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建筑设计对幕墙施工的影响

建筑设计
防火、隔烟设计。1, 水平和竖向,耐火带水平耐火带
楼面外缘应有耐火时间不低于1.0小时、高度不小于800mm的水平耐火带。水平耐火带的位置可在楼面标高之上、跨越楼面标高或在楼面标高之下。可以计入这个耐火带高度的部件有:不燃烧的实体裙墙;楼面边缘的钢筋混凝土梁板;由耐火材料组成的防火裙墙;防火玻璃板。

1.1竖向耐火带
室内防火隔墙(防火隔断)到楼面边缘处与幕墙相交,两侧应有耐火极限不低于1.0小时,宽度不小于1.0m的竖向耐火带。可计入这竖向耐火带宽度的部件有:实体混凝土墙或砌体墙;玻璃幕墙的防火玻璃面板;石材幕墙的天然石板、微晶玻璃面板。

1.2 层间的防烟封堵
楼层是防火单元,层间防烟封堵主要作用是在被烧坏之前,防止烟雾从下一楼层通过幕墙与主体结构之间的空隙向上一层窜入。幕墙本身由铝型材、玻璃、铝板组成,不具备耐火能力,火灾后很快被烧毁,所以只要求防烟封堵在幕墙烧毁前的0.5~1.0小时内起防烟作用。幕墙烧毁后,防烟封堵不再起作用,所以防烟封堵有1.0小时的耐火极限已经足够。
防烟封堵做法可以有许多种,并不局限于采用防火岩棉,例如还可以采用8mm或10mm的单层防火玻璃,只要达到1.0小时的防火要求,密实而不让烟雾穿过即可。防烟封堵要求每层一道,有些设计做两道也是可以的。
采用防火岩棉时,由水平托板支承,岩棉的厚度不应小于100mm。防烟封堵的岩棉要求充填密实,不让烟雾穿过。有工程理解为要防火岩棉充填整个窗下墙后的空间,这是不正确的,可能是将窗下面板后面竖向布置的玻璃棉保温材料误认为是防烟岩棉了。实际上防烟岩棉封堵是水平布置的,厚度为100mm的那一部分。面板背后竖向分布、作为保温材料的玻璃棉并不具备防火性能,不能作为防烟封堵使用,更不能据此提出“防烟岩棉必须填满整个窗下墙”的不合理要求。
即使需要在玻璃面板后面设置保温层,也要离开玻璃面板,形成较大的空间,绝不能“填充密实”,否则会因阳光透射积累热量使玻璃温度升高而开裂。

1.3 实体墙面上的防烟封堵
连续多层的实体墙面本身不透烟,因此不要求层间必须布置水平防烟封堵。不设水平的层间烟堵时,门窗洞口的边缘四周应进行防烟封堵,防止烟雾从门窗四周侧面窜入室内。封堵常采用岩棉,封堵厚度不宜小于100mm。
安全玻璃指的是钢化玻璃和夹层玻璃。现在有些地方标准和文件笼统规定“玻璃幕墙必须采用安全玻璃”,并不妥当,不分场合一刀切,使用安全玻璃并不一定安全,有些时候反而是安全隐患。正确的做法是具体情况具体分析,根据使用条件选用能最大限度保障安全的玻璃品种,也就是“玻璃幕墙选用玻璃应最大限度保证使用安全”。

2.1 容易受撞击部位的玻璃;
落地玻璃墙距地面900mm以下的部位、玻璃栏杆、玻璃楼梯板、玻璃地面板等部位,采用单片钢化玻璃并不安全。因为钢化玻璃虽然也算安全玻璃,但有自爆现象,在冲击下也容易飞散,一旦破坏就会产生人员坠落的危险。这些部位,宜采用夹层玻璃。
2.2 玻璃肋
玻璃肋是全玻幕墙和玻璃肋采光顶的主要支承结构,不应采用单片钢化玻璃。钢化玻璃即使无外力冲击,也可能自爆飞散,使整个结构突然破坏,后果严重,所以宜采用夹层玻璃或夹层钢化玻璃。
高度大于8m的全玻幕墙玻璃肋,如果夹胶有困难,不得已宁愿采用普通浮法玻璃。浮法玻璃不会自行爆裂飞散,即使开裂后仍可保留在原位,可以进行更换而不至于整片墙垮坍。
点支承玻璃幕墙中的玻璃肋,应采用夹层钢化玻璃。如果长度受钢化、夹胶工艺限制,可用不锈钢板分段接驳。

2.3 夹层
有些工程在“幕墙应采用安全玻璃”的导引下,整片墙面全部采用夹层玻璃,表面看来是安全了,其实埋下了重大安全隐患。一旦发生火灾,消防人员无法击碎玻璃,射水、救人都难以进行;室内人员无法打开玻璃逃生,势必葬身火海。因此,幕墙大面不能全部采用夹层玻璃,必须留出单片玻璃或中空玻璃的逃生口,并作出明显标记。

2.4 透光屋面的玻璃
透光屋面(采光顶)目前尚未颁布规范标准,所以采用钢化玻璃还是采用夹层玻璃还有不同的看法。
钢化玻璃破碎后成粒状,不容易发生重大伤人事故。但飞散的颗粒形同玻璃冰雹,也有可能划伤或击伤下面的人员。如果采用,高度不宜大于5m。
夹层玻璃不会飞散,但破碎下垂后有可能从支承处拔出,整体下落,形同“盖帽”,有可能产生重大伤亡事故。但相对于单片钢化玻璃自爆率颇高而言,发生夹层玻璃整体“盖帽”扣下的可能性是极其罕见的。因此目前多数工程倾向于室内侧采用夹层玻璃。为减少“盖帽”的危险,采光顶的夹层玻璃尺寸不宜过大,边长宜在2m以内;玻璃伸入框内的嵌入深度不宜小于25mm,大块玻璃还要适当加深;尽量采用浮法夹层玻璃或半钢化夹层玻璃,因为它们破裂后分成大块,裂缝延伸至板边被胶粘或边框夹持,不会明显下垂,减少整体拔出脱落的危险。

.3 石材面板的选用;

3.1 石材面板的质量)
选用石材面板不能只考虑美观、新颖和个性,首先还是要确保安全。建筑师在选用石材时,要满足以下的安全要求:

石材要有足够的强度,花岗石类型的面板(GXXXX)其弯曲强度试验平均值不应小于10N/mm2,最小值不应小于8N/mm2;大理石类型(MXXXX)和板石类型(SXXXX)的面板,其弯曲强度试验值不应小于5N/mm2,最小值不应小于4N/mm2。
2.
石材面板不应夹有软弱夹层或软弱矿脉;有层状纹理的面板,不应有粗粒、疏松、多孔的条纹。

洞石的孔洞不宜过于密集,孔洞直径不宜大于5mm。孔洞不宜过深,更不应穿透石板。

3.2 石材面板的连接方式
石板幕墙的面板,宜采用以下几类连接方式:
1.
在石板边缘开槽口,用金属挂件连接;
2.
在石材面板背后,开孔或开槽,用背栓、背槽或背卡连接;
3.
在面板的边缘打结构胶粘结铝型材附框,通过附框与横梁、立柱连结,附框应带挂钩固定石材面板。

3.3 石材面板背面的复合层
石板是脆性材料,自重也较大,为防止石材面板破碎后坠落造成人员和财产损失,可在面板背面粘贴玻璃纤维布或附加玻璃纤维加强树脂层。抗弯强度试验平均值低于8 N/mm2的石板、松散软弱和多孔的石材面板,应设背面复合层。

3.4 优先采注胶式板缝
硅酮耐候密封胶注胶式板缝可以作为第二道防线,有效地防止石材面板破碎后坠落伤人,应优先采用。强度低,质地疏松和多孔的石材面板,应采用注胶式板缝。
 
4. 结构设计的一般原则
4.1 设计使用年限
目前,主体结构的设计使用年限一般工程为50年,特殊工程为100年。幕墙是维护结构,是可以拆换的结构,所以其结构设计使用年限不低于25年。就是说,在25年内,面板、支承结构、连接部件都不应产生安全问题。
至于建筑功能和幕墙外观的使用年限,目前尚没有一致的说法。
作为结构构件的面板材料(玻璃、石材、金属板)、支承结构的铝型材和钢型材、钢连接件预埋件的有效寿命至少超过25年,可以满足设计使用年限要求。硅酮结构密封胶的实际寿命也不止25年,过去厂家出具结构胶10年保证书只是例行的商业操作。目前国内主要硅酮胶厂家已可以出具25年保证书。因此,幕墙结构设计使用年限为不小于25年是适当的,国内外幕墙工程的经验证明也是可以办得到的。
至于某些业主要求幕墙保用50年甚至更长,目前尚无确切依据。尤其是建筑外观和水密、气密功能,能否维持50年以上,没有太多的工程实践。

4.2 幕墙支承钢结构的焊接
焊接是目前钢结构最可靠的连接方式之一。万吨巨轮的船体是焊接的,可以抗击狂风巨浪;核反应堆的外壳是焊接的,可以耐受高温、高压和幅射;百层以上的高楼大厦是焊接的,可以抵抗强烈地震和台风。因此,在上采用焊接,完全是可以的。
正如本文1.1节中所述,幕墙有非常多的环节可以提供变形和位移的性能,部分环节采用焊接并不妨碍幕墙耐受大变形的能力。本文作者参与的十余项幕墙工程中,不少连接都采用焊接。深圳一些工程在强大台风吹袭下多次经受了考验;多个振动台试验表明,部分连接采焊接的幕墙,在8、9度罕遇地震作用下,位移达1/60~1/50,也无一破损。大量实践证明:不允许焊接是没有道理的。
至于现场焊接的质量,那是施工管理的问题,管理不到位,什么连接都要出问题。北京多个奥运工程、央视大厦、北京电视中心的大尺寸厚板钢梁焊接都可以保证质量,难道一般的幕墙焊接就无法保证质量?所以保证质量不是禁止焊接的理由。
因此,JGJ102-2003和修订中的JGJ133规范,删除了这一不合理规定,代之以对焊接设计和施工的相应规定。

4.3 化学锚栓的受热问题
化学锚栓主要靠化学粘结剂完成连接,而一般化学粘结剂对温度的耐受能力较弱,因此JGJ102-2003规范规定:在有可能导致化学锚栓温度升高的热影响区范围内,不应对钢连接件进行焊接作业。但是,如果不是进行连接焊缝施焊,而仅仅是对螺帽下的垫板进行间断、快速的少量定位点焊,不至于使化学锚栓温度升高过多,应该是允许的。
当确实需要进行连续焊接作业时,应采取相应散热措施,或采用耐热化学锚栓。

4.4 后加锚栓的安全度
在JGJ133-2001中未对锚栓安全度作出规定,JGJ102-2003中规定不具体。在JGJ133修订中明确列出:后加锚栓承载力设计值应按其极限承载力标准值除以材料性能分项系数后采用。锚栓材料性能分项系数,对可变荷载作用不应小于2.15;对永久荷载作用不应小于2.50。即是说,锚栓的总安全度对可变荷载作用约为3.0;对永久荷载作用大约为3.5。
 
4.5 高强硅酮结构胶的强度设计值
国家标准《建筑用硅酮结构密封胶》GB16776中,结构胶的粘结抗拉强度定为0.6N/mm2,因此在风荷载和地震作用下,其强度设计值f1取为0.2N/mm2;在永久荷载作用下,其强度设计值f2取为0.01N/mm2。
由于高性能硅酮结构胶(如白云SS922)的粘结拉伸强度可以达到1.2N/mm2,甚至1.5 N/mm2,再采用上述规定不尽合理,因此JGJ133修订中规定,高性能硅酮结构胶,f1可按其粘结拉伸强度标准值除以系数3.0后采用;f2可按其粘结拉伸强度标准值除以系数60.0后采用。
相应地,高性能胶的变位承受能力δ,取对应于其受拉应力为0.7 f1时的伸长率。
面板设计
5.1 背部连接的石材面板

5.1.1 背栓、背槽和背卡
背部连接件形式多样,经过检验和论证后可以在工程中应用。
背栓应采用扩大端部、机械嵌固的切底螺栓,直径不应小于6mm,材质应采用316不锈钢或更高性能的不锈钢。
背槽采用铝合金型材为连接件,铝合金型材的性能应符合规范要求。背卡的材质为0Cr17Ni12Mo2热处理高弹性不锈钢,厚度不小于0.5mm,长度不小35mm。

5.1.2 背部连接石材面板的计算
1.背部连接石材面板分别按四角支承面板或四点支承、周边悬挑板计算。有较大悬挑而不考虑,只考虑中间部分计算的方法不一定安全。
2.在风力或地震力作用下,连接件抗拉压计算应考虑1.25的受力不均匀系数;在自重作用下,应根据其连接构造确定承受重力荷载的连接件个数,除考虑1.25的受力不均匀系数外,重力荷载分项系数γG应取1.35。
背部连接件的承载力设计值按其承载力标准值除以系数2.15后采用,即其总安全系数约为3.0。

5.1.3 背部连接试验
背部连接件形式多样,所连结的石材种类繁多,性能各异,故应通过试验具体确定该工程设计中所采用的承载力大小。
拉拔试验破坏形式应为石材破坏或连接件破断,不允许出现连接件整体从石材面板中拔出的试验结果。
5.2 玻璃面板

5.2.1 夹层中空玻璃
JGJ102目前也正在进行修订,更明确了夹层中空玻璃的设计方法。规定:由夹层玻璃组成的中空玻璃,可首先按规定计算夹层玻璃的等效厚度te,将夹层玻璃视为等效厚度为te的单片玻璃,按中空玻璃的计算方法分配内外片的荷载,将分配后的荷载分别作用于内外片玻璃,再按夹层玻璃的计算方法在夹层玻璃内部进行二次荷载分配,最后分别计算各片单片玻璃。

5.2.2 玻璃肋设计- 
玻璃肋是全玻幕墙、透光屋面中面玻璃的支承结构,它的可靠工作关系到安全问题。
玻璃肋下不宜采用单片钢化玻璃,因为单片钢化玻璃一旦自爆飞散,后果十分严重。玻璃肋宜采用夹层玻璃,当玻璃肋跨度过大而无法采用夹层玻璃时,宁愿采用浮法玻璃,因为浮法玻璃开裂后不会立即飞散,有时间予以更换。点支承玻璃肋应采用钢化夹层玻璃,长度不够时可采用金属板连接。
玻璃肋位于室外时,宜采用夹层玻璃,并且要进行垂直于玻璃肋平面的风荷载承载力计算。

5.2.3 的胶缝厚度
全玻幕墙面板和玻璃肋之间的胶缝,当高度较大时会计算出很大的厚度,很不合理。实际上高度很大时,肋玻璃和面玻璃都吊挂在顶部,整个幕墙可以通过吊具吸收主结构的位移,无须胶缝独自承受这一位移。所以JGJ102-2003规范中第7.4.2条第3款关于胶缝厚度的规定在修订中将予以取消。

5.2.4 玻璃板后面的衬板) 
   许多玻璃幕墙采用透明玻璃,为遮挡层间梁板或保温材料,层间的玻璃后面往往设置衬板。由于阳光通过透明玻璃射入会使玻璃与衬板之间空间的温度上升,造成玻璃开裂。所以应保持衬板与玻璃间有较大的距离,或设置通风孔洞,使热量可以迅速排出。

5.2.5 横框竖隐的半隐框玻璃
横框竖隐的半隐框玻璃幕墙,当玻璃自重完全由横梁承受时,只要承托构造符合明框幕墙的规定,面板的竖向结构胶缝可以不进行自重作用下的应力计算。

5.3 开放式板缝
现在许多工程要求采用开放式板缝。开放式板缝应符合以下要求:

背部空间应防止积水,要采取措施使之能顺畅排水;

面板背部的保温材料应有防水措施,可采用金属防水衬板;

背部空间应保持通风,使水汽可以排出;
4.
支承结构和连接件应采取更有效的防腐措施;
5.石板要背面贴防坠落的玻璃纤维织物或设置粘胶层;
6.  石板宜采取六面防水处理;
7.背面衬板应能承受相应的风荷载。
复合铝板采用开放式板缝时,要防止芯材直接暴露于室外大气中。
6.支承结构设计
6.1 冷成型薄壁型钢的应用
JGJ102-2003和JGJ133-2001规范中,均未对冷成型薄壁型钢的应用作出规定,修订后的规范,将对冷成型薄壁型钢作出专门的规定。
冷成型薄壁型钢的应用,应遵照国家标准《冷弯薄壁型钢技术规范》GB50018的有关规定。且用于横梁的冷成型薄壁型钢截面有效部分的厚度不应小于2.0mm;用于立柱,不宜小于2.5mm,不应小于2.0mm。由于薄壁型钢允许受力计算时考虑部分屈曲状态,所以其板件宽厚比限制较为宽松。
  
6.2 自攻螺钉在钢结构中的应用
自攻螺钉用于铝型材受拉连接时,铝型材要在截面连接处局部加厚,连接处局部壁厚不应小于螺钉的公称直径。受拉自攻螺钉用于钢型材时,不要求局部加厚,但应校核螺纹的承载能力,必要时可采用细牙螺纹。

6.3 立柱的上、下柱连接 

6.3.1 一般楼层上、下柱连接
JGJ133-2001中关于上、下柱连接闭口截面应采取400mm芯柱连接的规定是针对铝型材立柱而言的。因为该规范于1998~2000年期间编制,当时幕墙绝大部分都是采用闭口截面铝型材,基本上不用钢型材。铝型材采用高精级和超高精级,可以做到紧密滑动配合。
2001年以后,钢型材在幕墙中应用越来越多,钢型材尺寸偏差大,闭口方钢管内置方钢管芯柱难以做到滑动紧密配合,因此JGJ102-2003改为可用芯柱连接。可用芯柱,也就意味着不一定采用芯柱。修订中的JGJ133规范也作了相应的修改。对于立柱,芯柱不再是唯一的连结方式,只要达到铰节点处上下柱位移一致,能承受水平剪力就可以了。

6.3.2 实体墙面上钢立柱的上、下柱连结
在实体墙面上钢立柱上、下柱之间如作为铰结,也可采用型钢、钢板连接,只要上、下柱位移一致,连接件可以承受水平剪力。至于具体连接的形式可以多种多样。在实体墙面上,支座可以加密,位置也可以灵活安排。因此也可以将横梁、立柱分段设置,左右梁间、上下柱间留15mm空隙,支座布置在空隙旁边,梁柱悬臂段很短,这时也可以留空而不加连接。留空不连接时,各梁段、柱段独立进行计算分析。

6.4 造型钢框架
许多建筑立面设置外凸假柱子或其它建筑造型,有时外凸尺寸很大,这时石材面板、金属面板的荷载要由造型钢框架承受后,再传给主体结构楼面梁板或剪力墙上。这种造型钢框架受力大,悬挑尺寸也大,所以往往由型钢焊接成框架后,每层一个构件再固定到主体结构上去。这些框架允许采用焊缝连接,不要求每一个地方都采用螺栓。

6.5 与主体钢结构连接
幕墙钢结构与主体钢结构的连接应在主体钢结构设计时提出连接要求。焊转接件,钻螺栓孔等工序,均应在钢结构加工时完成,现场不宜再主体结构梁柱上焊接其它连接件

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