弹性成型曲面技术在超高层单元幕墙中的应用

弹性成型曲面技术在超高层单元幕墙中的应用

王焕伟

上海江河幕墙系统工程有限公司 上海松江区 201601

摘要：近年来，随着国家大力推行发展基建产业，建筑业也蓬勃发展，随之诞生了一些地标性的超高层建筑，另一方面业主对建筑的材料使用及外形美观方面也提出了更高的要求，因此建筑造型出现了一些曲面的，造型别致的幕墙，而对于超高层建筑，单元式幕墙是集成本、工期、性能、美观等因素于一体的最优选择。然而单元幕墙在处理曲面造型的建筑时，由于此类幕墙复杂之极，使用传统工艺手段来实现的话，如采用曲面玻璃，单元铝型材进行拉弯处理后再进行组框工作，对于加工、组装的精度要求极高，且成本消耗也大大增加，而弹性成型曲面技术利用冷弯弹性处理工艺，解决了部分曲面单元幕墙中玻璃需要弯弧及型材需要拉弯处理的限制，大大降低了材料成本及加工工期，本文结合实际工程案例，阐述一下弹性成型曲面技术在工程中的应用，以供参考。

关键词：弹性成型法；超高层；曲面；单元幕墙；

引言：

幕墙作为建筑的“衣服”需要满足建筑多变的外观要求，而单元式幕墙随着近年来劳务成本的水涨船高也越来越受到业主的欢迎。就以往而言，曲面与单元的组合在满足设计要求的同时也会带来相对高昂的建造成本，如仅仅采用折线单元对曲面进行简单的拟合，在外观上又难以达到理想的效果。在此前提下，对于一些曲率变化不大的建筑形体，弹性生成曲面技术可以解决此类矛盾，达到外观效果与建造成本间的完美平衡，

正文：

本文涉及北外滩白玉兰广场项目，本项目位于上海市虹口区东大名路555号，项目地块南至东大名路，西毗旅顺路，北接长治路，东临新建路越江隧道。塔楼建筑高度320米，平面为类似白玉兰花瓣造型，立面造型为中间高度部位轮廓最大，然后往顶部和底部逐渐过渡缩小，整个建筑表皮为双曲面造型，幕墙形式采用了单元式玻璃幕墙。本项目塔楼最大特点是单元幕墙部分采用了弹性成型工艺，单元板块在车间加工时全部为平板，在现场吊装过程中通过现场施加外力冷弯成型，做到了用最低成本最大程度实现建筑设计效果。

弹性成型曲面技术的诞生较早，但一直以来在玻璃幕墙中的应用较少。近年来随着相关研究的深入，特别是成型前后的结构分析、相关的变形及应力监测等技术在项目上的成熟应用，其成品率高、一次成型、不用模具、完成曲面精度高、维修更换方便等优点不断被发掘，使其在曲率变化不大的建筑中应用越来越广泛。

白玉兰塔楼的建筑造型较为独特，使得在其完成板块划分后所形成的每个独立板块均为异型曲面造型，单元幕墙部分位于3~64层区域，共有8610块单元板块，每块板块的四个角点不共面，且各个板块的曲率变化不大。如采用传统单元幕墙技术，则需要对每块玻璃进行热弯处理，对应的单元横梁也需进行塑性拉弯，成本高，建造周期长。而采用弹性成型技术后，单元板块均可按平板板块进行处理，大大加快了建造进程，大大降低了成本。

此项技术在本工程中的应用主要通过以下几个关键点来实现：

1. 成型前后的结构分析

本项技术应用的关键在于必须要使得单元板块中的各个组成材料均出于弹性变形阶段。板块尺寸为4.5m（高度）*1.4m左右（宽度），可视部位玻璃采用8mm半钢化+1.52 PVB + 8mm半钢化+ 12A+8mm全钢化夹胶中空玻璃，尺寸为3.1m（高度）*1.4m左右（宽度），层间部位玻璃为8mm半钢化+ 1.52 PVB +8mm半钢化玻璃，尺寸为1.4m（高度）*1.4m左右（宽度）。板块在工厂加工成平板养护后送至现场安装，结合形体板块划分分析结果，板块就位成型后最大变形为6.8mm，即板块的其中一个角点需在施工安装过程中朝结构室内方向拉6.8mm位移，考虑现场安装偏差等不利因素，在进行结构校核模拟计算时按冷弯变形8mm进行计算。采用ANSYS有限元软件进行实体建模分析，需使单元公立柱顶端变形8mm，因单元挂接点位于顶端向下375mm部位，故需在单元挂点支座处施加7.3mm的位移荷载进行校核。经核算，板块就位后单元框架初始应力为3.27兆帕，可视玻璃初始应力为0.38兆帕，层间玻璃初始应力为0.25兆帕，故可以得出组成单元的各个材料均处于弹性变形初期阶段的结论。考虑最不利风压及地震荷载叠加后，单元立柱最大应力为82.63兆帕，强度利用率为55%，玻璃最大应力为31.5兆帕，强度利用率为56.3%（半钢化玻璃），本项目为超高层，风压较大，玻璃破损后更换难度高，在考虑玻璃为脆性材料的前提下，保留了充足的安全储备，幕墙安全性得到保障。

2. 玻璃面板弹性变形传力点的设置

本项目塔楼单元幕墙系统为横明竖隐形式，但由于横向扣条与玻璃面板间设置了胶条，导致第一时间抵抗风荷载的主要受力媒介仍为结构胶，为避免结构胶在单元保持弹性变形状态时受到长期持续的拉力进而性能降低，需在玻璃板块上设置必要的限位压点以将弹性变形荷载抵消。对于本工程而言，在横向扣条的两端部（也就是玻璃面板的角部）设置50mm长的硬质尼龙垫块并确保塞紧，以确保扣条与单元立柱同步变形，进而避免结构胶承受长期的拉力荷载。

3. 各项性能测试检测

对于单元幕墙系统而言，板块的变形对于幕墙整体的性能影响较大，对于通过冷拉弹性变形后的单元系统是否能够满足建筑设计的各项性能要求，除了进行必要的理论分析外，还需要通过实际板块在实验室模拟最不利工况的情况下进行检测来验证。综合考虑本项目实际情况，在全面覆盖各项国标测试程序《建筑幕墙气密、水密、抗风压性能检测方法》的情况下，额外增加了要求更加苛刻的美标测试程序。

由于单元板块存在初始变形的状况，在进行幕墙的位移性能检测时对幕墙性能的影响会更大。而在本次测试中，不仅有国标要求的平面内水平位移测试，还增加了竖向位移测试，而且也在每次位移完成后增加气密和水密测试，考验难度大大增加。采用弹性成型法的单元幕墙系统出色完成了各项苛刻的测试。而在结构安全性验证方面，增加了150%设计荷载下的静态结构性能试验测试。板块在经受超设计荷载1.5倍的强度后，整个单元系统仍能保持完好。

4. 施工监测

虽然有理论分析作为基础，并且也经历了实验的检测验证，但施工过程中的实时监测仍然极为重要，不可或缺。由于不确定发生弹性变形后是否会对玻璃的自爆率产生不利影响，本项目是现场施工过程中分别选取冷弯弹性变形最大的板块及不需要冷弯的板块分别进行监测，内容主要为玻璃的表面应力变化情况，分别在早层7点及午后两点针对同一块玻璃的同一部位在室外及室内进行表面应力检测记录，检测周期需跨越夏季及冬季，监测结果显示是否发生弹性变形对玻璃的表面应力无明显影响，这也同后期该工程使用过程中的玻璃自爆破损记录相吻合。

结束语：

对于如何完美呈现建筑师对曲面幕墙的设计构想，特别是如何在建造成本与外观效果间找到一个平衡点，一直是困扰幕墙行业多年的课题。本项目在弹性成型工艺方面的成功应用可以为大家打开一个思路，但此工艺方法应对曲率变化较大的建筑造型仍力有未逮，相信未来随着相关设计理论及实践、施工及加工工艺的提升和发展，一定会有新的突破，给我们带来越来越多的建筑奇迹。

参考文献：

[1]郝志琴、徐树成. 冷弯成型过程的弹塑性大变形有限元模拟[J].河北理工学院学报，2007年02期

[2]刘维. 关于异形建筑玻璃幕墙设计与施工技术研究[J]. 建筑工程技术与设计, 2017, 000(021):1675-1675.

[3]王凯. 高层异形建筑玻璃幕墙施工工艺与质量控制研究[J]. 中国住宅设施, 2021(12):2.