寧明肖 吳英國 潘光永

幕墻最早出現(xiàn)在20 世紀初期，1917年舊金山利用專業(yè)技術建造出第一棟玻璃幕墻建筑物，幾年后德國又建成一座具有代表性的玻璃幕墻建筑物。直到20 世紀50 年代，幕墻才正式出現(xiàn)在大眾的視野中。之后各國陸續(xù)建造了大量使用幕墻的建筑物，其中最具代表性的是1951年建立的聯(lián)合國秘書處大廈，是構件式明框幕墻的代表作。

經(jīng)過多年不斷發(fā)展，幕墻使用范圍逐漸拓展，通常應用在高層建筑物中。我國第一個玻璃幕墻工程是北京的長城飯店，全樓采用單元式幕墻；后期也出現(xiàn)各種利用單元式幕墻建設的高層建筑物，如上海金茂大廈、北京航華科貿(mào)中心等。基于此，本文探討了玻璃幕墻構造的基本特征，介紹了玻璃幕墻各方面的情況，并采用有限元軟件來分析水平側向支點反力、自重以及卷揚機支座水平等數(shù)據(jù)，以進一步加強吊裝系統(tǒng)支座的穩(wěn)定性，避免出現(xiàn)傾覆風險[1]。

1 工程概況

某高層建筑屬于改建工程，占地面積15 709 m2，總建筑面積為229 168 m2，建筑高度為235 m，共57 層。從幕墻基本結構來看，除了首層采用框架式雨篷幕墻外，其他環(huán)節(jié)均以單元式幕墻為主，塔樓立面則由玻璃、外伸豎向裝飾條和凸出墻面的鋁板等構件組成。工作人員在空調機室外平臺上設有鋁合金百葉，機電層也安裝有鋁合金百葉；塔頂環(huán)節(jié)以豎向裝飾柵格為主體，柵格后設置背板，主要目的是反射照明燈光。外圍護主要加強了智能化結構，能夠根據(jù)實際氣候的變化情況調節(jié)室內(nèi)問題，從采光、保溫等方面進行分析，使室內(nèi)環(huán)境的形式更為多樣化。相關數(shù)據(jù)表明，該建筑物平均每天的熱負荷僅為0.7 W/m，以冬天溫度進行計算，建筑的熱負荷每天只需耗費2.3 W/m，將人體發(fā)熱量和建筑室內(nèi)各種設備發(fā)熱量相結合，能實現(xiàn)整個冬天的熱量供給。

1.1 分格形式

單元幕墻系統(tǒng)的豎向空間是以單元板塊為主，主要包括玻璃和鋁板融合單元板塊、純鋁板單元板塊以及純玻璃單元板塊等類型。工作人員可根據(jù)實際情況在單元板塊豎向接縫處設置裝飾帶，并保證豎向裝飾帶超過玻璃面75 mm[2]。

1.2 結構類型

本項目采用橫滑型單元幕墻結構，工作人員需合理控制單元板塊的高度和樓層高度?？赏ㄟ^機制螺釘將單元模塊連接起來，形成完整的單元板塊結構，再連接結構膠和主框架，進一步提高整個玻璃板塊的穩(wěn)定性。同時，在日常安裝時，工作人員要將板塊吊裝到指定位置，通過將兩個單元組件的豎框對插來構成豎向組合桿，將上單元下框和上單元上框相互連接能構成橫向組合桿。橫向組合桿構造如圖1 所示。

圖1 橫向組合桿構造（來源：網(wǎng)絡）

2 單元組件中常見技術問題

在正常情況下，單元式幕墻在工廠制作完成，工作人員根據(jù)行業(yè)要求安裝面板，單元組件和主體結構連接構件則被設置在單元組件內(nèi)部。因此，在吊裝工作時，必須將單元組件和主體結構相互連接的工作放在幕墻內(nèi)部進行操作。單元組件接縫是利用相鄰兩單元組件框相互融合形成組合桿，從而實現(xiàn)接縫工作。而桿件上的接縫工作，是利用對插組合桿的方法進行。同時，工作人員要在工廠中完成幕墻尺寸、外形等環(huán)節(jié)，再通過主體結構連接件來控制幕墻外表面的平整度。由于單元式幕墻接縫結構具有較強的特殊性，導致單元式幕墻結構無法滿足日常工作要求，主要表現(xiàn)在如下方面。

2.1 封口技術

在單元式幕墻接縫過程中，由于獨立單元組件對插件無法到達預期位置，從而出現(xiàn)1 個貫穿內(nèi)外的孔洞，因此孔洞填充是目前單元式幕墻設計中亟需解決的問題。工作人員應提高對孔洞填充的重視程度，在設計材料時選擇合理的封口結構。

在設計型材斷面時，要將封口構造全部體現(xiàn)在型材上，若設計過程中未能確保封口構造的合理性，則很容易給整個設計工作造成嚴重影響。單元幕墻的封口技術主要包括橫鎖型和橫滑型兩種，其中橫滑型構造是在相鄰兩個單元組件上框設置封口板，再用封口板將4 個單元組件貫通孔洞進行堵塞；該封口板不僅擁有堵塞功能，還具有分隔和集水作用。由于封口板設置在單元組件上部的滑槽中，能在封口板槽中自由移動，不會給相鄰單元組件移動帶來任何影響。因此，在地震作用和主體結構層間變位影響下，上下兩層單元組件會出現(xiàn)不同程度的移動，這時，上單元組件沒有在下單元組件中，很可能被移動到下單元組件的上框中。

橫鎖型是在豎框連接位置安裝多功能插芯，該插芯由對插封口環(huán)節(jié)和集水壺組成。其中，對插封口環(huán)節(jié)在4 單元連接位置，而集水壺在下方，具有集水、封口和分隔等作用。由于多功能插芯在上下單元連接點將兩個單元相互結合構成1 個整體，并將單元組件固定在主體結構上，保證相同主體結構中的層間變形和平面變形不存在嚴重差異性。

從實際應用情況來看，其集水功能和排水功能較差，通常應用在單元組件任何角度的對插方面；由于插芯能固定上下單元，確保左右單元不出現(xiàn)明顯移動，因此能夠有效避免碰撞問題。在地震作用下，其位置移動情況和元件式基本相同，且平面變形率超過橫滑型，因此工作人員在設計單元式幕墻時要對其進行深入了解[3]。

2.2 收口技術

在單元式幕墻單元組件過程中，工作人員通常利用對插進行接縫工作，對安裝順序有著更高的要求，每1 層都必須按照順序進行對插，該過程中不能出現(xiàn)任何空位，安裝完1層后才能安裝上1層。目前，如何將最后1 個單元和相鄰單元相互連接是關鍵所在，主要是因為已安裝的單元組件間距要低于單元組件的實際寬度，導致組件無法推進空位，無法依次連接兩個不同的側組件。因此，在日常設計過程中，工作人員在組裝最后1個單元組件時要考慮好具體的接縫方法。

由于收口位置技術過于復雜，工作人員應盡可能在每層設置1 個收口點，這就要求工作人員具有較高的技術能力。在設計時，應確定收口點的具體位置和收口方法，非設計收口環(huán)節(jié)禁止斷開安裝預留空位。在設計施工工序時，要嚴格遵循橫向一一對插的原則，將施工設備設置在單元式幕墻的收口位置。主要原因是高層建筑的施工設備每3 層和主體結構拉結一次，這些拉結件會導致單元組件無法通過，從而中斷安裝工作。工作人員通常要等全部機具拆除后再進行收口，但該工作整體操作難度較高，即使采用各種處理措施也無法達到預期的效果。

因此，針對單元式幕墻施工，工作人員在進行收口環(huán)節(jié)設計時，要按照單元式幕墻組裝規(guī)律進行，以有效提高日常施工效率[4]。

3 單元式幕墻安裝

3.1 單元模塊吊裝

在單元板塊吊裝過程中，工作人員一般采用索道式電控提升機進行日常吊裝工作。在地面上將電控卷揚機主鋼絲繩固定起來，并和鋼絲繩頂部、主體結構等環(huán)節(jié)相互連接，將兩根輔助鋼絲繩利用專業(yè)方法進行固定。工作人員要根據(jù)現(xiàn)場實際情況在地面上固定兩個定滑輪，讓主鋼絲繩和主體結構相互結合，建立斜面軌道，然后將頂層主卷揚機綁在炮車上，通過吊具和索道環(huán)相互連接，再利用主卷揚機將所需物品沿著軌道吊裝到指定位置。在吊裝過程中，通常采用每5 層為1 批次的方式進行安裝，工作人員通過對講機和主卷揚機操作人員進行交流，傳遞停止指令；輔助卷揚機會解開鋼絲繩，并將單元模塊利用液壓小車運輸?shù)街付菍又?，根?jù)編號堆放整齊[5]。

3.2 單元板塊吊裝

在單元板塊安裝過程中，工作人員要利用專業(yè)工具運輸單元液壓小車，使其到達指定吊裝位置并進行固定，以提高其穩(wěn)定性。操作人員合理操作吊裝卷揚機，將單元板塊吊裝到指定樓層，能夠有效提高日常吊裝效果。同時，在日常吊裝過程中，樓層中的施工人員要扶著單元板塊，保證其均勻緩慢下降，避免和主體結構發(fā)生碰撞，防止單元板塊受到嚴重影響。待單元板塊全部安裝到指定位置后才能進行日常固定工作，以保證整個安裝流程順利進行[6]。

4 卷揚機受力分析

4.1 支座支點受力分析

卷揚機共有4 個支點，若支座施加到地面的集中力為正值，則表示卷揚機支座給地面造成的是壓力，無任何傾覆風險；若為負數(shù)，表示支點已離開地面，會出現(xiàn)傾覆問題。

通過計算能夠發(fā)現(xiàn)，4 個支點應力分別為389 MPa、323 MPa、370 MPa、342 MPa，均為正值，給地面造成了壓力，因此該吊裝系統(tǒng)支座不存在傾覆風險[7]。

4.2 吊裝系統(tǒng)支架受力分析

利用有限元軟件進行支架整體建模計算，設計吊裝系統(tǒng)計算模型時要考慮到鋼管自重。通過分析吊裝系統(tǒng)支架應力發(fā)現(xiàn)，最大應力為215 MPa，符合行業(yè)標準對強度的要求。在正常情況下，配重矩為24.026 kN·m，前傾力矩為10.412 kN·m，所有抗傾覆系數(shù)為2.308，均高于行業(yè)標準傾覆系統(tǒng)，因此能夠滿足抗傾覆要求[8]。

5 鋼絲繩受力分析

5.1 主鋼絲繩受力分析

目前，吊車上卷揚機鋼絲繩的重量為7 590 kg/m，單根鋼絲繩最低破斷拉力為110 kN，采用鋼絲繩直徑為14 mm。經(jīng)計算可知，鋼絲繩安全系數(shù)超過6，符合行業(yè)預期要求[9]。

5.2 輔助鋼絲繩受力分析

在日常吊裝過程中，輔助鋼絲繩要承受來自不同方面的作用力，如單元板塊自重傳遞的集中力、風荷載傳遞的集中力以及初始預拉力。因此，工作人員根據(jù)現(xiàn)場實際情況，選擇1 個高5 m 寬2.2 m 分格的單元板塊進行計算。通過分析10 根鋼絲繩軸向應力發(fā)現(xiàn)，鋼絲繩軸向力為44.624 kN，低于單根鋼絲繩最小破斷拉力，說明輔助鋼絲繩受力滿足基本要求[10]。

6 樓面結構承載力和鋼管吊梁驗算

6.1 樓面結構承載力驗算

樓面混凝土軸心抗壓強度設計值為14.3 MPa，前支點處最大的壓應力為6.879 MPa ＜14.3 MPa，滿足要求；后支點處最大的壓應力（未起吊時最大）為6.538 MPa ＜14.3 MPa，滿足要求。

6.2 鋼管橫梁驗算

吊裝過程中，橫梁處于受力平衡狀態(tài)，可簡化為承受跨中集中荷載的簡支梁。橫梁的彎曲應力為78.824 MPa＜215 MPa，滿足要求；剪切應力為6.209 MPa＜125 MPa，滿足要求；折算應力為79.555 MPa ＜215 MPa，滿足要求。

7 總結

在單元板塊幕墻施工過程中要經(jīng)過安裝和吊裝兩個環(huán)節(jié)，吊裝是采用索道式電控提升機來完成，保證運輸效率達到預期標準。

在單元板塊安裝過程中，工作人員將其懸掛在單元層間的轉接件上，再通過插接進行相關固定，整個操作流程非常簡單。

同時，經(jīng)過各項實驗證明，當卷揚機制作水平力、水支點點反力以及自重都能給地面帶來壓力時，便可避免吊裝系統(tǒng)出現(xiàn)傾覆風險。