(jīng)三維建模分析，美的總部大廈的外立面是一個(gè)有規(guī)律可以追尋，按一定特點(diǎn)在變化的曲面。我們做這個(gè)數(shù)據(jù)分析的出發(fā)點(diǎn)是以下這三點(diǎn)：

1、確定幕墻設(shè)計(jì)做法及方向，為完成大廈設(shè)計(jì)和施工提供完整的理論保障；

2、為幕墻節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支持，如尺寸的配合，插接位置的設(shè)計(jì)等等；

3、優(yōu)化單元板塊的編號，使得單元板塊的種類趨于統(tǒng)一，以方便工廠加工和現(xiàn)場掛裝。

本次數(shù)據(jù)分析涵蓋了本大廈A、B、C、D四個(gè)區(qū)所有的幕墻系統(tǒng)，根據(jù)幕墻板塊的難易程度和扭轉(zhuǎn)情況我們選擇了最難的和最有代表性的區(qū)域進(jìn)行分析。解決了這些部分幕墻的設(shè)計(jì)及施工問題，其他的部分的問題就迎刃而解了。考慮到B區(qū)幕墻面積最大，樓最高，而且兩個(gè)裙房的轉(zhuǎn)角也存在較大的高斯曲率，我們重點(diǎn)分析和拆分了這兩個(gè)部分的幕墻板塊。因?yàn)檫@兩個(gè)部分分析過程類似，這里我們只概要的說明一下主塔樓的板塊分析。

一、主塔樓板塊翹高分析

主塔樓的板塊可以大致分為這樣的三個(gè)區(qū)域，一個(gè)是平板區(qū)域：所有的幕墻板塊都是四點(diǎn)共面的平面板塊。第二個(gè)為強(qiáng)扭轉(zhuǎn)的區(qū)域：高斯曲率大，扭曲嚴(yán)重，想實(shí)現(xiàn)四邊形板塊，難度較大。第三個(gè)是弱扭轉(zhuǎn)的區(qū)域：外觀感覺高斯曲率較低，能實(shí)現(xiàn)四邊形板塊。區(qū)域劃分具體如圖2所示。

圖2、主塔樓幕墻板塊分區(qū)圖

（一）平板區(qū)域

首先來描述一下第一個(gè)區(qū)域。這個(gè)區(qū)域的幕墻板塊都是平行四邊形的，層高相同的板塊是相同的板塊（除去轉(zhuǎn)角和收邊的板塊），空間關(guān)系簡單，做法標(biāo)準(zhǔn)。是主塔樓里面最容易實(shí)現(xiàn)的部分。

（二）強(qiáng)扭轉(zhuǎn)區(qū)域

第二個(gè)區(qū)域是強(qiáng)扭轉(zhuǎn)區(qū)域。區(qū)域內(nèi)的板塊的四點(diǎn)不共面，存在一定的扭轉(zhuǎn)問題。我們對這部分的幕墻板塊進(jìn)行了一個(gè)較詳細(xì)的分析，求出了這部分所有幕墻板塊的其中一點(diǎn)到另外三點(diǎn)形成的平面的距離。一個(gè)四點(diǎn)不共面的幕墻板塊共有四個(gè)距離，其中最大的那一個(gè)為翹高。

通過計(jì)算機(jī)的輔助，進(jìn)行三維放線測量，求出各個(gè)板塊的翹高值，按照范圍進(jìn)行劃分，得到如下圖3所示：

從以上的數(shù)據(jù)看來，這部分幕墻板塊翹高超過100mm 的為174塊，占到了這個(gè)區(qū)域板塊的85%。這個(gè)部分的幕墻若是采用四邊形板塊就無法貼近理論曲面，所以我司采用三角形板塊的分塊方法。把一個(gè)四邊形板塊分割成兩個(gè)有夾角的三角形。從而貼近理論的曲面。

（三）弱扭轉(zhuǎn)區(qū)域

經(jīng)過三維放線測量，我們發(fā)現(xiàn)這個(gè)區(qū)域板塊的翹高在20mm和40mm之間這個(gè)范圍的幕墻板塊最多，占到了這個(gè)區(qū)域總板塊數(shù)的28%。只有3個(gè)板塊的翹高超過了100mm，幕墻板塊翹高最大為103.6mm。如圖4所示。

通過這張圖，我們能發(fā)現(xiàn)：其實(shí)如果層高一致的話，幕墻板塊的翹高分布應(yīng)該是類似同心橢圓?？紤]到這部分幕墻板塊的翹高不大，可以通過四邊形板塊的做法來貼近理論曲面。

二、主塔樓弱扭轉(zhuǎn)區(qū)域平面板塊做法

對于單元式幕墻來說，幕墻板塊是個(gè)平面插接的板塊。要形成扭曲面的效果，在這里我們采用很多工程都用過的臺階錯(cuò)位法。這種方法首先把曲面劃分從一定大小四邊形的微分單元，對于有大小的扭曲面上的微分單元來說，四個(gè)點(diǎn)是不共面的。我們把微分單元三個(gè)角點(diǎn)形成的平面延伸，然后第四個(gè)點(diǎn)投影到平面上。形成如右圖所示的效果。我們主要采取以下的方法來實(shí)現(xiàn)板塊的做法和進(jìn)行板塊的優(yōu)化：

（一）臺階的位置

美的總部大廈是有600x600大裝飾條，強(qiáng)調(diào)豎向效果的一個(gè)建筑。我們把上面提到的臺階最大的位置藏身于裝飾條中，把第四個(gè)點(diǎn)也消化在裝飾條中間。盡量的讓臺階小和第四點(diǎn)距離小，讓后面形成的平面板塊更加趨近于理論曲面；

（二）調(diào)整板塊的寬度

首先，這個(gè)區(qū)域中的幕墻板塊翹高的大小與板塊本身的大小有關(guān)系，幕墻板塊的寬度一定的條件下，高度越高，翹高越大。同樣，高度一定的情況下，幕墻板塊的寬度越大，翹高越大?？刂瓢鍓K的寬度與高度是控制翹高的因數(shù)之一?，F(xiàn)在這個(gè)部分的板塊高度是按照層高來進(jìn)行劃分的，單元式幕墻的安裝工藝和方法不允許把幕墻板塊的高度進(jìn)行修高，只能是寬度方向了。在兩個(gè)600mm×600mm的裝飾條之間是有一條隱框的玻璃縫的，我們現(xiàn)在利用這條縫，把這樣的一個(gè)3.0m寬的板塊分格成兩個(gè)1.5m的板塊。進(jìn)而可以將板塊的翹高降低到約為3.0m寬板塊的一半。

（三）改變平面確定的方法

為了把翹出理論面的點(diǎn)到理論點(diǎn)的距離變得更小，使得四邊形板塊拼成了曲面更加接近理論的曲面，我們對板塊做了如下的改進(jìn)：

保證了1.5m分格處隱框的分格還是在它的理論位置，以這條邊對邊的中點(diǎn)來確定平面。這樣一來，把單邊臺階調(diào)整為兩邊共同臺階，讓板塊所在的位置更加貼近與理論所在的位置。得出感覺如下圖6的板塊拼接。使得建筑外表面有更加完美的曲面感覺。

經(jīng)過以上的優(yōu)化和調(diào)整后，幕墻的板塊最大偏離理論點(diǎn)的距離已經(jīng)降到27mm。這個(gè)偏差的距離分布比較均勻。我們把這個(gè)區(qū)域所有的幕墻板塊偏離理論點(diǎn)的距離的范圍按不同的顏色表達(dá)出來，如圖7所示。通過這張圖，我們能發(fā)現(xiàn)：其實(shí)如果層高一致的話，幕墻板塊的偏離理論點(diǎn)的距離分布應(yīng)該是類似同心橢圓，一圈一圈的。外圍的翹高最小，越到中心偏離理論點(diǎn)的距離越大。

三、幕墻板塊的合并

對于主塔樓的弱扭轉(zhuǎn)區(qū)域來說，每層26個(gè)板塊，共有34層，計(jì)884個(gè)幕墻板塊。型材尺寸不一，玻璃面板的尺寸不一，板塊也是不一樣的。這將給加工和施工帶來極大的不便。我們必須要去合并其中的一部分板塊。我們對幕墻板塊進(jìn)行部分合并，方便了加工和施工，保證了工程的施工質(zhì)量、精度和進(jìn)度。

相同的一個(gè)平面四邊形的板塊，它的邊長必然相同，內(nèi)角也相同。實(shí)際操作來說，控制角度比較難，我們把內(nèi)角的關(guān)系等換成對角線的關(guān)系。通過設(shè)計(jì)單元式的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)可以知道：板塊邊長在±7.5mm內(nèi)，對角線長度在±10.0mm內(nèi)所有幕墻板塊都能在節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行調(diào)整和消化。我們在上步的分析成果上，分析每個(gè)板塊的邊長和對角線，進(jìn)而對幕墻板塊進(jìn)行合并。

分析結(jié)束后，我們把4m層高的的所有板塊（共計(jì)702塊）合并成了如下圖8所示的15種板塊

四、總結(jié)

經(jīng)過預(yù)先的三維建模分析，可較簡潔的發(fā)現(xiàn)工程幕墻形式的某方面特點(diǎn)及規(guī)律，能夠準(zhǔn)確的確定幕墻設(shè)計(jì)做法及方向，為完成工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和施工提供完整的理論保障；可更精確的提供大部分的數(shù)據(jù)支持，減少幕墻板塊的種類以便于加工。以往的高層和超高層建筑大都符合單元式幕墻的使用條件，一般都是較大的體積和較為規(guī)整的立面。但人們總向往能夠得到與眾不同的東西，所以像鳥巢、央視大樓這一類造型奇特的建筑便應(yīng)運(yùn)而生了。這對我們來說，意味著市場正在形成一個(gè)新的需求，有必要進(jìn)行這一領(lǐng)域的技術(shù)探索和研究。此次通過美的大廈幕墻板塊的分析，強(qiáng)化了對于特殊扭轉(zhuǎn)曲面幕墻工程的設(shè)計(jì)、施工經(jīng)驗(yàn)，必將更容易的適應(yīng)幕墻行業(yè)未來的發(fā)展方向及建筑行業(yè)的全新需求。