竖向大线条插接型单元幕墙设计浅析

来源:2019年会论文集  作者:文林 深圳市方大建科集团有限公司  日期:2019-4-1
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    摘要: 本文对竖向大线条插接型单元幕墙进行了定义,详细介绍了其大线条的风荷载局部体型系数及体系设计,并以具体计算进行对比分析,总结了各种体系的特点,供广大幕墙工程设计人员参考。
    关键词: 竖向大线条  插接型单元幕墙  设计  定义 荷载取值  局部体型系数 体系设计 传力路径 对比分析

  1.引言

  在当代建筑行业,幕墙因其美观、时尚而深受建筑师的青睐,它赋予建筑的最大特点是将建筑美学、建筑功能、建筑节能等因素有机地统一起来,因而受到广泛的使用和推广,幕墙行业也得到了高速的发展。幕墙成就建筑之美,形态成就幕墙之美,线条是幕墙最常见的形态之一,同时也可以通过线条来增强其遮阳功能,建筑师会根据建筑的特色设置不同类型的横向或竖向装饰线条。然而,幕墙的分类有很多种,根据其安装施工方法分为单元式幕墙构件式幕墙(词条“构件式幕墙”由行业大百科提供),随着施工现场人工成本的不断攀升以及人们对于幕墙品质的要求越来越高,单元式幕墙运用越来越多,带有大线条的单元式幕墙比比皆是,需要幕墙工程设计人员对于上述幕墙的设计有一些深入的研究,本文针对竖向大线条插接型单元幕墙的设计体系进行分析和总结,供广大幕墙工程设计人员参考。

  2.定义

  本文主要介绍的是竖向大线条插接型单元幕墙设计,根据《建筑幕墙术语》(GB/T 34327-2017)3.3.1.2条以及3.3.1.2.1条内容,文中所述的竖向大线条插接型单元幕墙定义如下:由面板与支承框架在工厂制成的不小于一个楼层高度的幕墙结构基本单位,直接安装在主体结构上组合而成的框支承建筑幕墙,其单元板块之间以立柱型材相互插接的密封方式完成组合,且竖向带有大装饰线条,大装饰条外挑尺寸在100mm以上,如下图一示意。

图一 竖向大线条插接型单元幕墙

  3.荷载取值

  对于竖向大线条插接型单元幕墙而言,其立面幕墙的荷载取值依据《建筑结构荷载规范》(GB 50009-2012)相关内容即可,设计过程中无特殊之处,需要重点关注竖向大线条荷载取值。然而对于竖向大线条本身而言,其风荷载局部体型系数μsl在 《建筑结构荷载规范》(GB 50009-2012)中没有十分明确的取值,可参考广东省标准《建筑结构荷载规范》(DBJ 15-101-2014)7.4.1第5条: 对于高层建筑表面尺寸a小于1m的横向或竖向不镂空百叶条,其局部体型系数μsl'=K μsl,式中:K—系数,按表一取值,μsl—临近区域墙体体型系数。

表一 系数K

  4.体系设计

  对于竖向大线条插接型单元幕墙而言,幕墙节点本身按传统的单元幕墙设计即可,仅需要关注竖向大线条的侧向风荷载传力体系设计。对于竖向大线条的侧向风荷载传力体系常规有三种设计,第一种体系是连续或间隔均匀且密集的连接板设计,第二种顶部和底部各一连接板设计,第三种仅顶部一连接板设计,上述三种体系设计具体实施如下。

  4.1连续或间隔均匀且密集的连接板设计

  此体系设计方式通过在竖向大线条上设置连续或间隔均匀且密集的连接板,将大线条固定在单元幕墙竖向龙骨上,从而实现大线条的连接固定。其传力路径比较复杂,大线条的侧向风荷载通过各位置的连接板直接传递至单元幕墙竖向龙骨,进而单元幕墙竖向龙骨各位置均受到大线条的侧向风荷载,其承受的荷载沿单元幕墙竖向龙骨自身向其顶部及底部传递。在单元幕墙竖向龙骨顶部,传统的插接型单元幕墙设置有支座(词条“支座”由行业大百科提供),竖向大线条传递来的侧风荷载直接传递给单元幕墙挂件,由单元幕墙挂件传递给支座,再由支座传递给主体结构。在单元幕墙竖向龙骨底部,传统的插接型单元幕墙连接方式为上下横梁插接,若不采用其他特殊处理,除了摩擦力外没有其他构件(词条“构件”由行业大百科提供)能够抵抗竖向大线条传递来的侧风荷载。然而对于外挑较大的竖向线条,摩擦力无法抵抗大线条传递来的侧风荷载,因尔需要在横滑块上构造设计一个凸出构件,此凸出构件作为单元幕墙竖向龙骨底部的插芯,可与单元幕墙竖向龙骨紧密配合并在高度方向搭接(词条“搭接”由行业大百科提供)一定的深度,且左右不能位移,同时将横滑块一端与下板块的上横梁采用自攻钉连接,而不是简单的插接固定,通过上述构造设计,大线条传递来的侧风荷载在单元幕墙底部由竖向龙骨传递给横滑块,再由横滑块过渡给下板块的上横梁,并直接传递给下板块的竖向龙骨,再由下板块的竖向龙骨传递给单元幕墙挂件,由单元幕墙挂件传递给支座,再由支座传递给主体结构,从而形成稳定的受力体系。其节点构造及传力路径如图二所示,单元幕墙竖向龙骨的底部传力构造方式如图三所示。

图二 节点构造及传力路径

图三 单元幕墙竖向龙骨的底部传力构造方式

  采用此体系设计,整个单元幕墙竖向龙骨需全部承担竖向大线条的侧风荷载,其侧风荷载对于单元幕墙竖向龙骨为弱轴方向受力,受力状态不合理,对于竖向龙骨本身影响最大,此外在单元幕墙竖向龙骨的底部传力构造方式非常复杂。

  4.2顶部和底部各一连接板设计

  此体系设计方式通过在竖向大线条的顶部和底部各设置一个连接板,将大线条固定在单元幕墙竖向龙骨上,从而实现大线条的连接固定。其传力路径比连续或间隔均匀且密集的连接板设计略简单,大线条的侧向风荷载首先向其自身的顶部和底部传递,然后通过大线条顶部和底部的连接板直接传递给单元幕墙竖向龙骨。在单元幕墙竖向龙骨顶部和底部,其构造方式与连续或间隔均匀且密集的连接板设计一致,后续的传力路径也一致,本文不再赘述。其节点构造及传力路径如图四所示,单元幕墙竖向龙骨的底部传力构造方式如上图三所示。

图四 节点构造及传力路径

  采用此体系设计,单元幕墙竖向龙骨仅需在顶部和底部承担竖向大线条的侧风荷载,且主要为传导作用,竖向龙骨本身受影响不大,但其单元幕墙竖向龙骨的底部传力构造方式依然非常复杂。

  4.3仅顶部一连接板设计

  此体系设计方式通过在大线条的顶部设置一个连接板,将竖向大线条固定在单元幕墙竖向龙骨上,同时在大线条底部设置一个铝合金(词条“铝合金”由行业大百科提供)插芯,大线条底部通过(词条“铝”由行业大百科提供)合金插芯与下一层板块的大线条插接固定,从而实现大线条的连接固定。其传力路径比较简单,竖向大线条的侧向风荷载首先向其自身的顶部和底部传递,顶部由大装饰条的连接板传递至单元幕墙竖向龙骨,再传递给单元幕墙挂件,由单元幕墙挂件传递给支座,再由支座传递给主体结构。底部由大装饰条通过铝合金插芯直接传递给下一层板块的大线条,再由下一层板块的大线条通过连接板传递给下一层板块的单元幕墙竖向龙骨,再传递给下一层板块的单元幕墙挂件,由下一层板块的单元幕墙挂件传递给支座,再由支座传递给主体结构。其节点构造及传力路径如图五所示。

图五 节点构造及传力路径

  采用此体系设计,单元幕墙竖向龙骨仅需在顶部承担大线条的侧风荷载,主要为传导作用,单元幕墙竖向龙骨本身受影响不大,单元板块之间不需要传递竖向大线条的侧风荷载,单元幕墙竖向龙骨的底部不需要特殊处理,按传统单元幕墙的插接方式设计即可。

  5.对比分析

  现通过计算进行对比分析,取广东珠海市地面粗糙度C类地区工程为例,建筑高度100m高,幕墙水平分格为1500mm,层高为4200mm,根据广东省标准《建筑结构荷载规范》(DBJ 15-101-2014),立面风荷载标准值Wk1计算后取值-3.38 kN/m2,装饰条风荷载标准值Wk2计算后取值-4.61kN/m2,此处主要考虑装饰条与立柱间不同的连接方式对立柱受力的影响,在保证装饰条连接件强度满足要求的情况下,分以下三种连接体系进行考虑:

  ①第一种情况:装饰条与立柱间隔均匀且密集的连接板设计,连接板间距550mm均布;

  ②第二种情况:装饰条与立柱在顶部和底部各一连接板设计;

  ③第三种情况:装饰条与立柱在仅顶部一连接板设计,装饰条底部插芯连接。

  根据实际情况,铝立柱与装饰条整体建模计算,建立三跨模型,取中间跨结果作为幕墙立柱校核的依据。立柱按多跨简支连续梁模型计算,荷载及组合按广东省标准《建筑结构荷载规范》(DBJ 15-101-2014)设计,各种情况受力模型及SAP2000模型施加荷载如下图六所示:

图六 各种情况受力模型及SAP2000模型施加荷载示意图

  各种情况内力示意图如下图七所示:

图七 各种情况内力示意图

  各种情况杆件应力挠度对比如下表二示意:

表二 各种情况杆件应力及挠度对比表

  上述表中可以看出,采用第一种情况设计时,装饰条参与幕墙竖向龙骨整体受力,杆件组合应力值较小,但杆件侧向挠度最大,且为控制作用,杆件组合挠度值也最大。采用第三种情况设计时,其杆件侧向挠度最小,说明幕墙竖向龙骨受大线条的侧风影响最小。

  6.结语

  竖向大线条在建筑中被广泛运用,插接型单元幕墙也越来越普及,对于竖向大线条插接型单元幕墙,其体系设计有多种方式,各种体系各有特点。根据上述体系设计及计算对比分析,总结以下几点体会:

  6.1竖向大线条侧向风荷载非常大,仅仅是受风面积小而已,但设计中绝对不容忽视;

  6.2 竖向大线条侧向风荷载局部体型系数取值可参考广东省标准《建筑结构荷载规范》(DBJ 15-101-2014)取用;

  6.3竖向大线条插接型单元幕墙采用连续或间隔均匀且密集的连接板设计、顶部和底部各一连接板设计,需重点考虑单元板块之间的侧向荷载传力构件设计,不能仅仅是想当然依靠单元板块之间的摩擦力传递大线条的侧向风荷载;

  6.4竖向大线条插接型单元幕墙采用仅顶部一连接板设计时,其装饰条和幕墙竖向龙骨受力各自相对独立受力,传力路径简单直接,大线条的侧风荷载对于幕墙竖向龙骨影响最小,整个体系设计也比较合理。

  参考文献:

  [1]、《建筑幕墙术语》 GB/T 34327-2017

  [2]、《建筑结构荷载规范》 DBJ 15-101-2014

  [3]、《建筑结构荷载规范》 GB 50009-2012

  [4]、《铝合金结构设计规范》 GB 50429-2007

  [5]、《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ 102-2003

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