当幕墙遇上“冷弯”都搞不掂的大角度

发布时间：2023-09-19

摘要：

近年来，随着设计理念的不断更新，建筑设计的造型越来越复杂，形式越来越多样，更有业主为追求标新立异，与众不同，常会有大胆的想法，这样就对幕墙设计提出了更高的要求，其中尤以大角度扭转单元幕墙设计难度最高。

本文通过对大角度扭转单元式幕墙设计进行 CAD模拟分析，对其基本设计思想进行部析，以及设计中要注意的问题进行归纳，为日后同行在设计同类型的项目提供参考。由于应力安装法(俗称冷弯法 属于常规作法，设计难度不大，是通过强制性外力实现板块的变形安装予以解决的，故本文对此不作研究，仅对冷弯作法不能适应的且扭转角度大的单元幕墙系统进行分析。

01前言

目前采用空间扭转设计的建筑有逐渐增加的趋势 ，其外立面效果新颖，设计复杂。外幕墙可以采用框架作法，也可以采用单元式作法，框架幕墙作法比较简单，施工难度相对较低，单元幕墙由于是通过插接来实现密封的，所以其设计难度要大得多，因单元板块是在厂内组装成整体，所以所有可能发生的问题都要在设计阶段给予解决或尽量解决，这种项目的设计解决思路不外乎三种方案：

1.   有应力安装法(也有称冷弯法 );

2.空间框作法，即本文所论述的大角度扭转单元幕墙解决方案

3.平板作法，面板相互错开如鱼燃状排布。(但此种作法不能实现平滑的拟合曲面，本文不作述)

02三种解决办法的优缺点

1.   有应力安装法:组装成平板，现场带应力安装，强制性实现板块的变形，进而实现外立面的整体扭转效果，俗称冷弯法。

优点:

a.   设计相对简单，按常规单元幕墙作法，仅仅是通过安装予以解决6.价格要优于空间框作法:无论材料用量及工作加工费用都与常规单元作法无异

缺点:

a.幕墙杆件及板材长期处于扭转应力状态下，玻璃等脆性材料在此长期应力状态下的力学性能目前还缺少相关的研究;由于这种安装方法是通过外力强制性实现板块的变形，通过与转接系统连接，强制板块的第四个点(指平面外的点)到达平面外的某一点，进而实现外立面的整体扭转效果，所以这种办法是通过安装予以解决的，确切的说为非设计解决方案。

6.适用范围较小，这种办法仅适用于空间扭转较小的设计，第四个点(指平面外的点)与板块另三点确定的平面的垂直距离(以下用 h代替)不大的单元幕墙，由于 h值与分格宽、平面扭转角度相关，可以通过几何公式推导:但多大的 h值更合适，目前没有相关研究，也没有相应的理论成果参考，原则上 h值不大于 20mm(个人建议)，可以采用本方法，本值仅供参考，也可由实验确定。

c.安装难度较大，由于单元幕墙是通过插接方式实现板块安装的，当目标板块就位后其相邻板块未就位前仍是平面的，与已经扭转的板块安装就会出现插接困难，要采用专业工具才能完成安装。

2.空间框作法:工厂组装成异形板，板块的第四点(指平面外的点，与板块另三点不共面，进而实现外立面的整体扭转效果，现场实现正常安装。面板材料为平面如玻璃，但相邻面板相互错开(如不考虑骨架)，为鱼鳞状布见下图五、六。

优点:

a.实现无应力插接，其安装方式同常规单元b.实现冷弯法不能实现的大角度扭转单元项目c.如设计得当，可以达到平面单元的所有性能.d.外装饰效果好，无影响。

缺点:

a.第四个点(指平面外的点)与板块另三点确定的平面不共面，加工难度较大。

b.排水设计可能导致单元横框加大，造价略有增加。

c.设计难度大，对设计师提出更高的要求。

d.室内横龙骨不在同一标高，如以外立面中间板块 A点为基准，会出现不同板块的室内横框 B点或 C点左高右底或右高左底的现象(如图八)，如果房间柱间距较大则对室内效果有影响。

e.左右玻璃不在一条等温线上，保温性能略有降低。

3.平板作法:

优点:

a.   设计相对简单，按常规单元幕墙作法，受力体系合理。

b.加工安装简单。

缺点:

a.面板相互错开如鱼鳞状排布，不能实现平滑的拟合曲面，对外立面效果有影响。

b.左右竖框不等长且型材较上述两种作法大。

03大角度扭转单元的空间几何特点

体育场馆中的富春山居图式

扭转单元幕墙的板块一般设计成空间平行四边形，其第四个点(指平面外的点)与板块另三点确定的平面的垂直距离(以下用 h代替)不大的单元幕墙，由于 h值与分格宽、平面扭转角度相关，且与单元板块内板材的分格大小有关:可以通过几何公式推导，本文以图示工程为例推导 h值与相关参数的关系，其公式为：

也可以采用 CAD三维放样测量 h值，经比对，理论计算值与实测值完全相等(见表一)。

为了确定面材的尺寸及形状，我们要先找出分格中心线之间的尺寸，及相邻边的夹角，分格尺寸(表一)减去系统的构造厚度可得面材的设计尺寸(即施工时的下料尺寸)因为采用空间框作法的单元系统，其面材如:玻璃，是平面的。翘起距离(h)的大小决定采用冷弯法还是空间框作法，对此要对一个层间的板块进行三维放样，如图四为板块编号图，从左至右为NO.1、NO.2......NO.27。

经对 27个板块测量，得到平面分格尺寸理论数值统计表(表一)。

分析以上统计数据可以看出，翘起距离(h)为一定值 78.6mm，如采用冷变作法，则面材及骨架要在强制外力作下达到如此大的变形才能实现建筑效果，由于玻璃为脆性材料显然对材料的要求过高，且项目本身要求高造价不菲，如系统选用不当，导致板块破损则会造成昂贵的后期维修成本，得不偿失，综上所述故采用空间框作法。

表一可以看出 a值近似等于 b值、c值近似等于 d值且玻璃之间夹角相等，故面材可按平行四边形设计。平面面板与空间框位置关系如采用全隐幕墙作法则如图五所示，如设计成明框单元幕墙则面板要后退至型材槽口内，这样在 a、c两条边形成两个三角形间隙，这样就要在结构设计时对这两个三角形间隙给予考虑，既补偿条;由于铝型材末端不宜加工成尖锐的三角形，故要按梯形设计，如图十一。

当采用明框单元幕墙设计，玻璃要镶嵌在龙骨与外扣板形成的槽口内，a与a、c与c两条边形成的梯形补偿条为室内龙骨间隙补偿条，另一个为室外梯形补偿条，可由室外的铝扣板铣加工而成。同时，因为工程所在地为寒冷地区要采用断热设计，所以设计难度更大，以下对设计细节进行三维放样分析。

04大角度扭转单元的设计特点

1.扭转单元排水坡度参数的设计

由于板块与水平面成不同的夹角，如图示板块与平面夹角示意图27个板块与水平面的夹角均不同，其最小夹角为 76 0，有内倾有外倾，因横框设计时垂直于玻璃板，故单元上横框设计时，外排水坡度要大于 76 0方可顺利实现排水(对本工程内倾板块);最不利板块设计如图七所示。

为减小铝型材断面尺寸，设计采用整体式披水胶条，整体式披水胶条一般 50m/卷它具有防水密封可靠，十字接缝位置密封效果优异，粘接环节少，依靠胶条就可实现本单元位置进出水通道的隔离，在板块发生错位变位时本身不会破坏等优点，但是胶条用量较大，价格较高.但可以达到极佳的防水效果，如图八所示。

2.梯形补偿条设计

从图五的示意图可以看出，如果采用空间框作法，则玻璃面板有两条相邻边是与龙骨相平行的不需要另加补偿片，如 b，d边，所以夹持玻璃的槽口为定值;另外两条边要补偿，才能使平面玻璃与空间框更好的夹持固定，如图九、十所示，三维图示如下(图十一)。

3.扭转后单元横竖框交接面的三角形空隙的设计

扭转单元横竖框交接面为非垂直关系，故当各个面交界时，框料外轮廓间会产生三角形对性能有影响的主要有如下几处 :

a.外立面横竖向装饰扣板

此部位位于外立面，需对此三角形空隙进行考虑，其中将竖向装饰扣板作加长处理可以很好的解决此问题，这种作法的另一个好处解决了横竖向扣板对齐的安装难度，人为的设计为不平，装饰效果好。

b.室内侧横竖龙骨交界处空隙的设计室内横框与竖框三角形空隙，可以将竖框加长处理，如图示十二的所示，由于事先已经预见到，横框会超出竖框尾部，故放样2、时人为将竖框加长了3mm，但仍然出现了左侧 1.81mm、1.81mm右侧1.93、2.62mm的空隙，说明原来预先加长的 3mm不够，可以以最大点 262mm的值再作加长设计，取其整数竖框较横框加长至 6mm，为保证气密性不受影响，在横竖龙骨交界处、胶条位置可以打密封胶刮平，保证密封效果，仍能达到要求。

c.插接位置空隙的设计。

如上图示2.3，在横竖框前后两道密封线位置，都出现了阶差，上图2在放样时人为将竖框密封线较横框密封线后置了 1.8mm，但从三维图上看，横框密封线位置仍然向后了0.3mm，故在正式设计时，竖框密封线较横框密封线可后置 2.1mm，考虑到组装误差此值可增加到 2.5mm，同时将竖框的密封线处的壁厚加厚到 5mm，当竖框作链加时，可以作适当的切销，以保证密封线在同一平面内。综上所述，经调整后的横竖向标准单元节点图可按图示设计(图十三、十四):

4.扭转单元竖框的室内“甩尾“现象

从图十五可以看出，四个单元的插接竖逢不在同一直线上，上下层之间会形成一个阶差，这点是与正常平直单元幕墙不同的如图十六所示，但由于此部位位于室内装饰面以内，被楼板隔开，尽管实际会存在这一现象，但不会对内饰效果造成影响;从图五的正投影上也可以确定，这个值为 4mm。左右板块横框不在一个标高上，如前述第二节所说空间框作法缺点的 d条:室内横龙骨不在同一标高，如以外立面中间板块 A点为基准，会出现不同板块的室内横框 B点或 C点左高右底或右高左底的现象(如图八)，如果房间柱间距较大则对室内效果有影响 .但通过内装饰的设计，此问题可以弥补。

5.空间四边形单元体连接件设计

从表一的统计数据可以看出，a值近似等于 b值、c值近似等于 d值且玻璃之间夹角相等，故空间四边形单元的正投影近似为平行四边形，为简化设计，连接件可以按平行四边形单元的特点进行设计，主要保证三维调整。

连接件材质，可以采用铝合金材质，也可采用碳钢材质，从成本上考虑，碳钢连接件更具竞争力，本文以碳钢连接件为例阐述其设计如图十七 ：

05设计注意事项

因本文是采用 CAD三维模拟分析，在工厂加工、组装或安装时可能会有其它无法预料的问题发生，所以可从管理程序上进行管控，以减少特异性幕墙的设计失误，规避损失;可先作样件、试验、试装、改进系统，成熟后方可大批量生产组装。

对于这种异形的设计，三维放样是不可少的，从中找出规律，本文中提到的 27个标准层板块，还可以按相邻板在统一提炼(如相邻板尺寸相差较小，在一定范围内按一种设计)以减少板块的类型。

由于空间单元板块不在同一平面内，对安装及运输是不利的，为加强其抗扭性能，横竖向连接可以采用钢或铝角码加强，另外在连接件上要注意预留吊装孔。

对于不同的此类扭转项目，因分格宽、扭转角度的不同，竖框加长的尺寸及横竖框密封线之间的后退尺寸都不尽相同，因此要独立放样后才能最终确认，本文中的相关尺寸是针对此项目的，不具有普遍性，但其作法原理是相同的，对于扭面的隐框或半隐框单元幕墙也可参照此法。

胶条槽口处，横竖框前端面相交接部位，也存在三角形间隙问题，但可以通过胶条弹性变形的变化给予解决，也可以作大胶条外缘盖过型材边线，对密封及外观无影响。

单元上下相邻板块之间存在一定的夹角，本项目夹角为 1度，故单元上横框与下横框之间将存在 1度的夹角，因此角较小，插接部位可以按平面设计，安装时通过胶条及插接间隙即可消除此影响。

经过如上的分析后，将面材与龙骨的相对位置确定后，最终模拟图三维放样后的渲染效果见图十七：

06结语

尽管对一此复杂的单元幕墙设计还没有成型的经验可借鉴，但并不是因为行业没有沙涉足，就不尝试。搞技术一定要先懂基本原理，然后才能对系统进行设计并评判，先判定系统是否可行，如设计系统从三维放样图上就判定有问题则要重新先择，否则后患无穷，借助于 CAD强大的三维功能，通过建立模型分析，模拟实际，发现问题，改进系统，可以让我们快速而经济的对一套系统进行评判，由此对设计师的基本技能提出了更高的要求从上文来看，采用横滑式单元系统完全可以适用于扭转外形项目的使用，只要在细节上稍加改进，其它性能几乎不受影响。

文章来自中国幕墙网，作者：杜东新