造型鋁板在幕墻應(yīng)用中的設(shè)計(jì)要點(diǎn)解析

文／車亮 北京中鐵裝飾工程有限公司 北京 100041

引言：

當(dāng)代建筑中，幕墻體系是建筑外墻裝飾的一大組成部分，建筑幕墻的面材主要為玻璃、鋁板、石材，其中玻璃和石材為脆性材料，不方便進(jìn)行異型設(shè)計(jì)，而鋁板作為金屬面材，因其方便加工，質(zhì)感優(yōu)越，因此絕大部分造型幕墻均采用鋁板作為實(shí)現(xiàn)手段。

玻璃幕墻在南方需要做大量的遮陽(yáng)設(shè)計(jì)，鋁板的方便加工和可塑性的特性，使其成為了絕佳的選擇。

鋁板在幕墻設(shè)計(jì)中，不同的設(shè)計(jì)思路，會(huì)極大地影響鋁板造型的實(shí)現(xiàn)，且經(jīng)濟(jì)性會(huì)有很大的區(qū)別。

1、廬江西四邊形遮陽(yáng)鋁板

廬江西站，位于中國(guó)安徽省合肥市廬江縣境內(nèi)，是中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司管轄的鐵路車站。該車站亮點(diǎn)設(shè)計(jì)為外露平行四邊形造型鋁板（見圖1）。

圖1 廬江西站房正視圖

1.1 設(shè)計(jì)依據(jù)

1.1.1 基本參數(shù)

遮陽(yáng)板的尺寸為2000mm×3000mm，工程所在地要求基本風(fēng)壓按0.3kn/m2考慮，地面粗糙度為B類，遮陽(yáng)板最高處為16.86m。

1.2 設(shè)計(jì)思路

如按照常規(guī)思路設(shè)計(jì)，則此遮陽(yáng)板需要從玻璃幕墻上做挑出鋼板，在鋼板上連接鋁板安裝龍骨，龍骨上安裝遮陽(yáng)鋁板。為了遮擋鋁板龍骨，還需要靠近玻璃位置在安裝一層鋁板，形成玻璃→鋁板→鋁板龍骨→面層鋁板的構(gòu)造。（如下圖2）

圖2 原方案節(jié)點(diǎn)做法

此方案會(huì)導(dǎo)致內(nèi)側(cè)鋁板無法安裝，連接挑板受力不利，多兩層鋼龍骨，造成經(jīng)濟(jì)、安全、施工工藝等多方面的困難和問題，為了解決上述問題，需要改變思路。

建筑遮陽(yáng)板外形為規(guī)則的菱形分格造型，4條分格線交于同一點(diǎn)，如用常規(guī)思路設(shè)計(jì)，必然導(dǎo)致連接復(fù)雜，采用點(diǎn)式幕墻的設(shè)計(jì)思路將外層遮陽(yáng)鋁板做成小單元的體系，在每個(gè)交點(diǎn)位置與玻璃幕墻連接，則完美地解決了連接問題。

為了確保點(diǎn)式幕墻設(shè)計(jì)方案可行，將菱形遮陽(yáng)板部位的分格進(jìn)行統(tǒng)一劃分，由原來的2.5m和2m交替分格，統(tǒng)一為2m分格，所有遮陽(yáng)板的小單元外輪廓全部統(tǒng)一，有利于工廠統(tǒng)一加工，也有利于現(xiàn)場(chǎng)施工。由于項(xiàng)目所在地風(fēng)荷載小，造型的外輪廓尺寸統(tǒng)一為3×2m，可以在滿足體系安全可靠的前提下，有更好的經(jīng)濟(jì)性，因此點(diǎn)式幕墻設(shè)計(jì)思路成熟。

確定了設(shè)計(jì)方向之后，對(duì)遮陽(yáng)板小單元進(jìn)行受力分析，設(shè)計(jì)方案經(jīng)歷了單層面板→50mm寬折邊方案→雙層面板3個(gè)階段；經(jīng)計(jì)算分析，單層面板在風(fēng)荷載作用下，面板強(qiáng)度沒有問題，但撓度超標(biāo)，為了控制面板的撓度變形，在板的四邊增加了50mm的折邊，增加折邊之后，撓度可以滿足規(guī)范要求，制作實(shí)物樣板上墻后，發(fā)現(xiàn)從室內(nèi)看50mm的折邊方案會(huì)形成一個(gè)邊部溝槽的效果，內(nèi)部效果無法達(dá)到建筑師對(duì)建筑效果的要求，因此在綜合考慮效果和造價(jià)的因素后，決定在室內(nèi)可見范圍內(nèi)，采用雙層鋁板設(shè)計(jì)，內(nèi)部附加一層鋁板，內(nèi)外兩層鋁板之間采用焊接連接；在室內(nèi)不可見范圍，采用50mm折邊方案，可以適當(dāng)?shù)亟档凸こ淘靸r(jià)。最終的建筑效果完全達(dá)到了效果與經(jīng)濟(jì)的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。

1.2.1 面板設(shè)計(jì)

選用3mm厚的3003 H24鋁板，之所以選擇3系列鋁板，是考慮強(qiáng)度和可塑性等方面的要求，1系列鋁板強(qiáng)度低，面板偏軟，加工成型之后，鋁板本身在風(fēng)荷載作用下，應(yīng)力和變形都不能滿足設(shè)計(jì)要求，5系列鋁板強(qiáng)度大，塑性不滿足加工要求，在加工時(shí)，容易產(chǎn)生脆性裂紋。

整個(gè)遮陽(yáng)板模塊為平行四邊形，為了方便鋁板加工，將平行四邊形改為2個(gè)三角形的鋁板形體，鋁板中間的開洞四周折邊，增加鋁板本身的剛度。每6塊鋁板在尖點(diǎn)固定，類似蜂巢造型（見圖3，4）。

圖3 多鋁板連接節(jié)點(diǎn)

1.2.2 連接系統(tǒng)設(shè)計(jì)

連接體系設(shè)計(jì)，是本方案的設(shè)計(jì)重點(diǎn)之一，設(shè)計(jì)思路是從不銹鋼管到鋁合金筒再到開槽可調(diào)鋁合金柱的3個(gè)階段，最后綜合考慮效果和造價(jià)，選擇采用開槽可調(diào)鋁合金柱的方案。

鋁合金柱狀底座和鋁板角部連接的鋁合金插件通過插接固定，插件和柱狀底座之間有5mm的可伸縮變形能力，鋁合金插件與鋁板之間采用螺栓固定，鋁合金柱狀底座通過10mm厚不銹鋼挑板與玻璃幕墻立柱焊接固定。不銹鋼挑板和鋁合金柱狀底座之間采用藝術(shù)螺栓連接，確保外露面具有觀賞性（見圖5）。

圖5 圓形底座、三角角碼模圖

1.2.3 安裝工序

（1）鋼連接件定位安裝

鋼連接件選用10mm厚的316不銹鋼，鋼連接件在玻璃安裝之前與玻璃幕墻鋼骨架焊接安裝，安裝位置應(yīng)根據(jù)圓形底座位置拉通長(zhǎng)鋼絲繩準(zhǔn)確定位，且安裝偏差應(yīng)控制在±2mm以內(nèi)。

（2）三角形鋁板與三角角碼連接緊固

將加工成50mm長(zhǎng)的三角角碼，通過M6＊90mm螺栓固定在三角形盒子鋁板上，三角角碼安裝前應(yīng)進(jìn)行氟碳噴涂，顏色與鋁板一致。

（3）圓形底座與鋼連接件連接緊固

加工完成的圓形底座通過2個(gè)M12＊100mm螺栓與已安裝好的鋼連接件緊固連接，螺栓中螺帽采用裝飾性螺帽。

（4）三角形盒子鋁板安裝

將安裝有三角角碼的三角形盒子鋁板從正面推入已安裝緊固的圓形底座槽口中，安裝前應(yīng)先將限位套管套入圓形底座，鋁板進(jìn)出通過限位套管調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)完畢后安裝固定螺絲進(jìn)行緊固（見圖6）。

圖6 室內(nèi)完工效果

（5）鋁板裝飾蓋安裝

整體三角形盒子鋁板全部調(diào)整安裝完成后，安裝圓形底座端頭鋁板裝飾蓋，扣蓋通過M5＊25mm螺釘固定在圓形底座上，裝飾蓋采用5mm厚鋁板，外漏面氟碳噴涂處理，顏色與鋁板顏色一致。

（6）優(yōu)劣分析

采用多點(diǎn)連接裝配化施工的鋁板幕墻優(yōu)點(diǎn)是取消了鋼骨架，降低了鋼材用量節(jié)約成本，避免了現(xiàn)場(chǎng)焊接作業(yè)有利于安全控制。存在的劣勢(shì)是鋁單板的加工難度增加，加工成本有所增加。適合于異型開縫鋁板幕墻。

1.3 方案計(jì)算

方案確定后，則需要對(duì)方案進(jìn)行計(jì)算核對(duì)。

本工程遮陽(yáng)板所受風(fēng)荷載為1.5 KN/m2，通過有限元分析軟件進(jìn)行分析：選定面板材料為：鋁-3003-H24，厚度3mm。

建立鋁板的三維實(shí)體模型，施加邊界條件，約束三個(gè)角部的位移[1]，施加1.5Kn/㎡的風(fēng)荷載：查看鋁板應(yīng)力云圖（見圖7）。

圖7 鋁板應(yīng)力云圖

應(yīng)力云圖中以許用應(yīng)力89Mpa為紅色邊界，觀察云圖可知（見圖8），鋁板面板所受應(yīng)力基本處于61.376Mpa以下，鋁合金連接件應(yīng)力小于61MPa＜140MPa(6063-T6)[2]，滿足受力和強(qiáng)度要求。

圖8 連接件應(yīng)力云圖

1.4 結(jié)論

經(jīng)過軟件建模，有限元受力分析，該遮陽(yáng)板滿足設(shè)計(jì)要求。該方案的優(yōu)點(diǎn)是鋁板加工成一個(gè)受力的盒狀單元，鋁板自身承受風(fēng)荷載，鋁板工廠加工，可以確保加工精度，避免現(xiàn)場(chǎng)安裝鋁板的精度不足問題。

1.5 項(xiàng)目使用中遇到的問題

項(xiàng)目完工后，建筑效果和安裝質(zhì)量都達(dá)到了業(yè)主和使用部門的一致好評(píng)，但是在經(jīng)歷2年的使用之后，鋁板的污染問題，成為本工程的缺陷（見圖9）。

圖9 項(xiàng)目投入使用2年后照片

此問題的發(fā)生，主要是建筑造型的原因?qū)е碌摹Ｒ虼嗽谧鲣X板遮陽(yáng)板設(shè)計(jì)的時(shí)候，一定要規(guī)勸建筑設(shè)計(jì)，規(guī)避頂面與墻面圓弧交接的造型。

結(jié)語(yǔ)：

通過上述項(xiàng)目異形鋁板的設(shè)計(jì)過程，論文講述了異形鋁板在的設(shè)計(jì)思路。純裝飾遮陽(yáng)鋁板，在設(shè)計(jì)之初就要摒棄傳統(tǒng)鋁板設(shè)計(jì)中的龍骨、面板體系；在接到設(shè)計(jì)任務(wù)的時(shí)候，首先要統(tǒng)一幕墻分格，統(tǒng)一的分格有利于面板的統(tǒng)一設(shè)計(jì)，連接點(diǎn)的統(tǒng)一布局，模塊化加工和安裝；分格統(tǒng)一之后，要采用單元體的設(shè)計(jì)理念，強(qiáng)面板，少掛點(diǎn)，掛點(diǎn)越多，安裝越困難，應(yīng)根據(jù)具體的工程情況設(shè)計(jì)掛點(diǎn)，采用三點(diǎn)或四點(diǎn)掛接，加強(qiáng)掛點(diǎn)與面板之間的連接，確保體系的安全可靠；不同的工程總有自己的工程特色，但設(shè)計(jì)思路是相同的，掌握了設(shè)計(jì)方法，總能根據(jù)方法進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)。通過上述案例進(jìn)行論述，拋磚引玉，希望對(duì)業(yè)內(nèi)從業(yè)者提供一些設(shè)計(jì)思路。