從1917年在美國(guó)舊金山,建造了第一棟玻璃幕墻建筑物和1930年在美國(guó)威斯康星州,出現(xiàn)了用擠壓鋁型材建造的幕墻建筑后,世界各國(guó)的超高層建筑的華麗外衣,幾乎全部采用幕墻這種外圍護(hù)結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)施。那么,什么叫建筑幕墻呢?概括的說(shuō):具備以下四大特征的外墻才能稱(chēng)為幕墻。
1、懸掛在結(jié)構(gòu)框架的前面,(立柱偏心受壓在不失穩(wěn)情況下,可以反支);
2、不承受建筑結(jié)構(gòu)荷載(包括水平、垂直方向的荷載)的非承重外墻;
3、墻體自重和所受風(fēng)荷載等,都通過(guò)錨點(diǎn)傳至建筑物的結(jié)構(gòu)框架;
4、幕墻構(gòu)件之間的接縫設(shè)計(jì)和連接工藝,應(yīng)能使幕墻架設(shè)成工程需要的連續(xù)墻面。
這四大特征缺一不可,如下圖—所示,這是鑲嵌在建筑洞口里的大固定窗,因外框的安裝縫隙被水泥粉刷填充,建筑結(jié)構(gòu)只要有一點(diǎn)變位馬上就會(huì)傳給窗框,使窗玻璃受到威脅。
這種縫隙可傳力的結(jié)構(gòu),長(zhǎng)寬尺寸再大也不具備幕墻特征,如果說(shuō)屬于墻類(lèi),也只能算作建筑的填充墻。
圖一 a.大固定窗分格圖 b.窗周邊安裝節(jié)點(diǎn)
幕墻為不承受建筑結(jié)構(gòu)水平和垂直方向荷載的非承重外墻,幕墻的周邊平面方向必須與主體結(jié)構(gòu)留有一定的間隙,來(lái)消除主體結(jié)構(gòu)因不均勻沉降造成的沉降差、地震作用產(chǎn)生的樓層間位移和因季節(jié)溫差變化產(chǎn)生的伸縮。凡是幕墻工程都有封邊的問(wèn)題,就是一棟大樓四面交圈全部采用幕墻,也還存在著幕墻的封頂和封底問(wèn)題。如果一個(gè)幕墻工程無(wú)論分格、顏色都很漂亮,因封頂沒(méi)封好,下雨天,雨水在樓內(nèi)一瀉到底,什么窗簾呀、壁紙呀、泡了個(gè)一蹋糊涂,用戶(hù)肯定找制造廠家。如果一個(gè)較高的幕墻,兩側(cè)邊和底部都用水泥砂漿抹死,輕者可將玻璃擠碎,重者可將鋁板擠變形甚至將石板擠裂。經(jīng)常注意觀察幕墻工程的人,肯定會(huì)見(jiàn)到不少上述的現(xiàn)象。對(duì)這樣的工程在驗(yàn)收時(shí),工程監(jiān)理和質(zhì)檢部門(mén)能通過(guò)嗎?這主要是所有有關(guān)幕墻的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范中,對(duì)封邊問(wèn)題都沒(méi)有作出明確的規(guī)定,還有些工程在驗(yàn)收時(shí)雖然沒(méi)有損壞,而是隨著建筑的沉降將板塊擠裂。對(duì)正確的幕墻封邊節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)院不甚了解、工程監(jiān)理無(wú)法辯正施工、質(zhì)檢部門(mén)的無(wú)法可依、生產(chǎn)廠家為了省工省料、隨之埋下了隱患,造成不應(yīng)有的損失。
一、幕墻封邊設(shè)計(jì)要滿足建筑地基基礎(chǔ)沉降
在建筑物及其荷載作用下,或經(jīng)地表浸水、地下水升降變化、地震以及地下采動(dòng)等其它多種因素的復(fù)合影響,地基將發(fā)生變形。因地基變形使建筑離開(kāi)建筑時(shí)的初始位置,沿重力方向移動(dòng)的現(xiàn)象就稱(chēng)作建筑沉降。
一個(gè)較大型建筑在施工前地基設(shè)計(jì)時(shí),已對(duì)建筑將會(huì)產(chǎn)生的不均勻沉降進(jìn)行了必要的控制,甚至分別計(jì)算預(yù)估建筑物在施工期間和使用期間的地基變形值,以便預(yù)留建筑物有關(guān)部分之間的凈空,選擇連接方法和施工順序,一般多層建筑在施工期間完成的沉降量:
●對(duì)于砂土可認(rèn)為其最終沉降量已完成80%以上。
●對(duì)其它低壓縮性土可認(rèn)為已完成最終沉降量的50—80% 。
●對(duì)于中壓縮性土可認(rèn)為已完成20—50% 。
●對(duì)于高壓縮性土可認(rèn)為已完成5—20% 。
從以上地基的四種土層不同,表現(xiàn)出建筑的沉降快慢不同。建筑物在施工過(guò)程中隨之越建越高的逐步加載,沉降量也逐漸加大,下層建筑的層間沉降也將伴隨著逐步發(fā)生。
在國(guó)家國(guó)標(biāo)準(zhǔn)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范GB50007-2002》中,明確規(guī)定了建筑物的地基變形允許值見(jiàn)表1:
注:① 本表數(shù)值為建筑物地基實(shí)際最終變形允許值;
② 有括號(hào)者僅適用于壓縮性土;
③ L為相鄰柱基的中心距離(mm),Hg為自室外地面算起的建筑物高度(m);
④ 傾斜指基礎(chǔ)傾斜方向兩端點(diǎn)的沉降差與其距離的比值;
⑤ 局部?jī)A斜,指砌體承重墻結(jié)構(gòu)沿縱向6-10m內(nèi),基礎(chǔ)兩點(diǎn)的沉降差與其距離的比值。
一棟框架結(jié)構(gòu)的建筑,外立面采用幕墻作為外圍護(hù)結(jié)構(gòu),相鄰柱基的距離為8m,
試計(jì)算幕墻上下封邊預(yù)留間隙:
按表1 框架結(jié)構(gòu)相鄰柱基的沉降差:
允許沉降差:S1=0.002L=0.002?8000=16mm
考慮一棟樓將有很多框架柱支撐,柱基允許沉降差的公差帶:
圖3 幕墻下封底節(jié)點(diǎn)
允許沉降公差帶:S=2S1=2?16=32mm
比較經(jīng)濟(jì)的幕墻上、下封邊的預(yù)留間隙:
幕墻封邊預(yù)留間隙:Sb=0.8S=0.8?32=25.6mm
由圖2和圖3可以看出,鑲嵌在建筑洞口內(nèi)的幕墻,上封頂和下封底必須至少要與主體結(jié)構(gòu)留出25mm的間隙,以吸收沉降、伸縮和地震時(shí)建筑主體產(chǎn)生的變形。
建筑沉降一般在工程竣工后2—2.5年才趨于穩(wěn)定,哪個(gè)建筑業(yè)主也不能等大樓土建封頂2年半后再裝幕墻,實(shí)際在幕墻安裝時(shí)建筑每時(shí)每刻都在沉降,只不過(guò)我們沒(méi)有仔細(xì)的測(cè)量和觀察時(shí)間短,沉降量也很小而以。但就是這點(diǎn)微小的變形量也曾發(fā)生過(guò)質(zhì)量事故。
這事發(fā)生在北方的一個(gè)城市的市區(qū)內(nèi),建筑業(yè)主建了一棟32層的大型綜合樓。為了早營(yíng)業(yè)收回投資,土建裝修交叉作業(yè),白天黑夜的加班搶進(jìn)度,大樓土建竣工外立面裝修快結(jié)束時(shí),開(kāi)始裝圍護(hù)大堂7m多高的全玻璃幕墻,建筑業(yè)主為了省錢(qián),在本地找了個(gè)小廠家施工安裝,這個(gè)小廠家也沒(méi)干過(guò),買(mǎi)了一些玻璃吊掛就給裝上了,在懸掛大玻璃下面用鐵塊塞的緊緊的,說(shuō)這是防止上面吊掛拉脫,結(jié)果安裝完不到半年時(shí)間,所裝的32塊大玻璃產(chǎn)生裂紋破壞的有28塊,造成了經(jīng)濟(jì)損失是小事,剛開(kāi)始營(yíng)業(yè)不得不停業(yè)另?yè)Q廠家換裝玻璃。
上面說(shuō)的是建筑主沉降對(duì)建筑幕墻的影響,下面說(shuō)一下建筑大樓主沉降結(jié)束后,建筑在使用期易產(chǎn)生附加沉降對(duì)建筑及幕墻的影響。
由地表浸水,地下采動(dòng),地震、特殊的地質(zhì)構(gòu)造的及建筑物間相互影響等因素引起的地基沉降叫附加沉降,一般附加沉降包括濕陷沉降,牽引沉降和陷落沉降三大類(lèi):
1、濕陷沉降:
多數(shù)發(fā)生在黃土地基的建筑區(qū)域內(nèi),為了美化環(huán)境,制造一些人工湖、池塘、防水作的不好,甚至沒(méi)有防滲漏的防水層,由于池塘水的滯滲或地下水的上升,受水浸潤(rùn)一定深度的地基土瞬間發(fā)生濕陷變形,從而引起建筑物突然下沉。即稱(chēng)作濕陷沉降。
2、牽引沉降:
建筑物自身壓縮沉降過(guò)程中或沉降穩(wěn)定后,由于是黃金地段,地皮緊張,緊靠著舊建筑又新打地基建高樓,包括在舊建筑附近大量堆積砂石磚瓦等重物,由這些荷載的疊加作用,從而加快了原有建筑物的沉降速度,加大了沉降量,這種對(duì)建筑物施加強(qiáng)制牽引作用而產(chǎn)生的沉降,則稱(chēng)為牽引沉降。
3、陷落沉降
由于地下掘洞,抽取地下水等原因,造成地基下空虛,而使建筑物沉降,稱(chēng)為陷落沉降。
綜上所述這三種附加沉降一發(fā)生沉降量有時(shí)很大,建筑的勘測(cè)單位在建筑群內(nèi)新建大樓也是非常小心的把關(guān)精心設(shè)計(jì),盡管如此,對(duì)舊建筑的微量影響還是時(shí)有發(fā)生,所以在設(shè)計(jì)幕墻封邊時(shí),必須預(yù)留出這些吸收建筑變位的空間,使幕墻與建筑同壽命。
二、幕墻封邊設(shè)計(jì)要滿足抗震要求
在有建筑抗震設(shè)防要求區(qū)域內(nèi)的建筑,在安裝幕墻時(shí),必須考慮在常遇地震作用下,幕墻玻璃不能破碎。在中震作用下,幕墻結(jié)構(gòu)框架不應(yīng)有嚴(yán)重破壞,重新鑲嵌玻璃仍可使用。在罕見(jiàn)地震作用下,玻璃破碎,但結(jié)構(gòu)框架不允許倒塌、脫落。幕墻的豎向封邊設(shè)計(jì)時(shí)一定要滿足上述的要求。
在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范GB50011-2001》中,已明確規(guī)定樓層層間最大位移與層高之比的限值,見(jiàn)表2
抗震變形驗(yàn)算:
有一幢層間3.4m的20層鋼筋混凝土框架的大樓。試求在常遇地震作用下,幕墻側(cè)邊應(yīng)預(yù)留的間隙:
按彈性計(jì)算位移控制值的3倍計(jì)算:
考慮樓型細(xì)高,自振時(shí)在風(fēng)荷載作用下振幅加大產(chǎn)生的彎曲變形,填充墻變位小。
幕墻側(cè)向封邊間隙至少要留25mm是比較合適的,具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。
圖4 幕墻側(cè)封邊節(jié)點(diǎn)
三、幕墻封修通天頂時(shí)的注意事項(xiàng):
幕墻的通天頂,就是幕墻上部直接越過(guò)建筑的女兒墻,一般都用不小于1.5厚的單鋁板壓型進(jìn)行封修,有些廠家在施工后經(jīng)常出現(xiàn)向室內(nèi)漏水現(xiàn)象,其主要原因有以下幾方面:
1、涂膠部位結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理:
幕墻頂封修,主要是用鋁板將幕墻與女兒墻之間的縫隙密封。但鋁板的長(zhǎng)度大規(guī)格板也就3m多一點(diǎn),封修時(shí)只能將板沿長(zhǎng)度方向剪裁,經(jīng)壓型后一段一段的進(jìn)行封修,這一段一段板產(chǎn)生的接縫最好的辦法是用硅酮密封膠進(jìn)行密封,但這個(gè)部位所涂的密封膠,決對(duì)不允許造成三面粘接,如圖5所示:
圖5 a.不合理的涂膠結(jié)構(gòu) b.合理的涂膠結(jié)構(gòu)
上圖a節(jié)點(diǎn),涂膠后在鋁板膨脹或收縮時(shí),都將把密封膠拉斷或頂開(kāi),將使密封失效向室內(nèi)漏水。
上圖b節(jié)點(diǎn),涂膠部位結(jié)構(gòu)雖然合理,但封修鋁板在沿長(zhǎng)度方向折彎的同時(shí),必須沿寬度方向還要折幾段的小彎才能成形,工藝較復(fù)雜,不易加工和運(yùn)輸。
2、涂膠部位的涂膠寬度計(jì)算不合理:
封頂鋁板在大樓的最上面。白天受陽(yáng)光紫外線的照射,夜晚又變的很涼,一年四季又受較大的溫差變化。所以涂敷的密封膠每時(shí)每刻都在受拉伸或壓縮的變化。
3、介紹一種不涂縫隙密封膠也不滲漏的頂封修:
下面圖6是一種即簡(jiǎn)單又不易產(chǎn)生滲漏的頂封修方法,這種封頂蓋板只沿長(zhǎng)度方向折彎。
安裝的方法是:先裝好封頂板交接縫處的襯板,在襯板上以接縫為界,在兩端隨襯板的形狀各涂?jī)傻?a target="_blank" style="margin: 0px; padding: 0px; text-decoration-line: none; color: rgba(10, 8, 10, 0.87);">密封膠,涂膠高度要達(dá)到5 mm以上,隔兩天待涂的膠固化后,再安裝封頂蓋板并固定,這樣所涂的四道密封膠受彈性壓迫,形成左右各兩道防水線。就是在封頂板縫隙內(nèi)不涂膠,下雨天、雨水也只能沿襯板坡度向下流淌,進(jìn)不到封頂內(nèi)。但最好還是在封板縫隙處涂敷密封膠,在涂膠前一定要在襯板涂膠部位粘上保護(hù)膠紙,避免所涂的膠形成三面粘接在伸縮時(shí)被拉斷。
四、幕墻設(shè)計(jì)的基本原則
中國(guó)是幕墻應(yīng)用大國(guó)也是幕墻制造大國(guó),建筑造型越來(lái)越新穎、幕墻結(jié)構(gòu)層出不窮,幕墻的產(chǎn)品質(zhì)量直接影響著幕墻的工程質(zhì)量。要保證工程質(zhì)量幕墻
產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)抓好下面三項(xiàng)注意事項(xiàng)。
1、等強(qiáng)度設(shè)計(jì):
假如一個(gè)一萬(wàn)平方米的幕墻工程,每平方米用料降下0.5kg/m2,一萬(wàn)平方米就可節(jié)省5噸鋁型材.國(guó)外較大的幕墻公司早已實(shí)施了等強(qiáng)度臨界值的設(shè)計(jì)方法;假如一個(gè)幕墻的設(shè)計(jì)風(fēng)荷載是2000Pa.那么幕墻設(shè)計(jì)的立柱、橫梁、開(kāi)啟扇、連接件甚至一些受力的五金件的強(qiáng)度都剛好能承受2000 Pa的風(fēng)荷載,也就是剛好達(dá)到強(qiáng)度的臨界值,這是工程用料的最佳狀態(tài),也是我們?cè)O(shè)計(jì)幕墻工程成本核算所追求的理想境界。
這樣就要求幕墻公司有設(shè)計(jì)幕墻新產(chǎn)品的能力,才能達(dá)到一個(gè)大工程根據(jù)這個(gè)工程的外立面的造型和某些具體的使用性能,設(shè)計(jì)一套幕墻結(jié)構(gòu)的型材斷面。這樣可在保證用戶(hù)使用性能的基礎(chǔ)上降低工程的造價(jià)成本。
2、等性能設(shè)計(jì)
什么是等性能設(shè)計(jì):即附屬的產(chǎn)品性能與主產(chǎn)品性能相匹配叫等性能。
假如一個(gè)較高的玻璃幕墻,固定部分密封較好,開(kāi)啟部分安裝了普通的推拉窗,一刮風(fēng)下雨,固定部分很好,但推拉窗又漏水透風(fēng);這就不叫等性能。等性能設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)幕墻產(chǎn)品時(shí)應(yīng)采用的方法,在幕墻的強(qiáng)度、氣密、水密、隔聲、保溫、防雷、防火、抗震、抗沖擊,耐久性等方面都有可能產(chǎn)生不等性能設(shè)計(jì),一旦幕墻產(chǎn)品設(shè)計(jì)完結(jié),用于建筑工程時(shí)就將成為胎里病,很難醫(yī)治,因此在設(shè)計(jì)幕墻產(chǎn)品時(shí)必須有足夠的認(rèn)識(shí)和充分的重視。
3、等壽命設(shè)計(jì)
日本的大型電氣公司在設(shè)計(jì)家電產(chǎn)品時(shí),如果一個(gè)家電產(chǎn)品的使用壽命定在十萬(wàn)小時(shí),假如有一只二級(jí)管壽命在11萬(wàn)小時(shí),這個(gè)公司肯定會(huì)換掉它,因?yàn)闆](méi)必要增大了設(shè)計(jì)成本。也就是說(shuō)這種產(chǎn)品到十萬(wàn)小時(shí)出現(xiàn)故障,你就不用去修理了,因所有電子原件壽命基本上都到期了,已經(jīng)沒(méi)有再維修價(jià)值了。
幕墻產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)也要引進(jìn)等壽命設(shè)計(jì),幕墻的產(chǎn)品使用壽命分社會(huì)使用年限和物理耐用年限。
社會(huì)使用年限:
是幕墻產(chǎn)品從物理耐用年限鑒定沒(méi)到壽命,還可以使用,但和社會(huì)發(fā)展相比其外觀設(shè)計(jì)、使用性能均已陳舊,因此需要更換新的幕墻的年限數(shù)。這種情況在中國(guó)一般常出現(xiàn)在比較繁華的商業(yè)街。
物理耐用年限:
如何判斷金屬幕墻的物理耐用年限數(shù)是比較困難的,它明顯取決于建筑物周?chē)沫h(huán)境條件及維護(hù)管理程度,即便這些條件相同,可能兩幢建筑的幕墻還會(huì)有某些細(xì)微的差別,隨著幾十年的變化結(jié)果將出現(xiàn)較大的差異,但作為初始設(shè)計(jì)幕墻產(chǎn)品,要分為可拆卸更換的密封件和不可拆卸的主體結(jié)構(gòu)兩部分,在建筑幕墻《GB/T21086-2007》標(biāo)準(zhǔn)中要求幕墻結(jié)構(gòu)使用年限不宜低于25年,這也是指幕墻的不可拆卸的主體結(jié)構(gòu)的物理耐用年限。
上面講的建筑幕墻的物理耐用年限與周?chē)沫h(huán)境條件和維護(hù)管理程度有關(guān),如果幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不好,內(nèi)部的結(jié)露水排不出去,由其對(duì)插的單元式幕墻沒(méi)有良好的排水系統(tǒng),在兩種不同金屬的連接件、緊固件之間將產(chǎn)生以水為介子的電化腐蝕,直接影響幕墻的物理耐用年限。電化腐蝕時(shí)電勢(shì)序較高的金屬會(huì)最先腐蝕,下面電勢(shì)序中兩種金屬相離越遠(yuǎn)電解反應(yīng)的潛力越大。
電 勢(shì) 序
 ̄ ̄ ̄ ̄ ̄ ̄ ̄ ̄ ̄ ̄ ̄ ̄ ̄ ̄ ̄
陽(yáng)極:鋅、包括鍍鋅涂層
鋁
鋁—鎂—硅合金
銅—鋁合金
鐵和軟鋼
鉻
鉛
黃銅
青銅
紫銅
陰極:不銹鋼
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現(xiàn)在鋁門(mén)窗幕墻在設(shè)計(jì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)時(shí),常在鋁型材截面上擠出自攻螺釘?shù)牟劭凇=ㄖX型材是鋁—鎂—硅合金,自攻釘是不銹鋼的,兩種金屬間存在著很強(qiáng)電勢(shì),如果結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不好,不銹鋼連接件和自攻釘槽口處常時(shí)間存在雨水或結(jié)露水,將會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的電化腐蝕造成鋁門(mén)窗幕墻的結(jié)構(gòu)松馳,影響使用壽命。