硅宝科技推荐您 今日精彩内容 随着建筑幕墙行业的发展，越来越多的建筑师对建筑的形体设计发挥出了无穷的想象力，有的建筑形体像秋裤，有的像裙摆，有的像大裤衩，有的像展翅飞翔的大鸟等等
这样就对建筑外围护结构、建筑幕墙设计提出了更高的要求，为了实现形形色色复杂的建筑形体而同时又能满足幕墙的功能要求及成本考虑，幕墙的材料运用及构造设计就尤为重要，本文主要介绍一种新型冷弯玻璃在不规则曲面建筑幕墙中的应用及其对应的幕墙构造体系选择
作者： 苏州金螳螂幕墙有限公司 展祎南 一 项目概况 苏州中心大鸟形屋面幕墙工程位于苏州市域CBD核心位置，大鸟形屋面共有10140块不规则曲面玻璃板块和铝合金百页板块组成，整个屋面的建筑幕墙面积35818平方米，大鸟形屋面的主体支撑结构为钢结构桁架体系
大鸟形屋面效果图片如下图图1-1、图1-2所示，屋面的面材分布图如图1-3所示
图1-1 图1-2. 图1-3 二 BIM技术分析 苏州中心大鸟形屋面幕墙工程全程运用BIM技术，运用当前最先进的三维建模下料软件Digital Projec(简称DP)对整个项目建模并进行数据分析、数据整理工作
由于整个屋面为不规则曲面，因此每个板块四个角点都不共面，若以三点确定平面的方法对屋面板块进行拟合，可以分析出每个板块角点偏离原建筑幕墙理论面位置的尺寸，即阶差
该阶差的极值及分布比例对屋面的幕墙系统构造设计方案的选择具有重要指导意义
一般情况下可以从以下几个步骤进行BIM技术分析： 1、BIM建模 1）、BIM幕墙建模依据：以业主提供大鸟钢结构线框犀牛模型为依据（该项目大鸟屋面只有钢结构定位线框模型，而没有幕墙定位模型，幕墙模型需以钢结构模型往外偏移120mm）； 2)、创建双向曲线：由于钢结构线框为折线，为了得到光滑的横纵双向风格线，将结构模型的节点沿横纵方向连接，得到两个方向的若干条曲线，如图2-1，图2-2所示
图2-1 图2-2 3）、将双向曲线拟合成光滑曲面：基于步骤二的双向曲线，分段拟合出结构中心线的光滑曲面，并以此曲面作为结构的理论控制面； 4）、 创建外部参照文件：将结构中心线及其拟合出的控制面作为外部参照，基于参照文件创建后续的幕墙模型
参照文件的作用：后期轮廓计算变形较大或者安装偏差较大时，可以将计算变形后的模型或实测的模型替换当前参照模型
基于参照模型的相关文件可以自动更新，如图2-3，图2-4所示
图2-3 图2-4 5）、基于参照文件创建幕墙：以结构中心线及其拟合出的结构面作为基础，创建幕墙板块定位模型，基于幕墙定位线框模型就可以创建板块实体模型，如图2-5所示
图2-5 图2-6 2、板块数据分析 主要是针对不规则曲面板块和理论面阶差、纵向半径、超规格板块等几方面进行分析 1）板块阶差：研究以平板拟合屋面造型时，板块阶差范围及其分布并进行分类统计整理，如图2-6，图2-7所示
图2-7 图2-8 2）板块纵向半径分布：若采用曲面玻璃及纵向使用弯弧框时（横向半径大，忽略），研究弯弧框半径分布并对数据整理、分析、汇总等，如图2-8所示
3）、超规格板块统计分析：基于板块面积参数，统计分析面积超过2.5m2板块，对超规范板块采用进行专家评审或分格调整措施，如图2-9所示
图2-9 图2-10 3、根据统计数据结合钢结构受力变形计算分析结果；进行第一次模型修正；在保证建筑外形的基础上，使更多比例弧线玻璃板块实现平板化设计，如图2-10所示
4、根据现场对施工完成并已处于静态稳定状态的大鸟钢结构进行测量放线所得关键控制点数据链，对大鸟二次模型进行最终BIM建筑模型修正，为设计和施工提供最终理论数据
5、依据最终实测定位线框及幕墙构造节点图纸，运用BIM技术对幕墙玻璃板块、铝合金骨架及相关转接件零件进行深化设计加工图、细目设计
1）、将平板玻璃的各边设置成参数，利用BIM技术从模型中直接导出各参数的数据表，提升工作效率的同时又便于数据管理，如图2-11、图2-12所示
2）、可以为每种型材加工图变量（长度及角度）标注参数标注参数，利用BIM导出参数表
可以大大减少图纸量及提高效率
图2-11 图2-12 三 ANSYS有限元分析 1、幕墙主体结构分析 ，利用Ansys计算软件对主体钢结构的变形量进行极限校核并对其最大变形进行分析，如图3-1所示
对主体钢结构进行分析主要从以下几个方面考虑 1）、支座不均匀沉降； 2）、主体钢结构桁架结构形式； 3）、地震分析、稳定性分析 4）、幕墙对主体结构变位影响的吸收能力，主要针对温度、活荷载、地震、施工偏差等因数影响 图3-1 2、幕墙胶缝的适应性 大鸟形屋面幕墙的钢结构体量较大，受主体钢结构角度位移、弧度位移以及温度等因素的共同影响，幕墙系统的密封胶胶缝会产生拉伸或者压缩变位
经过分析，幕墙系统的密封胶胶缝宽度需要承受最大的拉伸量为13.21mm，最大的压缩量为10.61mm，胶缝变化为63.21mm---39.39mm.密封胶的变位极限为-50%～100%
胶缝宽度为50mm，满足胶变位要求，如图3-2、图3-3所示
图3-2 图3-3 3、玻璃冷弯变形对幕墙玻璃板块阶差的适应性 根据设计，面材采用10mm+2.28PVB+10mm夹胶半钢化玻璃，尺寸分格Ba*Bb=2400*1750; 选取相邻两边作简支约束，剩余两边自由，在剩余两边的交点施加沿面材法向的集中荷载，面材的自重以均布荷载的形式施加于模型之上
据规范《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ102-2003，半钢化玻璃的强度设计值为fg=44MPa，对板块三点固定的前提下给板块第四点施加43.573MPa的力，玻璃面材的最大冷弯挠曲变形量为147.777mm
分析如图3-4、图3-5所示
图3-4 图3-5 根据BIM模型分析，板块最大阶差为140mm，要保证大鸟形屋面光滑外皮，玻璃板块的冷弯压缩变形量需达到140mm
玻璃板块的冷弯压缩变形量140mm<面材的最大挠曲量为147.777mm,满足设计要求
以下是现场冷弯玻璃测试模型照片，最大压缩量为130mm，如图3-6、图3-7、图3-8、图3-9所示
图3-6 图3-7 图3-8 图3-9 注：目前国内尚无大型冷弯玻璃幕墙项目，考虑到冷弯对玻璃自爆的概率影响，建议采用超白玻璃，另玻璃最大压弯量也要参考相关资料及工程的经验数据进行设计，有必要时需进行专家论证评审
四 冷弯玻璃幕墙体系选择 实现不规则曲面幕墙一般有几种方法，第一种用热弯曲面玻璃实现；第二种用平板玻璃拟合；第三种用平板玻璃冷弯实现不规则曲面效果
以下对每种体系简单分析： 1、热弯曲面玻璃 该种玻璃幕墙结构体系需要玻璃热弯，玻璃附框和铝合金型材也需要弯弧处理，如图4-1所示
图4-1 图4-2 此种玻璃幕墙体系优缺点比较：优点，能更接近于大鸟形屋面玻璃幕墙的理论完成面，无阶差，外观效果好
缺点，加工周期长，材料成本较高，材料损坏补片周期长，设计必须要借助BIM相关软件进行数据分析才能下料加工，设计难度较大，如图4-2所示
2、平板玻璃拟合 平板玻璃做法一般有两种，第一种是采用三角形法，这样会改变原有建筑效果，这种做法已经比较普遍应用在一些工程当中，这里不再赘述，第二种是采用接茬做法，通过构造设计上的一些措施以拟合实现原建筑幕墙的外饰效果，拟合后的建筑体型有接茬效果
可以采用三点定位法来拟合建筑的体型，如图4-3、图4-4、图4-5所示
图4-3 图4-4 图4-5 该体系特点是采用平板玻璃，所有的框都是直切，不需要弯弧，效果上有阶差，现场安装工作和普通框架幕墙基本一致，成本一般
通过BIM模型分析，相邻玻璃面板角度大约在174°~182°之间变化及接茬分布如图4-6、图4-7、图4-8、图4-9所示
图4-6 图4-7 图4-8 图4-9 3、平板玻璃冷弯实现建筑不规则曲面效果 平板玻璃冷弯幕墙构造体系玻璃是采用普通平板玻璃，玻璃不需要热弯处理，玻璃附框不需要弯弧处理，铝合金型材在阶差小于20mm情况下采用空间直框，如图4-10所示，在阶差大于20mm的情况下曲率大的两侧边框铝材采用弧形铝合金型材以实现玻璃的冷弯效果，如图4-11所示
图4-10 图4-11 采用此种冷弯玻璃幕墙体系最终形成的大鸟形屋面玻璃幕墙是没有阶差的，能很好的实现建筑的外立面效果
幕墙的构造设计如图4-12所示，构造编号如图4-13、图4-15、图4-16所示 图4-12 图4-13 图4-14 图4-15 五 冷弯玻璃幕墙体系原理 冷弯式玻璃幕墙系统是用于实现玻璃幕墙的曲面效果的一种措施，它是由横向龙骨和竖向龙骨组装成的龙骨骨架单元，我们这个工程基本上是菱形
龙骨单元板块的横向龙骨或竖向龙骨为弧形使得所述龙骨单元板块组成近似的空间四边形，安装于龙骨单元板块内的平板半钢化玻璃与龙骨单元板块曲面拟合，然后用玻璃附框压住玻璃，为了防止半钢化玻璃反弹我们设置了不锈钢安全扣板
该冷弯式玻璃幕墙系统实现了曲面玻璃幕墙墙面平整美观的要求，制造过程简单，制造成本低
玻璃冷弯原理就是利用平板玻璃本身具备一定弹性可弯曲的特点，让工厂加工好的平玻璃板块在工地现场安装时人工合理压弯安装就位，通过多块平板玻璃的压弯扭曲变形而达到拟合幕墙 曲面的效果
安装完成的板块内部，包括玻璃和型材都存在容许的内应力
在设计过程中，要利用BIM系统精确模拟所有板块和连接点并数据系统化，在施工时准确定位所有连接点，使得玻璃板块可以互相冷弯压接
理论分割面上的幕墙四个角点是不在同一个平面上的，为了使曲面玻璃幕墙平整，玻璃面板要和铝合金型材龙骨之间要不留空隙，在安装玻璃面板时，玻璃上的三点就位后再借用外力弯曲第四点就位，使玻璃面板与铝合金型材龙骨的弧度达到完美的曲面拟合
由于玻璃面板因曲翘会产生内应力，为了防止玻璃面板反弹，我们设置了不锈钢压件
六 冷弯玻璃幕墙体系安装流程 1、钢底座的安装，如图5-1所示； 2、铝合金型材龙骨安并调节到位，如图5-2、图5-3所示； 3、铝合金型材龙骨安装完成后安装型材扣板，如图5-4、图5-5所示； 4、安装胶条（胶条也可穿入型材龙骨和型材一起安装），如图5-6所示； 5、安装玻璃板块，如图5-7、图5-8所示； 6、借用不锈钢板或辅助构件将玻璃压弯到安装位置，然后固定玻璃附框压板，如图5-9所示； 7、安装胶条、泡沫棒和其相关辅助构件，如图5-10所示； 8、打胶前先拆掉不锈钢压板进行打胶处理，待打完胶后再连接十字缝不锈钢压板，如图5-11、图5-12所示
图5-1 图5-2 图5-3 图5-4 图5-5 图5-6 图5-7 图5-8 图5-9 图5-10 图5-11 图5-12 七 结语 随着我国经济的快速增长，环境污染问题也在逐渐加剧，这就要求国家在加快产业结构调整的同时要考虑能源的节约利用及减少污染的排放
对于我们建筑幕墙设计师而言，我们更应响应国家“十一五”号召，在幕墙的设计过程中不但要考虑材料的使用、能源的利用而且要考虑建筑幕墙的LEED认证要求及国家绿色建筑星级认证要求，在保证理论上的节能减排的同时也要在实践中落实，为国家的“国内生产总值能耗降低20%左右、主要污染物排放总量减少10%”目标做出应有的贡献
作者简介： 展祎南 苏州金螳螂幕墙有限公司设计投标分院，任设计投标分院院长
本文刊发在《幕墙设计》杂志2015年第六期 点击下方封面图片查看该期内容
