探討U形玻璃在立面幕墻及異形曲面采光頂工程上的應用

許德明

摘 要 隨著建筑科技的迅速發(fā)展，新型的建筑材料為特殊的建筑造型提供了技術支撐，U形玻璃以其特殊的構造可以用于立面建筑幕墻，通過不同材料的配合及其特有的截面形式也能構造異形的直紋曲面造型的采光頂。

關鍵詞 U形玻璃；直紋雙曲面；緯向主龍骨；玻璃防爆膜；擋雪板

1 建筑U形玻璃在我國的應用情況

建筑作為人類生活、生產、工作的重要場所與人類活動息息相關。隨著建筑科技的發(fā)展，建筑除了最初的遮風擋雨的基本功能外，設計師不斷賦予了更多的功能含義，諸如特殊建筑的專屬功能、人文歷史風情、地域特色?，F(xiàn)代建筑科技的不斷發(fā)展給設計師的突破傳統(tǒng)設計理念的遐想提供了有力的支撐。許多新材料被應用到建筑領域，新穎的建筑造型不斷涌現(xiàn)。

U形玻璃就是近幾年在國內為眾多建筑師所推崇的一種新型材料。U形玻璃作為一種新型的建筑元素被廣泛應用于博物館、美術藝術館、劇院、體育館等公共建筑中，成為建筑師的新寵。

U形玻璃不同于我們熟知的平板玻璃，它是采用先壓延后成型的方法連續(xù)生產出來的，因成型截面呈U形，因此稱為U形玻璃。 U形玻璃是一種典型的透光不透視的材料，可以滿足建筑對光照的柔和性的要求，其區(qū)別于平板玻璃的U形結構賦予了其較大的承載性能，可以無須豎向龍骨即可固定在建筑結構構件上，U形玻璃在建筑立面上應用較多，并且可以做成不同的顏色實現(xiàn)特定的藝術效果。但U形玻璃用在采光頂上的工程尚不多見，常見采光頂一般采用平板夾膠中空鋼化玻璃，異形曲面的采光頂采用平板玻璃熱彎成型方式較多；U形玻璃不能實現(xiàn)熱彎鋼化的工藝，所以U形玻璃在曲面采光頂上的應用就少之又少了。鑒于U形玻璃特殊結構形式導致不能進行熱彎鋼化工藝所限，在二次曲面的應用就需要另辟蹊徑了[1]。

2 U形玻璃在立面幕墻中的應用

2.1 U形玻璃與結構連接及橢圓平面的解決方案

天津中醫(yī)藥大學新建體育館工程建筑平面呈橢圓形，首層為明框玻璃幕墻及石材幕墻，2-4層為U形玻璃幕墻。立面2-4層采用260×70×8mm截面尺寸的U形玻璃幕墻雙排對翼的形式進行安裝。內外兩排玻璃間采用H形硅橡膠條進行限位，保證在水平荷載作用下U形玻璃間為柔性接觸，內外排玻璃共同承受荷載作用下的撓度變形。左右兩塊U形玻璃同樣以并列的H形硅橡膠條隔開，在內外拼接縫處打密封膠連接。這種結構形式能保證地震作用下幕墻平面內變形時兩塊玻璃之間為柔性連接而避免相互擠壓而破碎。

U形玻璃是安裝在主體結構梁處的鋼骨架上，采用落地式連接方式。U形玻璃底部支撐面為3mm厚L形鍍鋅鋼板，立面折邊為25mm，U形玻璃嵌入20mm，L形鋼板橫邊比玻璃寬出25mm。玻璃安裝前在L形鋼板上粘貼5mm厚的橡膠緩沖墊片，立面與玻璃接觸面上粘貼8mm厚單面貼，內側U形玻璃由外向內推到單面貼位置，H形硅橡膠條開口稍窄一側卡到玻璃的兩邊肋上，將U形玻璃的底端和上端的PVC定位件安裝到鋼板上以控制內外和左右U形玻璃的位移；室外側的U形玻璃對照內側玻璃位置推到H形硅橡膠條開口稍寬側槽口內至底端和上端的PVC定位件的定位面；U形玻璃室外側用粘貼有8mm厚的單面貼的鋼件固定在底部鋼板上；幕墻玻璃每隔4塊中國紅彩釉U形玻璃設置1塊透明玻璃，每個柱跨內的U形玻璃自左至右逐一安裝完成后，再用層間裝飾鋁板固定在鋼架上加以覆蓋，玻璃拼縫中打密封膠處理。

由于建筑平面為橢圓形，安裝在建筑外圍的U形玻璃就是橢圓弧上的數(shù)段短弧線，U形玻璃內外層面板的厚度和為155mm，兩層玻璃近似的位于半徑不同的同心圓上；橢圓平面按照近似圓弧分成4段，半徑最小處為38m，半徑最大處為62m，內外層玻璃所在的分格線上的弦長僅差1mm左右，因內外U形玻璃的規(guī)格一致，內外分格的弦長差由膠縫來補償。

2.2 U形玻璃幕墻中窗洞口的解決方案

因建筑功能需求，U形玻璃立面幕墻上設置有通風百葉窗和外平開窗，導致位于窗口位置的U形玻璃不能按原有方案進行安裝，這是立面U形玻璃幕墻需要處理的一個典型問題。本工程采用“目”字形過渡方式解決窗口切斷U形玻璃的問題；即在窗口左右臨近的U形玻璃位置自下而上設置兩個鋼管立柱，兩支立柱均固定在層間的結構梁上。依據(jù)窗口的高度設置兩道鋼管橫梁，橫梁兩端焊接在通長的鋼管立柱的側面。由鋼立柱和橫梁形成的“目”字形骨架中間的“口”字形為窗口的上下骨架，同時也作為窗口上下U形玻璃端部固定的支架。窗口上下的U形玻璃位于最左和最右的玻璃單元將“目”字形骨架的立柱包在內外玻璃形成的空腔中；隱藏在U形玻璃空腔中的鋼管立柱采用中國紅色氟碳噴涂處理，淡化了與其他部位U形玻璃在色彩上的差異。

為了提高U形玻璃的安全性，玻璃采用超白鋼化U形玻璃，部分采用超白鋼化中國紅彩釉玻璃；超白玻璃因含有的雜質較少，其自爆率控制的較低；超白玻璃的可見光透射比在92%以上，而普通平板玻璃的可見光透射率為89%，超白玻璃的透明度要好得多，也滿足了建筑對采光的特殊要求；同時鋼化玻璃的強度是非鋼化玻璃的2～3倍，具有更優(yōu)越的承載能力，可以滿足高度為6.3m的剛度和強度計算要求[2]。

3 U形玻璃在異形雙曲面采光頂工程中的應用

3.1 直紋曲面采光頂中U形玻璃截面特點的利用

工程東西兩側二層部位外圍是觀眾休息廳兼做過廊，地面至頂部為共享空間，頂部為U形玻璃采光頂。該處采光頂整體造型呈直紋二次曲面形狀，這對于不能熱彎的U形玻璃是一個極大的挑戰(zhàn)。

經過幾番設計優(yōu)化采用三維軟件建模分析，確定將 U形玻璃看作單線元素，每相鄰兩個U形玻璃間采用漸變方式排列，即高度方向上前后高度差不一致。將大單元幕墻劃分多個有限元形式實現(xiàn)曲面過度。工程選用260×70×8mm截面尺寸的U形玻璃，在曲率變化較大的單元部位相鄰兩塊玻璃的前端高差為55mm，后端高差為20mm；這種高度差變化如果采用平板玻璃過度是不能實現(xiàn)的，除非平板玻璃進行熱彎處理。工程中選擇的U形玻璃的邊肋高度為70mm，在滿足高度差變化的前提下左右兩塊玻璃仍有不小于15mm的搭接量，玻璃間打膠能夠滿足防水的功能要求。

3.2 大跨度U形玻璃荷載超標的解決方案

因U形玻璃采光頂?shù)目缍冗_到8m之大，經計算采用兩端固定方式玻璃的強度和剛度不能滿足荷載的要求。方案采用五點四跨的結構形式將相鄰支點間的距離縮短到2m左右，在主體結構的相鄰徑向φ300×8鋼管側面加設緯向主龍骨150×300×8矩形鋼管，緯向主龍骨間距2m左右；在緯向主龍骨上按空間法向線定位焊接緯向次龍骨50×100×4矩形鋼管，緯向主龍骨和次龍骨間以50×100×4矩形鋼管作為支撐結構，支撐點間距為2m左右。通過支撐管的高度漸變來實現(xiàn)龍骨的直紋雙曲面過度。

3.3 U形玻璃結構安全解決方案

上述緯向次龍骨安裝完成后，在緯向次龍骨上安裝反扣的U形鋁件。將每個U形玻璃單元5個支撐點按雙曲面單件直紋空間定位后采用螺釘固定于緯向次龍骨上。相鄰U形鋁件高度差自然過渡呈階梯狀分布。每個建筑軸跨區(qū)間U形鋁件安裝完成后，在U形倒扣鋁件中間平行于緯向龍骨方向粘貼10mm厚的雙面貼，將開口向上的U形玻璃臨時固定粘接在雙面貼上，在雙面貼上下與U形玻璃間形成的凹槽中以專用的打膠設備注入結構膠，結構膠將U形玻璃和氧化鋁槽牢牢地粘接在一起，結構膠完全固化后可以承受玻璃的重力、斜向分力以及U形玻璃外的風、雨、雪荷載[3]。

不同于立面U形玻璃幕墻的是采光頂雙排U形玻璃下層單元在U形玻璃內側粘接有高強度的玻璃防爆膜，可以防止玻璃在外力作用下或自爆引起的突然墜落。粘接有防爆膜的U形玻璃在自爆后鋼化玻璃的破碎顆粒會粘接在防爆膜上不致落地，待人員發(fā)現(xiàn)后及時通知專業(yè)技術人員清理維修。在安裝方式上， U形玻璃適應采光頂?shù)脑煨筒捎靡碓诮涌p處成對排列的安裝方式。采光頂下層開口向上的U形玻璃安裝完成后，緯向排水方向較低一側的肋邊上扣上U形硅橡膠條；上層開口向下的U形玻璃緯向排水方向較高的一側肋邊上套上U形透明硅橡膠條并與其對應的下層U形玻璃錯位對扣，錯位間隙為28mm，開口側向上的錯位縫隙中加入橡膠定位墊塊，以保證相鄰玻璃間為軟連接避免U形玻璃在外力荷載作用下剛性擠壓而導致玻璃破裂。上層及下層左右相鄰的U玻之間的拼縫填充柔性的聚乙烯泡沫棒，并在泡沫棒外側注入結構膠密封。

U形玻璃的兩端頭以鋼件墊柔性墊塊壓接在龍骨上，外側覆以裝飾鋁板。本工程采光頂U形玻璃上下兩層之間無有效連接和約束。U形玻璃最大長度為8m，在室外負風壓作用下，上層U形玻璃跨中撓度變形較大，故在U形玻璃上方與緯向龍骨對應位置加設了3道壓頂50×100×4矩形鋼管，鋼管底部設10mm厚柔性墊塊與每塊U形玻璃錯臺角邊肋壓實；頂壓鋼管間距約2mm可以有效控制上層U形玻璃的撓度變形，保證了采光頂?shù)陌踩阅?。因U形玻璃是錯臺形式與頂層鋼管間的三角形空洞能夠滿足雨水通過，在冬季壓頂鋼管可以作為擋雪板防止斜面采光頂上的積雪大面積下滑。

采光頂最下端收邊以3mm鋁板封裝，因U形玻璃是錯臺安裝，要保證所有端面均被遮擋起來才能達到美觀要求；俯視錯臺玻璃在3mm鋁板交接處會看到有多個鋁板三角形外露面，該處會影響雨水的排放，方案要求各三角形部位開φ20的排水孔以防雨季存水。

在國內建筑中，作為新型的建筑材料的U形玻璃與普通平板玻璃比較可以實現(xiàn)特定的建筑效果。雖然不能進行熱彎工藝處理，但在異形曲面造型中可以利用雙邊肋的截面特點在構造方式上進行處理，實現(xiàn)建筑師的設計理念。不過設計中應特別注意U形玻璃在與各種材料接觸位置采用柔性連接并留有足夠的變形間隙；在采光頂工程應用中應考慮有效的防自爆墜落措施。

本工程為2017年全運會籃球比賽主賽場，并榮獲2017年天津市建設工程“金獎海河杯”獎，如今工程竣工已一年有余，經過四季變化、風雨考驗安然無恙，幕墻各項功能滿足使用要求。本工程U形玻璃實現(xiàn)了直紋雙曲面造型的建筑效果，成為U形玻璃在曲面造型建筑中的一個成功案例。

參考文獻

[1] JC/T867-2000.建筑用U形玻璃[S].北京：中國標準出版社，2000.

[2] 羅憶，張芹，劉忠偉.玻璃幕墻設計與施工（精）[M].北京：建筑工業(yè)出版社，2006：107.

[3] 李曉剛.U形玻璃組合節(jié)能幕墻設計及應用[C].二〇〇八年全國鋁門窗幕墻行業(yè)年會.二〇〇八年全國鋁門窗幕墻行業(yè)年會論文集.廣州：中國建筑金屬結構協(xié)會，2009：188-194.