钢—铝组合构造玻璃罩玻璃幕墙的设计与施工探讨

钢—铝组合构造玻璃罩玻璃幕墙的设计与施工探讨

李峻

深圳金粤幕墙装饰工程有限公司

摘要：本文笔者结合工程案例，就如何做好钢-铝构造玻璃幕墙的设计与施工进行了探讨。希望给类似工程项目提供点参考。

关键词：玻璃罩；玻璃幕墙；钢—铝组合

一、引言

随着建筑幕墙技术的发展，幕墙被应用到越来越多的建筑当中。对于日益复杂的功能要求、高强度的结构要求，传统的铝合金结构已不能满足幕墙对骨架结构强度和刚度的要求。钢-铝组合结构，将铝合金结构表面处理的优越性与钢型材在材料强度和刚度方面的优势结合在一起，弥补了传统铝合金结构和钢结构型式的不足，有效的适用于大分格、大跨度、大风压等型式的玻璃幕墙。以下，笔者结合工程案例，进一步对钢-铝构造玻璃幕墙的设计与施工进行探讨。

二、工程实例

XX站房项目为满足旅客一体化流动形式，在站台相应入口处设置下站台检票口玻璃罩。

下站台玻璃罩有两种规格：1#玻璃罩为长22米、宽9.17米、高4.45米；2#玻璃罩为长22米、宽7.02米、高4.45米。玻璃罩顶部采光部分为（8+12A+6+1.52pvb+6）透明中空夹层玻璃和非采光部分为3mm铝板，两侧采用（8+12A+12）透明中空玻璃，入口正立面两侧为（8+12A+12）中空彩釉玻璃，四周底部外侧装饰面为波纹板收边及不锈钢防撞栏杆。

图1站台层平面图

图2玻璃罩效果图（一）

图3玻璃罩效果图（二）

三、钢—铝组合构造玻璃罩玻璃幕墙的设计理念

钢—铝组合构造玻璃幕墙相比传统幕墙，同时具有质量轻，强度大，型式灵活等特点。

在强度方面，钢—铝组合构造玻璃幕墙与传统铝合金型材幕墙的参数进行对比，铝合金弹性模量是0.7×105Mpa，强度设计值为85.5Mpa。在例如本案例中风荷载较大或荷载型式复杂的建筑上，往往不能达到幕墙的使用要求。而本案例中采用的钢材弹性模量是2.1×105Mpa，强度设计值为215Mpa，其弹性模量是铝合金的3倍，强度是铝合金的2.5倍，可以充分加强幕墙的荷载承载力。

本工程的玻璃罩主受力构件是钢框架，钢框架是由立柱300x160x10、横梁300x160x8和下横梁80x60x3矩形钢管组成，矩形钢管表面采用常温氟碳喷涂作为装饰表面。玻璃幕墙为全隐框形式，采用钢-铝组合构造，铝合金表面采用银灰色粉末喷涂处理装饰表面，最大单块中空玻璃（2200x4450）面积为9.8平方米，单片重量约合490kg；最大单块夹层中空玻璃（2377x1975）面积为4.7平方米，单片重量约合256kg。

（1）荷载的取值

本玻璃罩设计计算首先需解决玻璃罩的外荷载的取值，常规玻璃罩的外荷载在玻璃罩的外侧，本项目正好相反，外荷载在玻璃罩的内测；外荷载除需考虑当地50年一遇的风荷载、地震荷载外，还需考虑列车通过站台产生的气动荷载的组合作用，本项目的气动荷载按80kN/m2取值。

四、钢—铝组合构造玻璃罩玻璃幕墙的施工特点和难点

钢—铝组合构造玻璃幕墙使用两种原材料作为幕墙构造材料，相比传统铝合金型式幕墙，因钢型材安装过程中焊接导致的结构形变对龙骨定位的影响有所增大。同时，因为两种原材料直接接触可能发生原电池效应导致材料腐蚀，需特别注意在两种结构之间添加惰性的介质材料，避免原材料之间接触。本案例中，针对此问题提供了一个有效的解决方案：

本玻璃罩工程玻璃幕墙采用全隐框形式，中空玻璃与铝合金辅框通过结构硅酮胶粘接组合成预制玻璃板块，玻璃板块在工厂预先组合并达到结构硅酮胶的固化所需的养护周期；玻璃板块横向连接是将铝合金辅框的槽口插入铝合金框（底座）挂钩（图-4），竖向连接是采用铝合金压板将玻璃板块固定安装在铝合金框（底座）上（图-5）；铝合金框（底座）采用不锈钢沉头螺钉与钢结构矩形管连接固定。玻璃装饰面与钢结构完成面之间距离设计值为82mm，由于受力构件是钢结构，焊接过程钢结构容易产生受热变形，要确保设计值为恒值几乎是较难做到的，处理好铝合金框（底座）与钢结构间连接节点是本玻璃罩工程的关键。

本项目的铝合金框（底座）与钢结构间连接是采取薄钢板制成的八字形的固定件作为垫层来纠正因铝合金框与钢构件间的安装偏差的。八字形的固定件通过变化八字形固定件的八字脚的角度调整该“垫层”的厚度即：先在钢构件表面将八字形固定件焊接固定，使八字形固定件的突出平台校正在同一平面，八字形固定件的突出平台贴上1mm的单面胶橡胶垫作为隔离层，然后将铝合金框与八字形固定件的突出平台连接固定，每根钢立柱和钢横梁均按照以上方法安装，达到对玻璃幕墙铝合金框平面校正目的。

图4隐框玻璃幕墙纵向剖面节点详图

图5隐框玻璃幕墙横向剖面节点详图

无论是对于传统铝合金型式幕墙还是对于钢—铝组合构造玻璃幕墙，因面板板幅过大，面板荷载导致玻璃面板下沉及横梁龙骨扭转变形都是幕墙工程中常见而又急待克服的施工难题。下面结合本案例，阐述钢—铝组合构造玻璃幕墙对此常见难题的解决方案：

由于玻璃罩两侧的透明中空玻璃的最大单块中空玻璃（2200x4450）面积为9.8平方米，单片重量约合490kg，常规隐框玻璃幕墙玻璃板块的重量通过：a）以横向铝合金框上的挂钩将（图-4）玻璃板块的全部重力传递给框架横梁、通过连接横梁的连接件传递给框架立柱并通过立柱传递给主体结构的；b）以固定在离横梁两端3/4位置的角钢或铝角码承托玻璃。以上的处理方法存在共有的缺陷：玻璃板块的重力在横梁传递给立柱的过程中，横梁本身会产生扭矩而致横梁产生扭转变形，加上横梁挂钩或角钢在玻璃板块重力的作用下的自身变形，控制不当会出现玻璃板块的下沉和玻璃破损，达不到设计要求。

本项目玻璃罩的设计方案汲取了以往设计的经验、教训，克服细节处理缺陷，结合玻璃罩下方特有的不锈钢防撞栏杆，将不锈钢栏杆支架与玻璃幕墙板块的重力承托件组合成一体，采用8mm的不锈钢板材制成丁字形支架（图-6），既满足不锈钢防撞栏杆的安装，又提供玻璃板块下方两端部有足够强度的承托，同时还需要校验玻璃与支架的接触面处玻璃边缘局部受压时应力。此方法的最大优点是消除了因玻璃重力导致横梁的扭转变形，克服了超大玻璃下沉变形难题，满足玻璃罩超大规格玻璃的设计要求和安全使用功能。

图6隐框玻璃幕墙下横梁纵向剖面节点详图

钢—铝组合构造玻璃幕墙施工中的另一大构造亮点同样也是施工主要控制点。即该构造将钢材与铝材这两种建筑物的材料有机结合起来，这种组合即发挥了钢材的高强度、高弹性、造价低的优势，又发挥了铝材好的表面处理效果和高耐腐蚀性的特点，使得整个幕墙结构具有高可靠性且经济性良的特点。同时带给施工的主要问题是两种材料接缝和收口位置的处理，必须严格控制，以确保幕墙的观感效果。本案例中，铝合金框（底座）与钢结构矩形管间空隙缝处理就是这样一个需要重点控制的施工节点：

隐框玻璃幕墙的铝合金框（底座）与钢结构间连接是采取薄钢板制成的八字形的固定件作为垫层来纠正因铝合金框与钢构件间的安装偏差的方法，会在铝合金框（底座）与钢结构矩形管之间形成沿长度方向不距离不等的间隙缝，该间隙缝的是因钢结构的安装偏差和焊接工艺留下的不足；构造细部设计过程中，设定该间隙缝的理论缝宽尺寸为6mm，设计假设该间隙缝宽度应控制在0～12mm，个别允许达到20mm，但是放宽间隙缝会造成间隙缝的胶缝较宽直接影响玻璃罩的美观。因此设计施工说明中明确：（1）严格控制钢结构施工偏差，（2）间隙缝处胶缝采用与钢结构饰面颜色相同的硅酮密封胶。

五、简述本案例钢—铝组合构造玻璃罩玻璃幕墙的安装施工

本案例中，通过分析本玻璃罩平面布置特点，要将30座玻璃罩安装在建筑设计的理论定位点，对项目的前期测量、工程控制提出了相当高的要求。本工程安装的关键工序我们确定为钢结构施工前的测量定位、钢结构完成后的偏差测量、数据分析整理、确定纠偏方案并须获得总承包批准。因此，在项目施工的前期策划中，着重针对项目的测量控制提出了较详细的测量方案，专门成立了由三人组成的测量小组进行测量跟踪活动，并且获得总承包、建设监理的测量对口管理。

玻璃罩的安装流程：钢结构八字形的固定件不锈钢栏杆支座（兼玻璃板块托架）铝合金竖框、横框（底框）铝合金框（底座）与钢结构间隙缝涂敷硅酮密封胶玻璃板块铝合金装饰格栅铝板板块铝合金转角圆弧装饰线铝合金凹形镶嵌线不锈钢栏杆。

玻璃罩的铝合金型材零件加工、组件拼装、铝合金格栅板块组装和玻璃板块的结构胶的注胶养护均在良好密闭的洁净环境厂房内完成。玻璃幕墙的超大玻璃板块单元尺寸为2200x4450，考虑长途运输，需制定专项施工方案以确保玻璃板块的运输的可靠、安全性，经反复比对、论证认定采取5吨卡车担任此项的玻璃运输任务，较为合理，每车最多可装运大规格10个玻璃板块单元，其他规格的可设当增加运输的板块，但必须控制总重量，以保证运输的安全。

由于每块玻璃板块自重较重，需采用吊装设备，本项目在配备了4台8吨汽车吊。立面玻璃和顶部玻璃采取的不同的吊装方案。立面玻璃吊装采取汽车吊和额定起吊重量1吨及以上的手动葫芦组合方案进行吊装，汽车吊位置按照原先现场勘测设定的方案、点位定位并支撑固定；汽车吊起吊时须保持玻璃板块在空中稳定、少晃动，要求起吊慢、稳，玻璃安装人员应撤离起吊区域，站立在安全区内；采用12头吸盘爪的大型吸盘机吊装：将板块从A形玻璃架上横向摆放的位置吊至一定的悬空（玻璃底边离地约3500）高度时旋开吸盘机的限制钮，使玻璃由重心偏心旋转器使玻璃板块缓慢的旋转，直至竖直位置，缓缓移动吊臂，使玻璃板块靠近安装位置；玻璃板块下放先搁置到不锈钢支架上、放置在预先设定的位置，而后安装人员站到脚手架上用手将玻璃推至铝合金框上，并分别将压板螺钉拧紧，依次吊装。

坡顶、平顶玻璃板块的吊装：汽车吊装玻璃时，采用6爪电动吸盘吸好玻璃后，四角采用手动吸盘吸牢，吸盘上系上吊带，吊臂把玻璃平稳的移到安装位置时，安装人员（吊装人员5人，指挥一人）站在玻璃侧面（不允许站在玻璃下方），拉住吊带，稳住玻璃，玻璃缓缓下降，玻璃每个角一个人，控制好玻璃，安装时玻璃下方先入槽，上方放下，人员向上拉玻璃，使玻璃上挂钩入槽，在把玻璃向下推，使玻璃下槽进入，左右间距调整后，移走电动吸盘，吊车准备吊装下一块，上边人员调整玻璃，压上几块压板，固定玻璃；安装顺序由上至下安装，安装好一竖档后，移动侧边的竹梯，安装下一竖档。斜面及平顶全部吊装完毕后，拆除竹梯，用线绳及卷尺控制顶部玻璃分格尺寸，上下左右的门隙中心用线拉好，统一调整玻璃，调整时采用特制的用木头加工成的撬棍进行，使玻璃上下左右均为一条直线后，最后将装饰嵌条安装固定。

玻璃罩的玻璃幕墙和玻璃顶施工质量按照《玻璃幕墙工程质量检验标准》和《建筑玻璃采光顶》（JGJ231-2007）标准验收。

可见，在如案例这种大分格、大风压型式的玻璃幕墙中，钢—铝组合构造玻璃幕墙无论在性能、观感、实际施工中都有出色的表现。充分发挥出这一组合的优越性。

六、钢铝组合幕墙设计未来的发展方向

钢铝组合体现出了钢的承载能力，随着我国超高层建筑的不断增多，大部分的钢铝结构都是外露部分采用铝合金型材，受力部分采用钢型材，达到外表美观、截面小而承受力度强、造价低等目的。如央视的“大裤衩”，线条造型比较复杂及板块繁多，使用了构件式的玻璃幕墙系统可以有效解决施工问题，再如深圳京基100，线条纤细，采用了国际上最为先进的幕墙系统——单元式幕墙，外立面呈现出高端大气上档次。未来应用的大跨度、大空间等形式的幕墙越来越多，当然，部分地区的环境温度过高，钢铝的热膨胀系数不同，当温差太大时，抗剪连接件要承受很大的温度应力。因此，在这种环境下的地区在选择钢铝组合时应慎重。

绿色节能及智能化也是钢铝组合未来的发展方向，我国对于绿色节能非常重视，节能标准也越来越严格，而各种高性的玻璃，断热材料，均能使幕墙的K值大幅度降低，再加上科学合理的设计，都能达到良好的节能效果。智能化是通过传感和自控系统来自动控制建筑外部装饰条的角度，百叶的变换，从而达到更好的实现遮阳，通风及采光的效果，避免了建筑在运用空调等电子系统时出现较大的能源消耗量，有效地保持了低能源绿色的水平。

七、结语

玻璃罩玻璃幕墙作为钢-铝组合的一种较特殊的结构形式，作为建筑装饰形式尤其是应用在大型公共建筑越来越受到建筑师的青睐；虽然我们以往已经积累了钢与铝合金型材组合幕墙的设计和施工经验，但还需要我们在今后工作中不断探索、不断完善。使得我们能够在幕墙设计和施工中充分发挥钢-铝组合的性能特点，让这项技术得以推广和应用。