复杂空间曲面幕墙设计

    近年来，随着国内劳动力成本的提高，单元式幕墙与框架式幕墙之间的成本差距已经缩小，而另一方面，随着市场对建筑幕墙品质要求的不断提升，单元式幕墙质量一致性好以及施工速度快的优点开始突出起来，这些有利的因素开始推动单元式幕墙在高层、超高层建筑中逐渐普及。

    单元式幕墙在工厂完成单元组件制作，将面板安装在单元组件框上，而单元组与主体结构的连接构件安装在单元组件内侧，在吊装时单元组件与主体结构的连接在内侧操作。单元组件间靠相邻两单元组件相邻框对插组成。

    不过，单元式幕墙使用也有局限。其构造复杂，不适合做多规格少批量的生产。所以一般都希望尽量能统一规格，以形成一定的加工批量。另外单元式幕墙密封系统采用等压腔原理，其比普通框架式的密封胶封闭工艺要复杂，对单元板块互相插接后所形成的腔体也有严格的要求。这就要求立面造型尽量简单。所以一般情况下，单元式幕墙适合用在立面规整、造型简单的建筑中，而立面复杂的建筑则多使用框架式幕墙。

    以往的高层和超高层建筑大都符合单元式幕墙的使用条件，一般都是较大的体积和较为规整的立面。但人们总向往能够得到与众不同的东西，所以像鸟巢、央视大楼这一类造型奇特的建筑便应运而生了。这对我们来说，意味着市场正在形成一个新的需求，有必要进行这一领域的技术探索和研究。

    在之前的许多项目中，由于建筑表现的需要，有时需要将一些扭曲的复杂空间曲面应用于建筑外表。这一类项目的幕墙构造也是采用平板材料来模拟空间曲面，对于圆锥、圆球一类的规则空间曲面，还可以采用一组梯形平面板块来模拟，但对于不规则的复杂空间曲面则往往只能采用三角形的平面板块来模拟。

    这种情况主要是因为复杂空间曲面很难划分出四点共面的四边形板块，因而相邻四边形板块边缘就不能彼此完全重合，从而无法形成有效密封。而三角形的板块不存在顶点不共面的问题，可以保证相邻板块的边缘完全重合，有效解决幕墙的密封构造问题，所以广泛应用在复杂空间曲面的划分上。

    但是，三角形板块的应用障碍是视觉效果不好，尤其是从室内观看的效果尤为突出，一是三角形的斜边破坏视角的通透性，二是由于倾斜的线条过多且会在视觉上显得比较杂乱，所以在使用过程中，其效果不如四边形板块好。

    国际上一些流行的做法，大都采用对碰式的密封技术。这种方法是将单元板块侧面安装两圈空心胶条，单元板块安装时板块对碰，靠胶条的压缩变形实现密封。这种做法的好处是构造简单，但缺点是密封不佳。由于胶条的尺寸与相邻两个单元板块的胶条无法对齐，所以必须通过加大胶条的叠合面积来解决板块的错动问题。错动量越大，胶条尺寸就越大，否则会在错动的单元板块间会形成局部缝隙，无法形成密封腔体。

    对于水密性能要求很高，加上板块之间的错动量较大的单元幕墙，不适合采用传统的‘对碰密封’技术。如何对传统的‘对碰密封’技术加以改造呢？ 我们通过分析后，采用了一个新的思路，将用于碰接的密封部分和用于安装玻璃的框架部分分解成两部分，即可解决这个问题。沿着这个思路， 我们需要做以下几个工作：

    复杂空间曲面在划分四边形板块时，单元板块规格会非常多，但每种规格的数量很少，甚至有的规格只有一块。考虑到加工生产所面对的困难和挑战，必须在工艺设计上尽量降低生产和施工的工作量。如图1，在构造设计过程中，采用了平面四边形的板块边框配合活动密封槽的构造。这样将拼接板块由空间四边形转化为平面梯形，降低了加工难度。在密封槽的设计上，采用固定密封槽（与板块边框成为一体）与活动密封槽搭配的设计。之所以不采用纯活动密封槽搭配的原因，是活动密封槽与固定密封槽搭配方式可以比纯活动密封槽搭配减少一半的零件数量，这对生产加工带来很大的好处。

    活动密封槽与板块边框之间采用螺钉连接。由于活动密封槽在板块边框上安装固定时需要调整角度，为方便调整安装角度，在活动密封槽上开条形孔，并设置防滑纹。这对于加工生产而言，无需精确测量及加工，以简化加工难度。与板块边框加工不同的是，活动密封槽的端头加工需要切空间角度。保证足够加工精度需要以降低生产效率为代价。但我们经过分析后认为，密封槽的功能仅为构造幕墙的密封系统所用，其本身并不外露，因而在能保障接头密封的情况下可以放松接缝的拼接要求，这样可以较大幅度地提高生产效率。当然，为保证在降低接缝工艺标准的情况下仍然可以满足接头的密封要求，我们在密封槽拼接接缝部位用PDM发泡垫片来消除误差。EPDM发泡垫片因其耐老化性好，现场处理比较容易，同时减少加工厂打胶，可以节省加工时间。

    单元式幕墙基本构造如图2，从图中可看出，等压腔达到防水的关键是密封条的对碰及密闭。因此确保对碰的胶条对齐是本次设计的一个重点，这直接影响水密性能和气密性能是否能够满足设计要求。由于本项目板块均为空间定位，因此板块之间不能维持横平竖直的对照关系，所以单元板块安装时很难准确定位在理论的空间位置上。但单元板块一旦因为安装定位偏差，就会造成密封槽的对碰胶条错位，从而影响密封效果，严重的还会导致密封系统失效。因此在设计采用了一个新的思路，在活动密封槽之间加装定位角码，通过其定位来消除误差，确保本胶条中心线在同一位置，从而使气密性和水密性能满足要求。我们在密封槽设计上采用了活动密封槽和固定密封槽搭配的方法，并在固定密封槽内设置了导向定位器（定位角码）来确定活动密封槽的安装。在两个板块对碰的过程中，导向定位器可以纠正板块之间的拼装偏差，从而确保对碰胶条严格保持对齐。

    随着社会的不断发展，单元式幕墙应用越来越普遍，在保证建筑师外立面效果和幕墙本身的性能前提下，突破四边形板块用于复杂空间曲面的技术难题很有意义，与现有技术相比，我们的技术方案较好地解决了此类产品的密封问题，从而使单元式幕墙在复杂空间曲面中得以应用。