双曲面幕墙设计难点问题及优化策略研究

双曲面幕墙设计难点问题及优化策略研究

王云飞

中山中瑞建筑装饰工程有限公司

摘要：本文主要对双曲面幕墙设计难点问题及优化策略进行分析与探讨，以供同仁参考。

关键词：双曲面幕墙；设计难点；优化策略

一、前言

近年来，随着我国城市化进程的不断推进，建筑业也得到了飞速的发展，各种复杂形式的幕墙在建筑中的应用越来越广泛，双曲面就是其中应用较为广泛的一种。双曲面幕墙工程规模大，施工技术要求高，幕墙的设计制作、施工安装的难度大。基于此，本文主要对双曲面幕墙设计难点问题及优化策略进行分析与探讨，以供同仁参考。

二、双曲面幕墙设计的方法

（1）设计预控法。采用此种方法设计双曲面时，应该对结构变形进行分析，从而计算出变形量，得出设计双曲面玻璃幕墙与屋面板的尺寸和变形位移量。

（2）施工预调法。采用此种方法设计双曲面时，在正式施工前施工人员需要进行电子模拟施工分析以及计算施工变形，在施工的过程中跟踪监测钢结构以及幕墙安装，并且需要及时地反馈变形偏差值，合理地对结构和幕墙施工进行调控，最大限度地减少并消除施工变形偏差。

（3）幕墙安装微调法。采用此种方法设计双曲面时，需要对结构加工安装产生的小量偏差变形，利用幕墙节点进行吸收消化。

（4）施工终结吻合法。采用此种方法设计双曲面时，施工放线需要在建筑屋顶钢结构施工完成并卸载后再进行，尽可能地减少卸载对幕墙施工放线精确度的影响。

三、双曲面幕墙设计技术难点问题

用双曲面幕墙空间有着比较大的弧度，具有不对等宽度的特点，给人以视觉上较大的冲击力。但是，在增添建筑外观美观性的同时，给施工也增加了难度，这就需要设计人员在设计时具有较高的技术水平，从而实现双曲面幕墙设计的美观性与实用性。

像我们在进行斜面曲面幕墙设计时，由于该种形式幕墙不适宜采用吊挂单元形式幕墙的做法，因为其大部分板块的大小不具有规律性，单元板块种类过多且带有角度，收口节点处理过于复杂，同时会使加工周期变长。当无法以常规单元板块的形式设计时，可以选择以三角形分格方式的框架式幕墙设计，并且幕墙系统需考虑面板与龙骨之间的柔性连接，避免室内室外存在温差时产生的噪音。

另外，曲面幕墙往往不是单曲面，很多时候由双曲面构成，分格划分应以三角形优先，尽量减少含有矩形的板块，因为矩形的玻璃板块与相邻板块会出现四点不是共面的情况，面板有一个角相对于边邻板块会翘起，分格缝之间的交接难以达到顺滑过度，会出现鱼鳞形状式的接缝，影响外观和防水性能的同时也给施工带来不少的难度，工期也极难保证。

例如某大夏裙楼为双曲面玻璃幕墙，原始方案的本意是设计成菱形的玻璃板块，通过三维软件模拟建模后发现转折处的玻璃翘点太高，同时板块也不利于加工，玻璃面板安装时会凸出钢龙骨表面，基于以上的情况，设计时在菱形分格的中间处增加了一道竖向分格，变成三角形的玻璃板块，这样做的好处就是使玻璃在弧形转接的位置可以顺利过渡，避免强迫安装，施工放线安装方便，对于钢结构的受力来说则是力的传递方式更为清晰，在原来菱形没有增加一道竖向龙骨的时候，钢架构件之间呈一个网状的关系：构件相互受力之间的传递方式比较复杂，主次龙骨不明显。经模拟计算，计算模型上有局部位置应力偏大，最大值到达297Mpa，需采用Q345B钢材，强度设计值方能能满足设计要求。同时分析了单层网壳的挠度和稳定性，虽然均符合规范设计要求。然而，考虑到双曲面钢结构节点焊接为现场焊接，每个节点连接需要达到刚性连接，对焊接要求非常高，因此在不影响外观效果的情况下，在层间位置加一道横向梁，竖向杆件支撑于横向梁上：受力体系由原来的单层网壳薄膜内力→支座改变为斜向杆件→竖向杆件→横向梁→支座，修改之后的体系力的传递路径清晰、简单，斜向杆件与竖向杆件采用3级焊缝，杆件受力均匀，挠度、稳定性均能满足设计要求。钢架按照整体建模，弧形钢架近似圆形（椭圆形钢架，边界层分离产生涡街效应小于圆形，所以计算采用体型系数为-1.7，按H/D=1时最不利荷载取值）采用MIDASGEN8.0进行模拟计算，沿主体梁方向加横向横梁时，钢材采用Q235材质。

根据建筑结构荷载规范GB50009-2012，给出计算围护结构风荷载计算公式计算出风荷载与地震荷载组合标准值，建模并导入荷载。

计算的荷载组合按（1.2自重+1.0×1.4风荷载+0.7×1.4施工荷载）。

荷载组合作用下结构最大应力为160.0Mpa<215Mpa，风荷载标准值作用下，结构最大挠度均满足计算要求。

幕墙设计方案确定后，为了验证方案的防水性能及安装工艺，特意选取了定位压框与点式两种幕墙形式在加工厂试样作为对比。由于玻璃板块较小，若采用点式幕墙的形式显得太过密集反而会影响建筑效果，因此最终的方案确定为定

距压块固定的框架式幕墙。对于幕墙的三角玻璃形板块可设计成组框方式，在加工厂一次性加工完成，现场只需要嵌入固定在钢构支架中部通过机械连接固定即可，边部采用密封胶条与密封胶封堵，由于钢管是圆管，三角形的铝合金副框组角时还要考虑与圆管相关线处的交接铣口。安装时副框需与钢管用密封胶封堵，

一方面可以隐藏副框铣口外露的铝白色，另一方面可以加强幕墙的气密性能。

四、双曲面幕墙设计技术难点问题的优化策略

在进行双曲面幕墙工程设计时，要掌握设计技术难点，要注重曲面幕墙龙骨及转接件的设计。幕墙龙骨是幕墙的重要支撑体系，应采用钢龙骨，较之铝合金龙骨有良好的可弯曲性能，还有其方便的焊接连接性能，易起到结构连接作用，增加结构的整体性，提高建筑的牢固性。

另外，设计人员在设计中应借助BIM软件，优化曲线龙骨的形状，使幕墙设计的曲面造型与实现情况相符。掌握设计技术难点，首先要选择具有针对性的模型来进行计算，避免在计算中使材料性能与安装过程时产生较大的误差。对计算模型进行有效的分析，降低调整力与变形间的差异；其次，控制预埋件误差。设计人员要结合曲面造型的的具体情况，提高预埋件的定位精确度。最后，用3D软件二次建模优化曲面幕墙龙骨网形态。为了提高建筑外观的美观性，设计中要保证构件达到规定的弯曲效果，这样在安装双曲面幕墙施工时，可以按照设计要求与步骤进行安装，为提高施工质量提供有力的保障。

另外，对双曲面幕墙结构形式与材料设计进行优化。玻璃幕墙项目采用双曲面玻璃形式较为复杂。建筑物的中间部位，设置曲面钢结构组成由尺寸不同、规格不一样的支撑体系，空间上形成双曲面体型。设计采用专用的3D软件建模，准确的确定了曲面的位置及结构空间参数设置，保证所完成施工图纸设计及工艺精确程度。为了达到建筑设计所要得到的立面效果，设计中发明使用了新型节点处理方法来解决这一系列的技术难题，采用角度可自由调节的合页式龙骨底座来支撑双曲面玻璃幕墙，以适应双面幕墙、多个双曲面相交的交界处夹角的变化，在平面幕墙与曲面幕墙交接位置，即钢铝龙骨交接位置，要增加不小于10mm厚的热镀锌钢板插芯连接，同时注意两材料间增加防腐措施。考虑双曲热弯玻璃不能钢化，双曲部位选用双夹胶中空热弯玻璃和夹胶热弯玻璃，连接也采用了不锈钢夹板、压板，多途径的保证安全、稳定和可靠。

五、结语

总之，双曲面幕墙设计和施工由于其具有较高的优越性，在建筑外观应用中越来越广泛，增强建筑结构稳定性的同时，还具有一定的观赏价值。设计和施工人员技术水平应不断提升，从而促进了建筑行业的发展，为提高建筑性能与质量而提供有力的保障。

参考文献

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