【BCW】深度分析!北京新机场主航站楼建筑幕墙技术细节

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项目概况北京新机场位于永定河北岸,北京市大兴区礼贤镇、榆垡镇和河北省廊坊市广阳区之间,距天安门46公里,距首都机场68.4公里,属国家重点工程。本项目幕墙系统设计从建筑功能和自然条件出发,充分考虑其在安全、热工、声学、光学等性能上的特点和要求,利用各种

  项目概况

  北京新机场位于永定河北岸,北京市大兴区礼贤镇、榆垡镇和河北省廊坊市广阳区之间,距天安门46公里,距首都机场68.4公里,属国家重点工程。本项目幕墙系统设计从建筑功能和自然条件出发,充分考虑其在安全、热工、声学、光学等性能上的特点和要求,利用各种幕墙技术、材料、方法、工艺实现优越的围护功能(图1)。

  本项目幕墙工程一标段主要包括立面框架玻璃幕墙和采光顶两大系统,本文着重对立面框架玻璃幕墙系统进行介绍。

  

  图1 整体鸟瞰效果图

  立面框架玻璃幕墙系统设计介绍

  立面框架玻璃幕墙系统位于北侧立面以及整个机场中心区域的东、西、东南、西南各面。上部与屋面相接,下部落于一层或二层混凝土楼板(图2)。

  

  图2 立面框架玻璃幕墙局部效果图

  由于立面框架玻璃幕墙处于旅客密集的区域,建筑师非常重视该幕墙的简洁和通透性,因此选用了2 250mm(宽)×3 000mm(高)的较大分格尺寸的玻璃。系统采用竖向明框、横向无结构的单向结构体系,由于横向无结构,立面的通透性大大提高,外铝合金立柱既起到承担结构荷载的作用,又兼顾装饰遮阳作用,令建筑美观的同时又节省了造价。

  2.1 立面框架玻璃幕墙标准节点设计

  立面框架玻璃幕墙铝合金立柱分为内、外两部分,内、外铝立柱通过布置的不锈钢螺栓紧密配合达到协同受力的目的,承受垂直于玻璃面的荷载。

  铝合金内立柱通过“二夹一钢板”与主体钢结构连接。两块16mm厚钢板连接件与主体钢结构焊接,一块18mm钢板连接件与铝立柱用多颗M8不锈钢螺栓连接,16mm钢连接件与18mm钢连接件相互配搭、焊接,以适应主体钢结构产生的误差(图3,4)。

  

  图3 标准横剖节点

  

  图4 标准竖剖节点

  立面幕墙分为直面幕墙和倾斜面幕墙,直面幕墙选用12+18A+12中空双银Low-E钢化超白玻璃,倾斜面幕墙选用12+12A+10+1.52PVB+10中空双银Low-E钢化夹胶超白玻璃,单块玻璃自重达到550kg,为支承如此沉重的玻璃,选用角铝玻璃托板,通过内六角不锈钢螺栓与铝立柱连接,同时在内侧铝合金立柱腔内增加一道加强筋,将玻璃自重有效地传递给铝合金立柱。玻璃安装到位后,需要后续安装外侧铝合金立柱,为防止玻璃脱落,在每块玻璃上增加了4个铝合金防脱块,既可作为临时固定措施,又可确保玻璃在安装过程中及安装完成后的安全性(图5)。

  

  图5 组装图

  2.2 玻璃四点不共面问题的研究与解决

  本工程倾斜立面为双曲面(图6),由模型分析可知,相邻的两根立柱不在同一平面内,所以单块玻璃存在四点不共面的问题,每块玻璃因为两侧立柱之间存在空间夹角且角度均不相同,所以每块玻璃都有不同程度的翘曲。立面幕墙一共有4 609块玻璃,如果用人工统计将花费巨大的时间和精力,因此深化设计之初通过运用BIM参数化软件对三维模型进行分析,分析结果显示单块玻璃翘角最大值为26mm(图7)。

  

  图6 倾斜立面

  

  图7 玻璃翘曲数据

  使用ANSYS软件对玻璃进行建模分析计算,尺寸2 250mm×3 000mm的12+12A+10+1.52PVB+10钢化夹胶玻璃在三个角点固定的条件下,对另一角点施加一定的垂直荷载,即可消除该角点在玻璃面法线方向的变形(即翘角)(图8)。

  

  图8 玻璃翘曲计算分析

  鉴于机场项目的重要性,为确保设计方案的可行,在理论计算的同时还开展了相关模拟试验:选用钢管框架模拟铝合金龙骨,用同等配置的玻璃做压弯试验,试验结果与理论计算的结果基本一致,玻璃翘角可以通过施加外力的方法解决,并且靠一个人单手的力量就可以轻松完成。这一结果也证明了用直立柱与平板玻璃拼接模拟空间变化曲面的方案是可行的。

  2.3 大跨度铝合金立柱安装变形的研究与解决

  立面幕墙标准跨度为6 000mm,铝立柱与垂直面的最大倾斜角度为9.8°。倾斜面幕墙铝立柱在0°~9.8°之间逐渐向室内侧倾斜。幕墙的安装顺序为先安装内侧铝立柱,再安装玻璃,最后安装外侧铝立柱。按照建筑师对建筑效果及遮阳功能的要求,竖向铝合金龙骨被设计成内侧尺寸小、外侧尺寸大的特点,当玻璃装至内侧立柱上后,玻璃自重产生的重力在垂直于立柱方向的分力会使内侧铝立柱产生变形。以标准跨度6m为例,跨中变形量为10mm。

  内侧铝立柱的变形会带来外侧立柱安装的困难,具体影响主要是内外侧立柱孔位不能自然对正,无法安装螺栓。为解决这一问题,采取如下措施:玻璃安装完成后,用自制工装件(图9)通过调节M12螺栓对外侧立柱施加作用力,用刚度较大的外侧铝立柱将内侧铝立柱校直,再于间距300mm处安装不锈钢螺栓,螺栓安装完成后卸载,即完成外侧立柱的安装。

  

  图9 工装示意图

  2.4 现场放线方法的研究和解决

  主体钢结构移交后工作面条件十分有限,而且施工现场没有其他可以利用的辅助结构,因此很难通过全站仪测点然后做标记的方法进行精准的打点放线。经过多次研究讨论,最终采用“圆弧两点连线,中垂线取拱高”的方法进行放线。具体做法为:取相邻轴线位置铝立柱控制线同一标高的两点连线,将模型中的理论尺寸当作连线的中垂线确定圆弧拱高,中垂线的端点即为铝立柱控制点,并利用圆弧与变化曲面的偏差值对铝立柱的方向进行修正(图10,11),然后将铝立柱落位,点焊固定。立柱安装完成后用全站仪对复测点进行检查,结合拉尺校核相邻铝立柱之间的净空。

  

  图10 渐变弧与圆弧对比

  

  图11 放线修正

  2.5 局部采用新材料

  施工过程中发现,当玻璃自重较大时,普通的橡胶垫片无法承受玻璃与玻璃托板之间相互挤压产生的荷载,垫片几乎完全被破坏,所以及时更换邵氏硬度为90度的TPE材质垫块。TPE是介于传统硫化橡胶与树脂之间的一种新型高分子材料,不仅可以取代部分传统硫化橡胶,还能使塑料得到良好的改性。与普通橡胶材料相比,TPE材料既具有普通橡胶材料的弹性、回复性、强韧性与耐候性,又能以塑料加工的方式加工成型,而且加工成本低,节省能源,易于回收,对环境无污染,单位体积耗用原料少。其针对幕墙工程的优势在于:1)材料有宽泛的硬度调整范围;2)不渗油,不会出现污染幕墙的情况;3)提高了与其他建筑材料的相容性。因此TPE材料是代替PVC及硫化橡胶的重要材料。

  北京新机场旅客航站楼及综合换乘中心工程立面幕墙存在一定的技术复杂性,设计施工中采用了多项新工艺、新材料,对无横梁体系、空间变化曲面玻璃幕墙的设计、施工以及幕墙新材料的使用等课题进行了比较深入的探索与研究。在运用已有成熟技术的基础上,对传统设计理念和施工方法进行创新与改造,从而更有针对性地为北京新机场幕墙工程的建设服务。在探索装配式幕墙的潮流中,秉承精益求精的工匠精神,力求为中国打造世界一流的国际新航标。

  作者简介

  王继惠,深圳市三鑫科技发展有限公司北京公司主任设计师。代表作品:北京新机场主航站楼、中航资本大厦、北京浦项中心、太原华润万象城等幕墙工程。

  杨俊,深圳市三鑫科技发展有限公司北京公司副总工程师。代表作品:北京电视台、沧州会展中心、鄂尔多斯那达慕会场、北京三星电子总部、北京新机场主航站楼等幕墙工程。

  注:本文系原创,已刊登在《建筑幕墙》2019年4月总第8期杂志中。

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作者: zhaosf

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