1、超高层建筑直纹渐变扭曲单元式幕墙的设计 高树鹏 汕头大学医学院附属肿瘤医院 摘 要： 天津万通中心的东、西立面为直纹渐变扭曲面, 单元式玻璃幕墙与竖向铝单板装饰肋相间布置, 从而对建筑幕墙的深化设计提出了难题。为此, 通过设计可独立定位插接的节点、调整矩形单元式幕墙板块之间的错位拼接阶差, 达到直纹渐变扭曲面的效果, 节约了投资成本;竖向铝单板装饰肋则采用单元形式, 通过上、下挂件与支座连接, 体现了装配式技术的优势;通过 BIM 技术, 实现参数化设计与虚拟装配, 降低了项目技术风险, 使建筑师的设计意图得到完美体现。总结的经验可为类似工程借鉴。关键词： 单元式幕墙; 直纹渐变扭曲; 独立定
2、位插接; BIM 技术; 参数化设计; 虚拟装配; 作者简介：高树鹏 (1970) , 男, 本科, 高级工程师。通信地址:广东省汕头市饶平路 7 号 (515031) 。收稿日期：2017-05-26Design of Unit Curtain Wall with Vertical Stripes and Gradient Twist in Super High-Rise BuildingGAO Shupeng Cancer Hospital of Shantou University Medical College; Received： 2017-05-261 工程概况天津万通中心总建筑面
3、积 93 556 m, 建筑高度 184.2 m, 塔楼办公楼 34 层, 裙房 3 层 (图 1) 。本建筑形态独特, 挺拔高耸, 建筑的东、西侧外立面为直纹渐变扭曲面, 南、北立面竖直收分, 裙楼是由多个斜直面组成的复杂多面体造型, 建成之后将成为天津写字楼的标杆和标志性建筑。图 1 天津万通中心效果图 下载原图2 单元式幕墙的设计2.1 直纹渐变扭曲面概况直纹渐变扭曲面位于建筑东、西侧外立面 1 层到顶层部位, 整个建筑平面自下向上产生渐变 (图 2) , 立面在视觉上产生扭转效果。为满足建筑节能的需要, 体现现代建筑艺术的美学效果, 在每层平面内单元式玻璃幕墙与竖向铝单板装饰肋相间布置
4、。图 2 1 层与顶层平面布置与对比 下载原图2.2 直纹渐变扭曲单元式玻璃幕墙的节点设计在工程实践中, 复杂空间的曲面通常通过平面板块模拟来实现。单元式玻璃幕墙是靠相邻单元板块插接组成, 对于不规则的复杂空间曲面采用三角形平面板块模拟是最能实现的, 但三角形平面板块模拟曲面的做法造成玻璃幕墙视觉效果差, 破坏视角的通透性, 且过多倾斜的线条在视觉上显得比较杂乱1, 因此较少在立面玻璃幕墙中应用。复杂空间曲面很难划分出四点共面的矩形板块, 而且相邻矩形板块的边缘不能彼此完全重合, 相邻单元板块间无法相互插接形成防水密封2。如果采用四边形平面板块来模拟复杂空间, 则平面单元板块的规格将特别多,
5、不利于工程的加工和现场施工的管理。解决单元板块间相互插接的问题并形成防水密封, 是应用平面矩形板块实现直纹渐变扭曲单元式玻璃幕墙立面的关键。天津万通中心单元式玻璃幕墙采用矩形单元板块, 通过设计可独立定位单元插接的节点, 调整上、下单元板块之间在 15 mm 范围内错位拼接的阶差与微小的角度 (图 3) , 消除平面单元板块拟合曲面的阶差, 达到理想的直纹渐变扭曲面的效果3。图 3 单元式玻璃幕墙竖剖节点 下载原图该节点的设计方法不仅可调整单元板块上、下一定的扭转角度, 使上、下单元板块间相互插接并形成防水密封, 而且大大减少了单元板块的规格, 突破了复杂立面建筑只能使用构件式幕墙的技术瓶颈。
6、矩形平面单元板块拟合曲面简化的设计方法, 降低了铝型材、玻璃的加工难度, 减少了工程造价, 节约了投资成本和加工周期, 为单元板块的加工和施工现场的有序管理创造了条件4。可独立定位单元插接的节点构造简单, 单元式玻璃幕墙矩形板块侧面安装空心胶条, 通过空心胶条对碰、压缩变形即实现了单元板块间的防水密封。单元式玻璃幕墙玻璃面板采用竖向大板块设计, 标准单元板块规格为 1 500 mm4 200 mm。可透光部位选用 8 mm (LOW-E) +12A+8 mm 中空双钢化玻璃, 层间非透光部位玻璃面板后设置厚 2.5 mm 氟碳喷涂铝合金板、厚 1.5 mm 镀锌钢板及厚 50 mm 保温岩棉,
7、 以满足玻璃幕墙热工性能的要求。单元式玻璃幕墙挂点采用背挂连接, 预埋件采用槽式埋件, 预埋件顶部采用平埋形式 (图 4) 。单元挂座采用“T”形设计, 钢地台码与槽式预埋件采用 M16“T”形螺栓连接, 地台码开水平长孔实现进出调节, “T”形转接件插进地台码槽口紧密配合, 底部用 2 个 M12 螺栓与铝条托住, 实现单元板块高低方向的调节, 整个支座系统, 现场安装调节简单易行, 结构合理, 可调整性好, 转接方便, 强度高, 可有效调节建筑结构偏差。2.3 竖向单元式铝单板装饰肋的设计为遮挡太阳高度角较低时的太阳光, 起到良好的遮阳节能效果, 丰富建筑立面, 直纹渐变扭曲面采用单元式玻
8、璃幕墙与竖向铝单板装饰肋相间布置。竖向铝单板装饰肋如果按照通常做法采用构件式安装工艺, 则必须在单元式玻璃幕墙安装完成后进行构件式安装, 这必将导致现场施工技术措施的投入增加和安装周期的加长。为此, 项目将竖向铝单板装饰肋设计为单元式 (图 5) , 在工厂加工形成单元后, 直接运输到现场进行吊装。竖向单元式铝单板装饰肋通过上、下挂件与支座连接即可完成安装, 固定牢固且抗扭性能好, 施工速度快, 充分体现了装配式技术的优势, 不需要增加现场施工技术措施的投入, 且满足总体进度的要求。竖向单元式铝单板装饰肋上下之间、装饰肋与单元式玻璃幕墙板块左右之间通过相互插接形成防水密封 (图6、图 7) 。
9、图 4 直纹渐变扭曲单元式幕墙与主体结构连接 下载原图图 5 竖向单元式铝单板装饰肋 下载原图图 6 竖向单元式铝单板装饰肋横剖节点 下载原图图 7 单元式玻璃幕墙横剖节点 下载原图竖向单元式铝单板装饰肋采用密缝式设计和竖向大板块设计, 并采取上封口处理。铝板面板厚 3 mm, 表面进行氟碳喷涂处理, 标准高度为 4 200 mm。支承采用钢桁架结构, 桁架为单榀桁架, 高 4.2 m, 采取横向支承受力体系。3 应用 BIM 技术实现参数化设计与虚拟装配3.1 应用 BIM 技术实现参数化设计精度是保证直纹渐变扭曲效果的关键, 本工程通过应用 Revit Architecture、Rhino
10、 等软件进行 BIM 建模设计。根据建筑层高、直纹渐变扭曲面完成面位置、每一层平面之间的变化角度等数据, 建立曲面方程和建筑信息模型。在直纹渐变扭曲面单元式幕墙整体 BIM 成型后, 与其他相关专业 BIM 严格按照设计图纸的定位、相互关系, 在 BIM 上进行叠加、整合、碰撞检测, 根据最优定位参数的数据对模型进行修正及更新, 确保设计方案可行并使之达到最优的设计效果, 使建筑师的设计意图得到完美体现, 降低项目可能存在的技术风险。3.2 应用 BIM 技术实现虚拟装配BIM 技术在实现直纹渐变扭曲单元式玻璃幕墙的同时, 也可为后续的施工定位、构件加工安装提供准确依据。在基于 BIM 技术完
11、成直纹渐变扭曲面单元式幕墙的深化设计后, 可以对各类构件进行唯一的编码, 装配出整体建筑的直纹渐变扭曲面单元式幕墙模型;然后从 BIM 中提取数据产生提料单, 提料单中每根构件都有唯一编号, 可根据编号进行下料加工、管理材料堆放, 依据标准单元模板快速拼装出单元板块。BIM 使单元板块加工精度与现场测量控制方案相结合, 对生产加工工程中的用料进行指导, 提高了下料的准确度, 缩短了构件的加工周期。应用 BIM 技术进行直纹渐变扭曲面单元式幕墙的预装配, 可以合理地安排安装计划和顺序, 从而科学地进行现场场地的规划, 减少多工种同时作业容易发生的窝工现象。设计人员通过 BIM 向施工人员进行可视
12、化交底, 显得形象、直观, 让施工人员更为清楚地了解设计意图, 了解安装过程中的每一个细节, 提前反映施工技术难点5。4 结语造型复杂的高层建筑日益增多, BIM 技术对设计、加工、安装都是非常有效的。随着建筑幕墙行业的日趋成熟以及人们对建筑美学的更高追求, BIM 技术应用将成为主流, 也将会给建筑幕墙行业带来一次巨大的变革, 是实现工业化发展的必然选择。参考文献1梁小琼, 闭思廉.复杂空间曲面幕墙设计J.中国建筑金属结构, 2011 (5) :32-33. 2高树鹏.复杂空间双曲单元式玻璃幕墙的设计与施工J.浙江建筑, 2013, 30 (7) :41-43, 47. 3李金刚, 刘春风, 张金春.万通大厦玻璃幕墙工程 BIM 技术应用C/全国钢结构工程技术交流会, 2016. 4高树鹏.直纹渐变扭曲玻璃幕墙设计与施工J.建筑技术, 2015, 46 (1) :24-26. 5高树鹏.BIM 技术在工程项目中的应用J.中国科技信息, 2015 (6) :99-100.
