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摘要：本文介绍了某总部办公楼幕墙深化设计，包括单元幕墙在竖直面、外倾面和内倾面几种情况组合使用时的系统设计，内倾单元幕墙防排水的综合考虑以及空缝金属幕墙系统构造简介，并介绍了BIM技术在幕墙设计和施工中的应用。
关键词：单元幕墙;空缝金属幕墙;BIM应用
1 引言
单元式幕墙是指由面板与支承框架在工厂制成的不小于一个楼层高度的幕墙结构基本单元，直接安装在主体结构上组合而成的框支承建筑幕墙。单元幕墙具有工厂预制程度高，组装质量易控制，现场安装速度快，抗震性能好的优点。单元幕墙相邻板块之间通过立柱（词条“立柱”由行业大百科提供）和横梁对插，形成多道密封腔，利用雨幕等压原理防水，具有优异的防水性能。鉴于以上优点，单元幕墙广泛应用于现代建筑幕墙。本文介绍的单元幕墙是竖直、外倾和内倾几种情况组合使用的案例。
2 项目概况
项目是某著名企业的总部办公楼，由厂房和办公楼两座塔楼和裙房连廊组成。塔楼玻璃幕墙采用单元式幕墙。厂房幕墙高度83.25m，南北立面为竖直面，东立面为与水平呈95º夹角的外倾面，西立面为与水平呈75º夹角的内倾面。办公楼幕墙高度34m，东西立面为竖直面，北立面为与水平呈105º夹角的外倾面，南立面为与水平呈60º夹角的内倾面。厂房西南角为钛金复合蜂窝板幕墙，从厂房屋顶往下延伸，绕过连廊直至办公楼西南角屋顶，呈飘带状把整个建筑连成整体。项目透视图见图1、图2。
3 系统设计
3.1 单元幕墙
塔楼玻璃幕墙在方案设计阶段，对幕墙结构的选型进行了对比。拟选方案有3种，分别是构件式、单元式和注胶单元式。从经济性考虑，构件式造价最低，单元式最高，注胶单元式适中;从品质控制考虑，单元式最优，注胶单元式其次，构件式最难保证。从施工难易程度考虑，单元式可以把支承框架和面板整体吊装，快捷方便;构件式需要现场分别安装立柱、横梁和面板，特别是内外倾斜立面，施工难度大;注胶单元式需在板块安装后在板块之间注胶密封，没有单元式方便。经过比选，最终选定了单元式结构，在系统设计上采用了分层内排水构造。幕墙采用横明竖隐的形式，面板采用夹胶中空玻璃。设计重点是竖直、外倾和内倾三种情况单元系统如何协调以及内倾面的防水加强措施。
3.1.1 竖直面单元幕墙
竖直面单元幕墙面板采用8HS+1.52PVB+8HS(LOW-E)+12A+10TP夹胶中空玻璃，夹胶片在室外侧。在结构梁上下位置，单元幕墙与主体结构之间填充防火岩棉。单元系统横剖和竖剖节点见图3、图4。
立柱采用隐框形式，玻璃面板与单元立柱采用硅酮结构胶粘接（词条“粘接”由行业大百科提供）。面板端部采用铝合金护边，护边与立柱之间采用隔热垫断热并注胶密封，玻璃面板端部与铝合金护边之间注胶密封。
横梁采用明框形式，采用铝合金压板以及胶条压紧玻璃面板，压板与横梁挂钩之间设置隔热垫断热。采用内打胶密封，即面板端部与横梁前端挂钩间注胶密封，压板与面板之间不打胶以使外观更干净。为防止胶条松脱导致压板脱钩失效，在压板两端挂钩处设置橡胶块限位。
单元幕墙虽然采用雨幕等压防水，但仍有可能存在少量渗漏，渗漏水需要排放到室外，单元幕墙排水路径图见图5、图6。本项目采用分层内排水结构，上一层的少量渗漏水，通过上横梁的泄水孔D，进入上横梁前端封闭导流腔，通过导流腔两端部的泄水孔E流入立柱前端空腔，排放到下层外腔并排放到室外。由于采用分层内排水，室内外的压力差不足以把室外雨水倒灌进内腔，相比横梁内外腔直通的排水方式更可靠。
3.1.2 外倾面单元幕墙
外倾面单元幕墙面板采用8HS+1.52PVB+8HS(LOW-E)+12A+10TP夹胶中空玻璃，夹胶片在室外侧。立柱采用与竖直面相同截面构造，横梁根据外倾角度采用不同截面，以使横梁室内装饰面水平、等宽且与竖直面横梁标高一致，室外的明框压板在正投影的高度也保持一致。在结构计算时需考虑面板重力荷载对框架以及压板的附加作用。厂房的外倾单元幕墙系统竖剖节点见图7，办公楼的外倾单元幕墙系统竖剖节点见图8。
3.1.3 内倾面单元幕墙
内倾面单元幕墙面板采用10TP(LOW-E)+12A+8HS+1.52PVB+8HS夹胶中空玻璃，夹胶片在室内侧。立柱采用与竖直面相同截面构造，横梁根据内倾角度采用不同截面，以使横梁室内装饰面水平、等宽且与竖直面横梁标高一致，室外的明框压板在正投影的高度也保持一致。厂房的内倾单元幕墙系统竖剖节点见图9，办公楼的内倾单元幕墙系统竖剖节点见图10。
相邻单元板（词条“单元板”由行业大百科提供）块之间通过立柱间及横梁间对插，形成前、后腔，利用雨幕等压原理防水。内倾单元幕墙由于雨水的重力作用，对密封胶条存在持续的压力，将可能渗漏进前腔甚至内腔。故内倾单元幕墙系统需要考虑防水的加强措施，在板块之间的缝隙(包括立柱之间以及横梁之间)注胶密封，同时将渗漏到内部的少量渗漏水排放到室外。内倾单元幕墙的排水路径示意图见图11、图12所示。
如图11，内倾单元幕墙上下横梁之间注胶密封，且采用了深胶缝，不遮挡下压板的泄水孔A。下横梁前端悬臂处设置泄水孔B，上横梁前端与上压板挂接处局部铣开泄水孔C。与其他立面一样，上横梁设置泄水孔D和E，下压板设置泄水孔A。图11和图12表示了内倾单元幕墙几种渗漏水的排水路径。路径A示室外渗漏到横向明框压板内部的雨水，从泄水孔A中直接排到室外。路径B示渗漏到面板端部与铝合金护边之间空隙的雨水，将沿该空隙往下流到下横梁底部，从泄水孔B流入上下横梁之间的前腔，并沿上横梁与上压板之间的泄水泄水孔C处排出。路径C表示从单元立柱之间胶缝渗漏到单元立柱之间前腔的雨水，沿立柱之间前腔流到单元上下横梁之间前腔，并从泄水孔C排出室外。路径D与其他立面单元幕墙一样，渗漏到单元立柱和横梁之间内腔的雨水，汇集到上横梁内侧槽，沿泄水孔D流入上横梁前端封闭导流腔，通过导流腔两端部的泄水孔E进入立柱前端空腔，排放到下层外腔并排放到室外。通过以上措施，即使有雨水渗漏进内部，也将排放到室外。
3.2 金属幕墙
本工程厂房西南角为扭曲的钛金复合蜂窝板幕墙，从厂房屋顶往下延伸，绕过连廊至办公楼西南角屋顶，呈飘带状把整个建筑连成整体。金属幕墙局部立面见图13。
钛金复合蜂窝板幕墙采用空缝形式，内层采用2厚内衬板防水密封，固定于内层钢龙骨上，内衬板之间注胶密封。从内衬板胶缝中伸出钢板连接件，固定外层铝合金龙骨。铝龙骨带齿配合齿垫片，可使铝合金龙骨前后可调。钛金复合蜂窝板四边安装铝附框，并镶嵌胶条以防止摩擦噪音。采用铝合金压块及内六角螺栓将面板固定在外层铝龙骨上。钛金复合蜂窝板幕墙大部分是扭面以及外倾面，两者采用曲面过渡。室内侧采用2厚铝板（词条“铝板”由行业大百科提供）做装饰面板（词条“饰面板”由行业大百科提供），固定在钢龙骨上。钛金复合蜂窝板幕墙系统节点见图14、图15。
4 BIM应用
4.1 BIM必要性及应用
本工程的金属幕墙通过扭面、曲面、外倾面等组合，呈飘带状将厂房、连廊及办公楼连接成整体，扭面与外倾面通过曲面转接过渡(见图16、图17)。厂房东南角以及办公楼西北角的单元幕墙是竖直面与外倾面采用曲面过渡，弧形部位的面板以及龙骨存在弯曲和扭转的情况(见图18)。连廊与厂房、办公楼的交接部位也存在几个面交接的情况(见图19)。这些异形部位也是本工程设计和施工的难点。
针对以上难点，在设计和施工中采用了BIM技术，在Rhino+Grasshopper平台对幕墙工程进行整体建模。BIM技术主要的应用有：①建立三维模型后，可将项目整体效果直观地展示，特别是金属幕墙从塔楼扭面到连廊外倾面的曲面过渡、塔楼竖直面与外倾面弧形过渡位置，以及塔楼与连廊交接部位细节，使设计、施工人员更好地理解空间关系;②与主体结构、空调通风、灯光等其它专业协调碰撞检查，提前发现冲突，避免施工过程整改。例如通过碰撞检查发现了连廊吊顶位置幕墙与主体钢结构间的干涉问题，及时让设计院修改了钢结构;③对整个项目的材料下单提供了全方位的技术支持，通过模型可直接输出龙骨、面板的规格尺寸，大大提高了准确率和工作效率;④为现场测量放线提供了各个系统控制点的三维坐标，结合全站仪，控制点准确打点，确保在安装过程与三维模型吻合。三维模型见图20、图21所示。
4.2 塔楼外倾面与竖直面圆弧转角板块优化
外倾面圆弧转角(见图18)是一个类似于倾斜圆柱的设计，每一层平面线为相同半径和相同弧长的圆弧线段，随着楼层增加，弧线段逐渐向外推移。模型搭建过程中，如果直接用平面图纸的线条放样出玻璃面，生成的表皮为非圆柱面，不利于玻璃的生产加工。为解决这一问题，在实际建模时，先从平面图中上下层弧线段的圆心，定位出圆柱的轴线，找一个垂直于轴线的平面，与前面生成的曲面相交，再以交线为基础，找到最合适的圆弧线段，用后面生成的圆弧线段放样生成的曲面为真正的圆柱面。按照圆柱面分割出来的每一个分格的玻璃，展开图左右两条边为直边，而上下两条边是不规则的曲线，通过参数化手段，可快速找到一条与原曲线误差在2mm以内的圆弧线段，作为玻璃加工切割的依据。展平优化后的弧形玻璃见图22。
从竖直面到外倾面的过程中，弧形位置这一段横梁截面的四边形内角是逐渐变化的，造型非常复杂，加工难度大。经过反复建模推敲，决定重新定位弧形横梁的参考线为：中横梁以下表面外端点与立柱面平齐，上下横梁以下横梁上表面内端点与立柱室内面平齐(见图23)，这样可以最大限度地保证外露面的最佳效果。然后结合已有的直面和两个外倾斜面的横梁模具尺寸，分别在办公楼和厂房两个弧形面上放样，最终在保证横梁与玻璃面不产生干涉的基础上，于现有的模具中挑选出既能满足外观要求，同时还是单曲造型的横梁，同时可直接导出横梁的加工图。
4.3 塔楼扭面、连廊曲面金属幕墙的优化与施工
钛金复合蜂窝板幕墙系统的大面都是扭曲面板，传统的加工下料方法无法准确定位，我司在本项目中实现了异形面板全程由BIM参数化跟踪，优化好的BIM模型直接对接工厂数控机床，通过格式转化后提取相关数据，达到精确生产目的。另外，由于钛金板幕墙系统龙骨的构造复杂，相互间交错穿插的情况多，非常不利于定位和安装。经与施工人员沟通，优化为在模型中将龙骨按实际拼接切割好，然后按楼层或按区域在工厂将龙骨预组装成一个模块，现场安装时只需要找少量的定位点就能把同一楼层或同一区域的龙骨就位，降低了施工误差也提高了安装效率。见图24、图25。
钛金复合蜂窝板幕墙系统的室内铝板是平行于室外表皮，理论上也是扭面板，并且在与单元玻璃幕墙立柱收口位置，容易出现与立柱内表面错开的现象。根据现场施工经验，1m内翘曲度小于5mm的误差，现场安装时可通过面板冷弯（词条“冷弯”由行业大百科提供）来调整安装，该位置室内净空约3m，所以面板翘曲15mm以内可以优化为平板加工。室内铝板在层间结构位置是断开的，可以运用BIM软件中的有限元分析工具，将面板翘曲度小于15mm的铝板转化为平板，从而减少了翘曲面板加工数量。
5 结语
本文介绍了单元玻璃幕墙以及空缝金属幕墙的构造，特别是单元幕墙在竖直面、外倾面和内倾面几种情况的组合使用以及内倾单元幕墙在防排水方面的综合考虑。幕墙系统经过物理性能检测，均满足设计要求。本文也介绍了BIM技术在异形位置的应用，解决了设计和加工的难题，对异形幕墙设计、施工方面具有一定参考意义。BIM技术在项目的建设过程中起着越来越重要的作用，作为一种数字化技术，极大改变了传统的建设模式。在当前国家大力推行新基建的背景下,BIM技术在未来建筑业中将得到更广泛的应用，高效发挥BIM技术本身的数字化优势，可以极大促进基础设施的高质量发展。
作者单位：中山盛兴股份有限公司
