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摘要：近年來(lái)，隨著設(shè)計(jì)理念的不斷更新，建筑設(shè)計(jì)的造型越來(lái)越復(fù)雜，形式越來(lái)越多樣；更有業(yè)主為追求標(biāo)新立異，與眾不同，常會(huì)有大膽的想法，這樣就對(duì)幕墻設(shè)計(jì)提出了更高的要求；其中尤以大角度扭轉(zhuǎn)單元幕墻設(shè)計(jì)難度最高。
本文通過(guò)對(duì)大角度扭轉(zhuǎn)單元式幕墻設(shè)計(jì)進(jìn)行 CAD模擬分析，對(duì)其基本設(shè)計(jì)思想進(jìn)行剖析，以及設(shè)計(jì)中要注意的問(wèn)題進(jìn)行歸納，為日后同行在設(shè)計(jì)同類型的項(xiàng)目提供參考。由于應(yīng)力安裝法 (俗稱冷彎（詞條“冷彎”由行業(yè)大百科提供）法 )屬于常規(guī)作法，設(shè)計(jì)難度不大，是通過(guò)強(qiáng)制性外力實(shí)現(xiàn)板塊的變形安裝予以解決的，故本文對(duì)此不作研究，僅對(duì)冷彎作法不能適應(yīng)的且扭轉(zhuǎn)角度大的單元幕墻系統(tǒng)進(jìn)行分析。
關(guān)鍵詞：單元幕墻；大角度扭轉(zhuǎn)；插接方式；空間框作法；排水設(shè)計(jì)；CAD模擬等
一、前言
目前采用空間扭轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)的建筑有逐漸增加的趨勢(shì) ，其外立面效果新穎，設(shè)計(jì)復(fù)雜。外幕墻可以采用框架作法 ，也可以采用單元式作法 ，框架幕墻作法比較簡(jiǎn)單 ，施工難度相對(duì)較低 ，單元幕墻由于是通過(guò)插接來(lái)實(shí)現(xiàn)密封的，所以其設(shè)計(jì)難度要大得多，因單元板塊是在廠內(nèi)組裝成整體 ，所以所有可能發(fā)生的問(wèn)題都要在設(shè)計(jì)階段給予解決或盡量解決，這種項(xiàng)目的設(shè)計(jì)解決思路不外乎三種方案 1.有應(yīng)力安裝法 (也有稱冷彎法 )；2.空間框作法 ，即本文所論述的大角度扭轉(zhuǎn)單元幕墻解決方案。
3.平板作法，面板相互錯(cuò)開如魚鱗狀排布。(但此種作法不能實(shí)現(xiàn)平滑的擬合曲面 ，本文不作闡述)
二、三種解決辦法的優(yōu)缺點(diǎn)
1.有應(yīng)力安裝法：組裝成平板，現(xiàn)場(chǎng)帶應(yīng)力安裝，強(qiáng)制性實(shí)現(xiàn)板塊的變形，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)外立面的整體扭轉(zhuǎn)效果，俗稱冷彎法。
優(yōu)點(diǎn)：
a.設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，按常規(guī)單元幕墻作法，僅僅是通過(guò)安裝予以解決；
b.價(jià)格要優(yōu)于空間框作法；無(wú)論材料用量及工作加工費(fèi)用都與常規(guī)單元作法無(wú)異。
缺點(diǎn)：
a.幕墻桿件及板材長(zhǎng)期處于扭轉(zhuǎn)應(yīng)力狀態(tài)下，玻璃等脆性材料在此長(zhǎng)期應(yīng)力狀態(tài)下的力學(xué)性能目前還缺少相關(guān)的研究；由于這種安裝方法是通過(guò)外力強(qiáng)制性實(shí)現(xiàn)板塊的變形，通過(guò)與轉(zhuǎn)接系統(tǒng)連接，強(qiáng)制板塊的第四個(gè)點(diǎn)(指平面外的點(diǎn))到達(dá)平面外的某一點(diǎn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)外立面的整體扭轉(zhuǎn)效果，所以這種辦法是通過(guò)安裝予以解決的，確切的說(shuō)為非設(shè)計(jì)解決方案。
b.適用范圍較小，這種辦法僅適用于空間扭轉(zhuǎn)較小的設(shè)計(jì)，第四個(gè)點(diǎn)(指平面外的點(diǎn))與板塊另三點(diǎn)確定的平面的垂直距離(以下用 h代替)不大的單元幕墻，由于 h值與分格寬、平面扭轉(zhuǎn)角度相關(guān)，可以通過(guò)幾何公式推導(dǎo)；但多大的 h值更合適，目前沒有相關(guān)研究，也沒有相應(yīng)的理論成果參考，原則上 h值不大于 20mm(個(gè)人建議)，可以采用本方法，本值僅供參考，也可由實(shí)驗(yàn)確定。
c.安裝難度較大，由于單元幕墻是通過(guò)插接方式實(shí)現(xiàn)板塊安裝的，當(dāng)目標(biāo)板塊就位后，其相鄰板塊未就位前仍是平面的，與已經(jīng)扭轉(zhuǎn)的板塊安裝就會(huì)出現(xiàn)插接困難，要采用專業(yè)工具才能完成安裝.
2.空間框作法：工廠組裝成異形板，板塊的第四點(diǎn)(指平面外的點(diǎn))，與板塊另三點(diǎn)不共面，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)外立面的整體扭轉(zhuǎn)效果，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)正常安裝。面板材料為平面如玻璃，但相鄰面板相互錯(cuò)開(如不考慮骨架)，為魚鱗狀排布見下圖五、六。
優(yōu)點(diǎn)：
a.實(shí)現(xiàn)無(wú)應(yīng)力插接，其安裝方式同常規(guī)單元。
b.實(shí)現(xiàn)冷彎法不能實(shí)現(xiàn)的大角度扭轉(zhuǎn)單元項(xiàng)目。
c.如設(shè)計(jì)得當(dāng)，可以達(dá)到平面單元的所有性能。
d.外裝飾效果好，無(wú)影響。
缺點(diǎn)：
a.第四個(gè)點(diǎn)(指平面外的點(diǎn))與板塊另三點(diǎn)確定的平面不共面，加工難度較大。
b.排水設(shè)計(jì)可能導(dǎo)致單元橫框加大，造價(jià)略有增加。
c.設(shè)計(jì)難度大，對(duì)設(shè)計(jì)師提出更高的要求。
d.室內(nèi)橫龍骨不在同一標(biāo)高，如以外立面中間板塊 A點(diǎn)為基準(zhǔn)，會(huì)出現(xiàn)不同板塊的室內(nèi)橫框 B點(diǎn)或 C點(diǎn)左高右底或右高左底的現(xiàn)象(如圖八)，如果房間柱間距較大則對(duì)室內(nèi)效果有影響
e.左右玻璃不在一條等溫線上，保溫性能略有降低。
3.平板作法：
優(yōu)點(diǎn)：
a.設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，按常規(guī)單元幕墻作法，受力體系合理。
b.加工安裝簡(jiǎn)單。
缺點(diǎn)：
a.面板相互錯(cuò)開如魚鱗狀排布，不能實(shí)現(xiàn)平滑的擬合曲面 ，對(duì)外立面效果有影響。
b.左右豎框不等長(zhǎng)且型材較上述兩種作法大。
三、大角度扭轉(zhuǎn)單元的空間幾何特點(diǎn)
扭轉(zhuǎn)單元幕墻的板塊一般設(shè)計(jì)成空間平行四邊形 ，其第四個(gè)點(diǎn)(指平面外的點(diǎn))與板塊另三點(diǎn)確定的平面的垂直距離(以下用 h代替)不大的單元幕墻，由于 h值與分格寬、平面扭轉(zhuǎn)角度相關(guān)，且與單元板塊內(nèi)板材的分格大小有關(guān)；可以通過(guò)幾何公式推導(dǎo)，本文以圖示工程為例推導(dǎo) h值與相關(guān)參數(shù)的關(guān)系 ，其公式為
也可以采用 CAD三維放樣測(cè)量 h值，經(jīng)比對(duì)，理論計(jì)算值與實(shí)測(cè)值完全相等 (見表一 )。
為了確定面材的尺寸及形狀，我們要先找出分格中心線之間的尺寸，及相鄰邊的夾角，分格尺寸(表一)減去系統(tǒng)的構(gòu)造厚度可得面材的設(shè)計(jì)尺寸(即施工時(shí)的下料尺寸)因?yàn)椴捎每臻g框作法的單元系統(tǒng)，其面材如：玻璃，是平面的。翹起距離(h)的大小決定采用冷彎法還是空間框作法，對(duì)此要對(duì)一個(gè)層間的板塊進(jìn)行三維放樣，如圖四為板塊編號(hào)圖 ，從左至右為NO.1、NO.2……NO.27。
經(jīng)對(duì) 27個(gè)板塊測(cè)量，得到平面分格尺寸理論數(shù)值統(tǒng)計(jì)表(表一)
分析以上統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出，翹起距離(h)為一定值 78.6mm，如采用冷變作法，則面材及骨架要在強(qiáng)制外力作下達(dá)到如此大的變形才能實(shí)現(xiàn)建筑效果；由于玻璃為脆性材料，顯然對(duì)材料的要求過(guò)高，且項(xiàng)目本身要求高造價(jià)不菲；如系統(tǒng)選用不當(dāng)，導(dǎo)致板塊破損，則會(huì)造成昂貴的后期維修成本，得不償失，綜上所述故采用空間框作法。
表一可以看出 a值近似等于 b值、c值近似等于 d值且玻璃之間夾角相等，故面材可按平行四邊形設(shè)計(jì)。平面面板與空間框位置關(guān)系如采用全隱幕墻作法則如圖五所示，如設(shè)計(jì)成明框單元幕墻則面板要后退至型材槽口內(nèi)，這樣在 a、c兩條邊形成兩個(gè)三角形間隙，這樣就要在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)這兩個(gè)三角形間隙給予考慮，既補(bǔ)償條；由于鋁型材末端不宜加工成尖銳的三角形，故要按梯形設(shè)計(jì)，如圖十一.
當(dāng)采用明框單元幕墻設(shè)計(jì)，玻璃要鑲嵌在龍骨與外扣板形成的槽口內(nèi)， a與 a′、c與 c ′兩條邊形成的梯形補(bǔ)償條為室內(nèi)龍骨間隙補(bǔ)償條，另一個(gè)為室外梯形補(bǔ)償條，可由室外的鋁扣板銑加工而成。同時(shí)，因?yàn)楣こ趟诘貫楹涞貐^(qū)要采用斷熱設(shè)計(jì)，所以設(shè)計(jì)難度更大，以下對(duì)設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)進(jìn)行三維放樣分析。
四、大角度扭轉(zhuǎn)單元的設(shè)計(jì)特點(diǎn)
1.扭轉(zhuǎn)單元排水坡度參數(shù)的設(shè)計(jì)
由于板塊與水平面成不同的夾角，如圖示板塊與平面夾角示意圖27個(gè)板塊與水平面的夾角均不同，其最小夾角為 76 0，有內(nèi)傾有外傾，因橫框設(shè)計(jì)時(shí)垂直于玻璃板，故單元上橫框設(shè)計(jì)時(shí)，外排水坡度要大于 76 0方可順利實(shí)現(xiàn)排水(對(duì)本工程內(nèi)傾板塊)；最不利板塊設(shè)計(jì)如圖七所示。
為減小鋁型材斷面尺寸，設(shè)計(jì)采用整體式披水膠條，整體式披水膠條一般 50m/卷，它具有防水密封可靠，十字接縫位置密封效果優(yōu)異，粘接（詞條“粘接”由行業(yè)大百科提供）環(huán)節(jié)少，依靠膠條就可實(shí)現(xiàn)本單元位置進(jìn)出水通道的隔離，在板塊發(fā)生錯(cuò)位變位時(shí)本身不會(huì)破壞等優(yōu)點(diǎn)；但是膠條用量較大，價(jià)格較高.但可以達(dá)到極佳的防水效果，如圖八所示。
2.梯形補(bǔ)償條設(shè)計(jì)
從圖五的示意圖可以看出，如果采用空間框作法，則玻璃面板有兩條相鄰邊是與龍骨相平行的不需要另加補(bǔ)償片，如 b，d邊，所以?shī)A持玻璃的槽口為定值；另外兩條邊要補(bǔ)償，才能使平面玻璃與空間框更好的夾持固定，如圖九、十所示，三維圖示如下(圖十一)。
3.扭轉(zhuǎn)后單元橫豎框交接面的三角形空隙的設(shè)計(jì)
扭轉(zhuǎn)單元橫豎框交接面為非垂直關(guān)系，故當(dāng)各個(gè)面交界時(shí) ，框料外輪廓間會(huì)產(chǎn)生三角形 ，對(duì)性能有影響的主要有如下幾處：
a.外立面橫豎向裝飾扣板
此部位位于外立面，需對(duì)此三角形空隙進(jìn)行考慮，其中將豎向裝飾扣板作加長(zhǎng)處理，可以很好的解決此問(wèn)題，這種作法的另一個(gè)好處解決了橫豎向扣板對(duì)齊的安裝難度，人為的設(shè)計(jì)為不平，裝飾效果好。
b.室內(nèi)側(cè)橫豎龍骨交界處空隙的設(shè)計(jì)室內(nèi)橫框與豎框三角形空隙，可以將豎框加長(zhǎng)處理，如圖示十二的所示 ，由于事先已經(jīng)預(yù)見到，橫框會(huì)超出豎框尾部，故放樣
2、時(shí)人為將豎框加長(zhǎng)了 3mm，但仍然出現(xiàn)了左側(cè) 1.81mm、1.81mm右側(cè)1.93、2.62mm的空隙，說(shuō)明原來(lái)預(yù)先加長(zhǎng)的 3mm不夠，可以以最大點(diǎn) 2.62mm的值再作加長(zhǎng)設(shè)計(jì)，取其整數(shù)豎框較橫框加長(zhǎng)至 6mm，為保證氣密性（詞條“氣密性”由行業(yè)大百科提供）不受影響，在橫豎龍骨交界處、膠條位置可以打密封膠刮平，保證密封效果，仍能達(dá)到要求。
c.插接位置空隙的設(shè)計(jì)
如上圖示2.3，在橫豎框前后兩道密封線位置，都出現(xiàn)了階差，上圖2在放樣時(shí)人為將豎框密封線較橫框密封線后置了 1.8mm，但從三維圖上看，橫框密封線位置仍然向后了 0.3mm，故在正式設(shè)計(jì)時(shí)，豎框密封線較橫框密封線可后置 2.1mm，考慮到組裝誤差，此值可增加到 2.5mm，同時(shí)將豎框的密封線處的壁厚加厚到 5mm，當(dāng)豎框作鋌加時(shí)，可以作適當(dāng)?shù)那袖N，以保證密封線在同一平面內(nèi)。綜上所述，經(jīng)調(diào)整后的橫豎向標(biāo)準(zhǔn)單元節(jié)點(diǎn)圖可按圖示設(shè)計(jì) (圖十三、十四 )：
4.扭轉(zhuǎn)單元豎框的室內(nèi)“甩尾“現(xiàn)象
從圖十五可以看出，四個(gè)單元的插接豎逢不在同一直線上，上下層之間會(huì)形成一個(gè)階差，這點(diǎn)是與正常平直單元幕墻不同的如圖十六所示 ，但由于此部位位于室內(nèi)裝飾面以內(nèi)，被樓板（詞條“樓板”由行業(yè)大百科提供）隔開，盡管實(shí)際會(huì)存在這一現(xiàn)象，但不會(huì)對(duì)內(nèi)飾效果造成影響；從圖五的正投影上也可以確定，這個(gè)值為 4mm。左右板塊橫框不在一個(gè)標(biāo)高上，如前述第二節(jié)所說(shuō)空間框作法缺點(diǎn)的 d條：室內(nèi)橫龍骨不在同一標(biāo)高，如以外立面中間板塊 A點(diǎn)為基準(zhǔn)，會(huì)出現(xiàn)不同板塊的室內(nèi)橫框 B點(diǎn)或 C點(diǎn)左高右底或右高左底的現(xiàn)象(如圖八)，如果房間柱間距較大則對(duì)室內(nèi)效果有影響 .但通過(guò)內(nèi)裝飾的設(shè)計(jì)，此問(wèn)題可以彌補(bǔ)。
5.空間四邊形單元體連接件設(shè)計(jì)
從表一的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出， a值近似等于 b值、 c值近似等于 d值且玻璃之間夾角相等，故空間四邊形單元的正投影近似為平行四邊形，為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，連接件可以按平行四邊形單元的特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì) ，主要保證三維調(diào)整
連接件材質(zhì)，可以采用鋁合金（詞條“鋁合金”由行業(yè)大百科提供）材質(zhì)，也可采用碳鋼材質(zhì)，從成本上考慮，碳鋼連接件更具競(jìng)爭(zhēng)力，本文以碳鋼連接件為例闡述其設(shè)計(jì)如圖十七：
五、設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)
因本文是采用 CAD三維模擬分析，在工廠加工、組裝或安裝時(shí)可能會(huì)有其它無(wú)法預(yù)料的問(wèn)題發(fā)生，所以可從管理程序上進(jìn)行管控，以減少特異性幕墻的設(shè)計(jì)失誤，規(guī)避損失；可先作樣件、試驗(yàn)、試裝、改進(jìn)系統(tǒng)，成熟后方可大批量生產(chǎn)組裝。
對(duì)于這種異形的設(shè)計(jì)，三維放樣是不可少的，從中找出規(guī)律，本文中提到的 27個(gè)標(biāo)準(zhǔn)層板塊，還可以按相鄰板在統(tǒng)一提煉(如相鄰板尺寸相差較小，在一定范圍內(nèi)按一種設(shè)計(jì))，以減少板塊的類型。
由于空間單元板塊不在同一平面內(nèi)，對(duì)安裝及運(yùn)輸是不利的，為加強(qiáng)其抗扭性能，橫豎向連接可以采用鋼或鋁角碼加強(qiáng)；另外在連接件上要注意預(yù)留吊裝孔。
對(duì)于不同的此類扭轉(zhuǎn)項(xiàng)目，因分格寬、扭轉(zhuǎn)角度的不同，豎框加長(zhǎng)的尺寸及橫豎框密封線之間的后退尺寸都不盡相同，因此要獨(dú)立放樣后才能最終確認(rèn)，本文中的相關(guān)尺寸是針對(duì)此項(xiàng)目的，不具有普遍性，但其作法原理是相同的；對(duì)于扭面的隱框或半隱框單元幕墻也可參照此法。
膠條槽口處，橫豎框前端面相交接部位，也存在三角形間隙問(wèn)題，但可以通過(guò)膠條彈性變形的變化給予解決，也可以作大膠條外緣蓋過(guò)型材邊線，對(duì)密封及外觀無(wú)影響。
單元上下相鄰板塊之間存在一定的夾角，本項(xiàng)目夾角為 1度，故單元上橫框與下橫框之間將存在 1度的夾角，因此角較小，插接部位可以按平面設(shè)計(jì)，安裝時(shí)通過(guò)膠條及插接間隙即可消除此影響。
經(jīng)過(guò)如上的分析后，將面材與龍骨的相對(duì)位置確定后，最終模擬圖三維放樣后的渲染效果見圖十七：
六、結(jié)束語(yǔ)
盡管對(duì)一此復(fù)雜的單元幕墻設(shè)計(jì)還沒有成型的經(jīng)驗(yàn)可借鑒，但并不是因?yàn)樾袠I(yè)沒有涉足，就不嘗試。搞技術(shù)一定要先懂基本原理，然后才能對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)并評(píng)判，先判定系統(tǒng)是否可行，如設(shè)計(jì)系統(tǒng)從三維放樣圖上就判定有問(wèn)題則要重新先擇，否則后患無(wú)窮，借助于 CAD強(qiáng)大的三維功能，通過(guò)建立模型分析，模擬實(shí)際，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，改進(jìn)系統(tǒng)；可以讓我們快速而經(jīng)濟(jì)的對(duì)一套系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)判，由此對(duì)設(shè)計(jì)師的基本技能提出了更高的要求。
從上文來(lái)看，采用橫滑式單元系統(tǒng)完全可以適用于扭轉(zhuǎn)外形項(xiàng)目的使用，只要在細(xì)節(jié)上稍加改進(jìn)，其它性能幾乎不受影響。
