广州新电视塔超高层单元式扭面幕墙的设计应用

　　摘要:广州新电视塔是广州市的地标建筑，造型独特，形态优美；其幕墙工程标准高，设计和施工难度都比较大，因此高水平、高质量的做好幕墙工程设计和施工尤为重要。本文就新电视塔超高层单元式扭面幕墙的设计进行了探讨。
　　关键词:广州新电视塔；幕墙系统；设计
　　1.项目简介
　　广州新电视塔是在建项目中全球最高构筑物，世界第一高塔，地上88层，塔高618.8m，塔身外围设置一花篮状的空间钢结构作为主受力结构之一。该项目原创目标是实现“少女回眸”的空间效果。
　　2.广州新电视塔幕墙系统的选择
　　为实现建筑物特殊的空间效果，幕墙设计需要定制特殊的系统去适应，以使幕墙外观、性能等均能满足客户的需求。幕墙设计需要根据建筑的特征，进行幕墙系统的选择。
　　2.1广州新电视塔幕墙工程特征
　　超高层幕墙该项目幕墙最大标高488m，玻璃幕墙最大标高为462m。该项目玻璃幕墙的最大风荷载分别为-4.09KPa和+2.96KPa。
　　（1）层间位移角比较大
　　风荷载作用下最大层间位移角为1/143，地震荷载作用下最大层间位移角为1/375，3倍为1/125。该项目平面内变形按抗震设计时层间位移角取值应为1/125，该项目标准层高为5200mm，换算成绝对位移为42mm。
　　（2）外立面为一空间扭面
　　整幅幕墙为一空间扭面，结合投资方要求的经济性，需要采用无数空间位置的小平面去拟合成一个空间扭面幕墙结构。
　　（3）完全重叠的施工段面
　　该项目幕墙工程乃至整个项目的平面投影为一个狭小的椭圆，幕墙工程之间，幕墙与其他专业之间的施工段面竖直方向交叉重叠，高位部分工作段面施工过程中的高空坠物，将成为低位部分工作段面施工过程中的空中杀手。
　　复杂的加工设计和材料加工、安装组织管理该项目总共有2552个四边形分格，4221个三角形分格，总共6773个分格，这些分格外观尺寸不同，分格平面之间夹角不同，分格龙骨之间夹角不同，由此造成铝材的长度不同，截面角度也不同。诸多不同使所有构件都没有通用性，加工设计和材料加工、安装组织管理变得极为复杂。
　　2.2广州新电视塔幕墙系统的选择
　　（1）幕墙的变位适应能力
　　对框架式幕墙，每个支座都承受着幕墙龙骨传递的荷载，同时也对幕墙的龙骨产生较大的约束。对单元式幕墙，一端铰支撑在主体结构梁（或楼板）上，另一端立柱插接在下一层水槽料上，立柱和下一层水槽料之间能相对滑移，即形成定向滑移。因此，单元式幕墙在发生较大的层间位移时，幕墙内力不会增加，即单元式幕墙有较强的变位适应能力。该项目最大层间位移角为1/125，绝对层间位移为42mm，单元式幕墙系统能满足此变形的需求。
　　（2）幕墙的加工设计和材料组织管理分析
　　框架式幕墙和单元式幕墙相比较，其加工量差不多，两者之间的差别主要在于，框架式幕墙对材料的安装和组织管理是在现场完成，而单元式则将一部分安装和组织管理在工厂完成。该项目组成扭面幕墙的小平面形状各异，完全没有相同的两个。为简化幕墙分格形式，考虑将每一层幕墙分成过楼层部分和层间部分，过楼层部分采用平面四边形分格拟合，层间采用三角形分格拟合，见图1。所有分格尺寸和分格平面之间夹角均不一样，见图2。
　　

图1 广州新电视塔超高层单元式扭面幕墙的设计应用图一

广州新电视塔超高层单元式扭面幕墙的设计应用图二
　　图2
　　该项目同类材料似曾相识但尺寸或角度不一致，如果把对这些材料的组织和管理交由现场处理，现场材料组织和管理将极容易变得混乱甚至失控。单元式相对框架式幕墙，能较大程度的减少现场材料组织管理的工作量。
　　（3）幕墙系统的选择
　　根据以上分析，该项目幕墙设计适合采用单元式幕墙系统。系统设计时，考虑到三角形单元板块固定比较困难，固定后支座容易外露影响美观，该项目采用四边形单元板块与主体结构连接固定，三角形单元板块安装在四边形单元板块上方法。
　　3.广州新电视塔单元式扭面幕墙的应用
　　3.1超规范设计依据
　　《金属与石材幕墙工程技术规范》JGJ133-2001第1.0.2.1条规定，对金属幕墙的涵盖范围不超过150m，即该幕墙工程设计、制作、安装施工及验收都将会超越规范的指导范围。
　　该项目幕墙外围有花篮状钢结构，风荷载作用下的体形系数s在规范中难找到对应的相识模型，《建筑结构荷载规范》GB50009-2001(2006版)7.3.2条建议对复杂结构宜通过风洞测试获得，该项目风荷载实际以风洞测试报告为依据进行取值。对超高层结构，地震荷载宜进行地震安全评价，该项目地震荷载取值采用广东省工程防震研究院提供的地震安全性评价报告。
　　3.2幕墙的安全性能设计
　　（1）构件的连接设计
　　对超高层幕墙，高空风荷载比较大，风荷紊流将带来诸多不确定性，室外扣条将增加高空坠物的可能性，本设计将铝合金龙骨安装在室外，同时作为受力构件和装饰构件，其他室外装饰构件均采用机械式固定的方式。
　　（2）超高层幕墙的玻璃安全设计
　　对超高层幕墙，脆性材料的应用会给使用带来较大的风险。玻璃的自爆是幕墙工程不可避免的问题，该项目通过两个方面来缓解此问题。1.选用半钢化玻璃。半钢化玻璃自爆率相对于钢化玻璃降低很多，但强度是普通伏法玻璃的2～3倍。全钢化玻璃破碎后形成较小颗粒，采用夹胶玻璃破碎后容易形成孤岛效应而坠落，半钢化玻璃破碎后则形成较大块状，能较好的粘接在玻璃胶片上。2.采用SGP胶片的夹胶玻璃防坠落。在常温条件下（温度在-10～55℃之间，广州市常年气温约在0～39.1℃之间）SGP胶片相对PVB胶片，前者的刚度是后者的30～100倍，前者的强度约是后者的5倍。玻璃粘接在SGP胶片上，在一般风荷载作用下胶片能安全受力且变形比较小，玻璃在阵风荷载作用下下坠的可能性会有所降低。
　　3.3幕墙的传力分析
　　该项目为扭面单元板块系统，其传力体系比较特别。该项目四边形单元板块L01，L02等，和L11，L12等固定在主体结构梁上，见图3，正置三角形单元板块A01，A02等坐落在四边形单元板块上，倒置三角形单元板块V01，V02等坐落在相邻的两个正置单元板块上，正置三角形单元板块和倒置三角形单元板块上部卡在上一层四边形单元板块下横梁内，并能相对平面内滑移。
　　

广州新电视塔超高层单元式扭面幕墙的设计应用图三图3
　　3.4幕墙的施工工艺分析
　　幕墙工程施工时，先安装相邻四边形单元板块，如L01，L02等和L11，L12等单元板块，见图3，再安装正置三角形单元板块A01，A02等，最后再安装倒置三角形单元板块V01，V02等。如此安装工序，不同楼层间施工段面完全隔开，可以几个楼层同时进行安装施工，有利于幕墙工程施工组织的统筹。
　　3.5幕墙系统密封性能的设计分析
　　单元式的密封性能分为面材的密封性能和框架的密封性能，前者比较好解决，后者的密封性能是关键。
　　（1）水槽的密封性能设计
　　单元式幕墙水槽除了传力外，还能将流进幕墙型材的积水汇聚排出到幕墙外。相邻板块连接水槽随单元板块之间夹角变化而变化，采用分段铝合金芯套连接的方式不利于适应幕墙的平面内变形和水槽的密封效果，而且芯套种类过多不利于施工组织。该项目采用3mm厚硅胶皮粘接在相邻两个单元板块水槽料的水槽内，此办法对水槽之间夹角适应能力强，硅胶皮可采用统一规格，有利于材料组织，硅胶皮的变形性能比较好，有利于幕墙的平面内变形性能。
　　（2）幕墙分格处缝隙的密封性能设计
　　一般单元式幕墙采用等压腔原理，水密性能基本能满足使用要求，气密性能较差一些。框架式幕墙没有采用等压腔，保证其密封性能的原则是确保有一道密封是完整可靠就行，比较典型的如隐框幕墙。该项目单元式扭面幕墙也采用单元式等压腔的基本原理，考虑到该项目采用单元板块拼接成扭面幕墙，并且层间位移角比较大，为增加幕墙的密封性能，幕墙设计在室内侧分格