苏州绿地中心幕墙设计详解|中铁总公司研发基地幕墙设计浅谈

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楼主 2019-01-12 16:36:07
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参考文章1


【BCW】金螳螂大作:滨湖新城苏州绿地中心幕墙设计详解

原创 2017-04-05 建筑幕墙 建筑幕墙


现代建筑的设计与发展,不断向新型的围护结构提出挑战,创新的围护结构技术应运而生,不断地用新的材料、技术和产品去实现建筑理想和人文情怀,将幕墙技术与建筑艺术完美结合。幕墙科技的发展,不断探索新的幕墙材料、技术和产品,使围护结构的功能更加多样、性能不断完善、实施更加容易、质量不断提高。新的材料、新的结构形式、新的加工制造和安装技术等,使得幕墙技术为现代建筑设计提供了更广阔的想象空间和更多可能性(图1)。

幕墙设计研究与技术的发展让复杂建筑的幕墙结构和性能变得容易实现。参数化设计、建筑信息模型的应用使得复杂建筑围护结构的实现成为可能,有效保证了围护结构的物理性能,营造舒适的室内采光、遮阳、隔声、通风及热湿环境,并且在自然灾害等极端状况下,有效地保证幕墙的结构安全性能和保持其使用功能。



图1



1

工程概况



苏州绿地中心地处太湖滨湖新城核心区,358m的超高层塔楼将成为滨湖新城和整个城市内引人瞩目的标志性建筑(图2)。76层高的建筑所呈现的弧形、收分的造型,犹如一部高性能的汽车,通过空气动力学的数字化建模对建筑造型进行塑造。塔楼的建筑造型经优化后能够充分利用场地内和场地周边的自然因素,从而最大限度地发挥其性能。在设计中同时兼顾到建筑的特征和结构功能,从而充分表现出该独具特色的塔楼所具有的建筑力度(图3~5)。

设计中将多项建筑功能有机地统一在一个单一的建筑体量中,包括坐落在37 000m2场地内的办公、服务式公寓、酒店和零售。塔楼30层以下为办公,30层以上为国际酒店和公寓。主体采用带伸臂桁架的框架-核心筒结构,上部楼层采用独特的分体式核心筒,通过结构钢支撑使其相互连接,与一个标准的中心核心筒系统相比,能创造出更具活力的高大的大堂空间(图6,7)。

基于此,塔楼设有一个30层高的“透视窗”,与酒店和住宅楼层相呼应,酒店区域设置了通高的中庭,每层设置室内观光阳台,东西两侧设置了通风装置,营造了一种在室内享受类似室外空间的感受。作为大楼的“肺部”,中庭立面由30层高的可开启式透视窗构成,中庭充当了建筑的“肺”来提供通风,在夏季可引入清凉的空气,并让自然光照进内部空间。设计既考虑到如何尽可能地为室内提供充足的日照,又考虑到如何便于大堂和公共空间的混合式通风,同时又能成为塔楼新风的供风源。建筑朝向的设计考虑到利用烟囱效应及通过中庭东西立面的盛行风来加强通风(图8,9)。



图2



图3



图4



图5



图6



图7



图8



图9



2

幕墙设计



本项目幕墙面积约为73 000m2,为一个典型的“双曲面”造型的异形幕墙体系,塔楼每层平面轮廓都有变化,建筑剖面方向也有1°的变化,因此整个建筑外形是一个扭曲的双曲面效果(图10~14)。幕墙系统主要包括:大面双曲单元幕墙系统、侧面平面单元幕墙系统、双曲钢框架幕墙系统和采光顶系统及雨棚系统等。

在此主要介绍大面双曲单元幕墙系统(图15):1)常见单元板块尺寸:1600(宽)X3900(4400)(高);2)面板材料:8mm+12A+8mm中空双银LOW-E钢化玻璃(外片超白);3)层间装饰条:7mm厚不锈钢板(振纹饰面)。

幕墙设计的重点是:双曲面幕墙的技术实现,BIM技术和玻璃冷弯技术的应用分析。



图10


图11



图12



图13



图14



图15



3

 BIM 技术的应用



建筑信息模型化是以三维数字技术为基础,集成了建筑工程项目中设计、建造、管理、运营等各种相关信息的工程数据模型,是对该工程项目相关信息的详尽表达。随着现代超高、超大型及复杂形体建筑的兴起,传统CAD制图方式已经很难表达清楚相关的数据信息,而BIM是解决这些问题的有效方式,它为设计师提供了可视化的虚拟建筑,使相关工程师特别是非专业人员更容易理解,并可以解决很多实际工程问题(图16)。



图16



3.1

 设计阶段



根据板块归类,对板块创建BIM实体模型,可以根据楼层标高及分格信息自动生成玻璃及型材的加工参数。由于塔楼形体变化,可以利用BIM模型进行幕墙形体分析,为设计师提供数据依据(图17)。



图17



3.2

 加工阶段



对于单元组框定位构件(如横框、竖框),可以将BIM实体模型通过中间格式导入数控机床进行自动加工;对于单元组框非定位构件(如护边、扣条),也可以根据BIM导出的参数化细目进行常规数控加工(图18)。



图18



3.3

 施工阶段



(1)施工模拟:可以在总包组织下进行分包间的施工模拟,检查工期是否合理(图19)。

(2)碰撞检测:及时发现问题并解决问题,避免问题留到现场以致耽误工期(图20)。

(3)结构标高偏差吸收:当楼板偏离理论标高较大且不能通过挂件吸收时,应用BIM技术现场测得楼板标高反馈到BIM设计,在幕墙设计的驱动参数表中更改对应楼层结构幕墙分格标高的偏移值即可,幕墙BIM模型会根据楼板标高得到对应的挂件位置(即在幕墙竖框上自动调节挂件高度去适应楼板)。既不增加材料成本,也不增加现场工作量(图21)。



图19



图20



图21



4

 玻璃冷弯工艺



玻璃冷弯原理就是利用平板玻璃本身具备一定弹性可弯曲的特点,让工厂加工好的平玻璃板块在工厂或工地现场安装时人工合理压弯安装就位,通过多块平板玻璃的压弯扭曲变形而达到拟合幕墙曲面的效果。

冷弯式玻璃幕墙系统是用于实现玻璃幕墙曲面效果的一种措施。该种玻璃幕墙结构体系中,玻璃采用平板玻璃,玻璃不需要热弯,安装于龙骨单元板块内的平板半钢化玻璃与龙骨单元板块曲面拟合,具有较高的性价比。

安装完成的板块内部,包括玻璃和型材都存在容许的内应力。在设计过程中,要利用BIM系统精确模拟所有板块和连接点并将数据系统化,在施工时准确定位所有连接点,使得板块可以互相冷弯压接(图22)。



图22



5

 BIM 数据统计分析与优化



运用BIM对建筑外立面所有板块进行建模、分析、数据整理,同时结合三维放样、结构受力分析及变形分析,通过合理的优化,整体节约造价,保证外观,提高性能,追求最理想的幕墙性价比。

根据塔楼三维线框模型,创建了塔楼的三维表皮及幕墙BIM模型:为了研究板块间空间关系,专门分系统对板块进行阶差分析。阶差分析方法为:取板块三个角点A、B、C作平面,第四角点D在平面上投影D1,阶差用于描述D与D1间的距离。将各系统阶差进行汇总,对不同阶差区段的板块数量进行统计(图23)。

对单元板块翘曲值进行分析,并运用ANSYS对单元板块进行冷弯受力分析后,得出几种适应本工程的结构形式:大部分板块采用工厂加工成平板单元,现场直接冷弯安装;少部分翘曲值较大的板块采用工厂组装异形框进行玻璃冷弯组成异形单元板块,现场直接安装;对于极少数翘曲值太大不能实现冷弯的板块,采用传统双曲玻璃与冷弯型材结合的方法进行安装,或采用小阶差分体框插接。

归类优化:理论上,在同一1/4区间内,其板块均不完全一样。即使南北立面上,相邻板块分格宽度一样,但其对应竖向边框尺寸及阶差也逐渐变化;为了减少单元板块种类,考虑将尺寸相差较小且阶差同在一个范围的板块合并。


图23



6

 幕墙结构体系




6.1

 现场冷弯(带应力安装)法



这种形式在本工程中占比例最大。即由工厂组装成平板,现场带应力安装,强制性实现板块的变形,进而实现外立面的整体扭转效果(图24)。

优点:设计相对简单,按常规单元幕墙作法,仅仅是通过安装予以解决;价格要优于空间框作法;无论材料用量及工作加工费用都与常规单元作法无异。

缺点:幕墙杆件及板材将长期处于扭转应力状态下,但玻璃等脆性材料在此长期应力状态下的力学性能变化目前还缺少相关的研究;由于这种安装方法是通过外力强制性实现板块的变形,所以这种办法是通过安装予以解决的,因此适用范围较小,仅适用于空间扭转较小的设计。此外,由于冷弯量与分格宽、平面扭转角度相关,但多大的冷弯量更合适,目前仍缺乏相关的研究,也没有相应的理论成果作为参考。对于小阶差的部位,可由工厂加工平板单元板块,在现场安装时通过冷弯将整个单元板块安装到位。在现场冷弯过程中,可以借助工具将单元板块冷弯到位,方便且准确。

对单元板块在现场单纯冷弯作用下进行有限元分析得出:对于单元板块而言,现场冷弯对其承载力影响很小。对单元板块在现场冷弯和外荷载共同作用下进行有限元分析得出:对于单元板块而言,风荷载及地震作用对板块的承载力影响较大,现场冷弯对其承载力影响有限(图25)。

当目标板块就位后,其相邻板块未就位前仍是平面的,与已经扭转的板块安装就会出现插接困难,安装难度较大,可通过ANSYS分析得到插接龙骨的变形数据,之后通过放样进行单元体冷弯变形及插接校核(图26)。

由以上对冷弯变形时的公母框放样可知,在竖框扭转角度0.75°的情况下,不会影响与相邻板块的插接,且在公母框插接后仍可以吸收0.5~1mm的竖框起拱变形,不会影响单元板块的插接。


图24


图25



图26



6.1

 空间四边形框架法



这种形式在本工程中占总比例较小。由工厂组装成异形框架,板块的第四点与板块另外三点不共面,进而实现外立面的整体扭转效果,现场实现正常安装。面板材料为平面玻璃,在工厂借助特制夹具进行玻璃冷弯, 使玻璃在应力变形的范围内进行冷弯变形,以达到幕墙所需要的扭转效果(图27)。

优点:实现无应力插接,其安装方式同常规单元;实现冷弯法不能实现的大角度扭转单元项目;如设计得当,可以达到平面单元的所有性能;外装饰效果好。

缺点:第四个点与板块另外三点确定的平面不共面,加工难度较大,组框的种类较多;设计难度大,须借助于BIM系统进行框料加工图数据分析、整理并归类,最终形成细目出图以指导下料加工,如果没有BIM工具支持,很难保证加工精度的需求。

对单元板块在工厂单纯冷弯作用下进行有限元分析得出:对于单元板块而言,工厂冷弯对其承载力影响很小。对单元板块在工厂冷弯和外荷载共同作用下进行有限元分析得出:对于单元板块而言,风荷载及地震作用对板块的承载力影响较大,工厂冷弯对其承载力影响有限。



图27



6.3

小阶差分体插接框做法



这种形式在本工程中占总比例也较小。工厂组装成平面梯形或平面四边形板块,板块角点都位于同一平面内,由工厂正常加工制作,现场可实现正常安装。面板材料为单曲热弯玻璃,横框为弯弧框,用单元横竖框设计的阶差及单曲玻璃以达到幕墙所需要的扭转效果(图28)。

优点:实现大角度扭转单元项目;可以不采用双曲热弯玻璃,大大节约成本;如设计得当,可以达到平面单元的所有性能;外饰效果良好。

缺点:外饰效果有很小的阶差;设计难度大。

因为单曲玻璃弹性相对平板玻璃较小,不能采用单曲再冷弯的方法,只能采用双曲玻璃或小阶差分体框插接。



图28



6.4

框架双曲面玻璃



钢结构整体构架幕墙,外包铝型材。玻璃均采用6mm+3.04PVB+6mmDLow-E+12A+8mm钢化中空夹胶玻璃(夹胶玻璃部分均为半钢化,外片超白),双银Low-E膜在夹胶玻璃内片内侧;玻璃均为双曲面(图29)。


图29



7

结语



计算机技术的迅猛发展为建筑设计中采用数字化技术提供了基础,建筑正朝两个方向发展:一是超高、大体量建筑不断出现;二是建筑物的外形日趋复杂,建筑师的创作思维越来越呈现百花争艳的局面,这都对幕墙技术提出了越来越高的要求。如何用创新的幕墙技术来践行现代地标建筑的设计理想,用创新幕墙技术和产品来实现建筑之美,如何通过幕墙设计和BIM等技术对设计加以完善,以及如何创新地使用特殊施工工艺和措施来克服工程中的技术问题,成为摆在幕墙设计师面前的难题。滨湖新城苏州绿地中心项目中双曲面异型单元玻璃幕墙技术实践正是我们践行创新理念的优秀实例,希望能为业内同行带来有益的借鉴。


作者简介:钱新宇,苏州金螳螂幕墙有限公司副总经理,金螳螂幕墙设计研究院总设计师、高级工程师,从事建筑与幕墙工程设计与技术管理近20 年,将幕墙技术与现代建筑相结合,对运用工程技术体现建筑艺术与文化与优化有深入的理解。


注:本文系原创,已刊登在《建筑幕墙》2016年12月总第4期杂志中。

如需转载请务必将以下图片贴到微信正文,否则视为侵权。

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关于《建筑幕墙》杂志

《建筑幕墙》是由中国建筑学会建筑幕墙学术委员会、中国建筑设计研究院、亚太建设科技信息研究院、现代都市建筑设计院联合主办的建筑幕墙专业学术期刊,由《建筑技艺》杂志社出版,随《建筑技艺》免费赠送读者,主要读者对象为建筑师、地产商、幕墙设计师等。杂志主要刊登国内外建筑幕墙的设计、研究、建造及新材料和新技术应用方面的论文,突出专业性、先进性、实用性和时效性。

联系电话:010-57368779,57368778


原文:https://mp.weixin.qq.com/s/od5lNRdoA-exltyPJ0zMgA

参考文章2


中铁总公司研发基地幕墙设计浅谈

2016-06-30 GOODLE 王洁富 谷德设计


不知道为什么,提到这个项目我就有种很复杂的情感,我想找个词竟然一时不知怎么形容,呵呵,真的,这是2010--2011年时我负责的一个幕墙工程,在我的职业经历里,这个工程其实显得并没那么重要,它设计及施工难度本身并不难,体量也不算大,但给我印象却很深!这源于当时的公司环境及管理方式,当然也有业主的管理方式,还有我们团队发生的一系列故事!完成这个项目真的费尽了心力,但结果还算不错,(获得了国优,呵呵,不错,是的,国优)至少是对当时的施工企业是这样,或许还有业主!

这个项目的大概情况如下:

工程名称:中国铁道建筑总公司工程技术研发基地 简称科研楼

工程地点:中国铁道建筑总公司机关复兴路40号,其实就是五棵松地铁口东南口出路边就是,很容易找到,位置不错。

主体结构形式:钢筋混凝土框架核心筒结构

建筑高度:60.00m

建筑层数:地下三层 ,地上十四层

地面粗糙度类型:C类

建筑物耐火等级:一级

抗震设防烈度: 八度

建筑类别:高层一类建筑

建筑设计使用年限:4类-100年,这个有点变态,是不是有点作!搞得我们幕墙风压取值也用100年一遇的,直接成本就上去了!

先来张效果图看看样子,有个印象:




一、幕墙系统主要有:

     A:钢格构石材幕墙系统(清石背栓系统,为什么用这个?说实话我也不知道哇)

     B:框架式玻璃幕墙系统

     C:采光顶

     D:雨篷

     E:观光电梯

     好了,我逐一介绍下以上几个系统,大家估计也看到了,以上系统并没什么复杂的,就是些普通的框架幕墙,我要说的是,方案设计的过程和施工过程中的感觉没有参与的人是不了解的。很多年前,在一个公司同事们经常开玩笑说的一句话用在这里很贴切:有困难要上!没有困难制造困难也要上!!

闲话不多提:看A:钢格构石材幕墙系统

它的大致效果如下:


不好意思,颜色有点失真啊,处理也不够自然,没办法,经费有限,效果图公司没的挑当时,呵呵,不如来看下实际效果,如下(竖过来看要):


,对你猜中了,这是样板图,很无耐,做完后我还没去看过,所以也没有完成照片。

     系统重难点:上面图片中的石材柱均出墙结构面700MM左右,而且整个楼都如此,原因是因为“Z形玻璃窗”的缘故,如果没太明白,不急,后面介绍它。这么大量且这么大规格的悬挑,对于石材幕墙来说不太好,我就设想了一种钢格构体系,哈,不装了,其实就是钢桁架,还不明白?就是...,那看看剖面吧,这样直观点:


怎样?看着还行吧,若还嫌不够直观,再来上张现场安装的图片,看来还是挺规整的:


这张有点远,看不太清,再来一张近照:

这回应该可以了,其实我要提醒刚入行的同志,这种结构的优点很突出,稳定,可以承受较大的跨度,但成本也略高,可能有的人会问连效果图的钱都要省,这个怎么就不能节省点,我得说明一下,的确,可以用最简单的钢龙骨悬挑,可以做支撑,也可以做双跨或者二者结合来做等等,在方案初创阶段,我也费了不少精力去论证和寻求最好的方案,以求达到我追求的“够且省”的原则。但是梁太矮了,没有办法,请看:

当时的公司领导一再强调,这个工程无比重要,我们要不惜一切代价要做好,其他不重要!啊,这话怎么这么耳熟,真的吗?呵呵!

再来看看横剖节点:

对于石材系统的选择,一开始我想选择背栓,我个人比较喜欢,认为用石材还是选它靠谱,一次业主说太贵(真的假的?这可与我们的施工企业的目标不同啊),我又调整为铝合金“SE型”挂件,在一次汇报中,被业主领导藐了一下,不是说用那啥吗?啊,我终于知道,我该选什么合适了,你们知道吗?

     B:框架式玻璃幕墙系统,对于此系统,其实没什么说的,就是一普通的玻璃幕墙,作了一引些系统上的优化,难点是转角窗位置,对了,就是上文提到的“Z形窗”转折过去仅仅290MM,当时费了不少周折实现这个效果,那个石材柱要突出玻璃幕墙最外边300MM,层层叠加,所以石材面就出结构面700MM了,U KNOW?好了不多说,节点如下:


C:采光顶幕墙系统:是首层位置地下室出地面所用,量不大,用的最简单的钢龙骨和隐框玻璃幕墙形式,我得说明,当时没有考虑冷凝水槽的设计,不知为什么,就是不想搞得那么麻烦!

     D:雨篷系统,把它单独拿出来说是很有故事的,从最开始初步方案设计之初,就对雨篷和观光电梯最重视了,哦,错了不是我重视,是业主的某个领导,究其原因,是主楼的外立右基本定型,因为东面的A座已经完工,不可能跟它太跳跃,但对局部位置,对,说的就是雨篷和观光电梯这两个地方,领导有很多的想法,我们也做了无数的效果和拍了无数的实体工程照片,甚至到最后都不管他类不类似,也就是那一次,我觉得自己好重要,我比建筑师还牛啊!


但最后还是被一一否了,前后折腾了快一年,其它都进场施工了,这两方案还没定,那位领导想要啥估计他也不确定。突然有一天,听说领导的领导要听汇报,我去了,还是这两个,当我刚打开PPT的首页,也就是有两张效果图,雨篷的,就听到一个很接地气的声音“这TM做的什么?”这些做法跟A栋一样,哈哈,忽然无比兴奋。


我终于解脱了,A栋咋样?请看图:


就是这样,早说嘛,折腾了我们一年,从中我总结了,汇报直接找拍板的就行了,但现实哪那么容易呀!

     E:观光电梯系统,跟雨篷一样,定方案的过程无比艰辛,关键是没有方向,但好在最后定了,呵呵。

系统是选用的半隐玻璃幕墙,一开始有人想用点式,我强烈建议改明框,因为分格太大了,我不想以后有事,最后完成效果不错,但我没有照片。分格如下图:

    写此文的过程仿佛回到了当年,想起了当年的小伙伴们,越是经历过艰辛的过程越是值得回味!幕墙设计一直被认为是边缘学科,大学都没有此专业,哦,好象听说有烟台某个大学开了此专业!我的同学当中也没人做这个,甚至以前跟他们说幕墙,都不知是干吗,搞得人好无耐。幕墙设计工作本身除了具有建筑设计及内装饰等设计行业面临的种种境遇外,还要解决结构,材料,加工及施工工艺,经济性等等诸多问题。所以说好的设计需要5-8年以上的磨练才能真正的独档一面(听一这里是不是怕了?哈哈),这里面还需要碰到好的团队和能提供不错资源的平台去得到锻炼!对人本身的要求除了耐得住寂寞,忍得了孤独,下得了功夫,挨得起埋怨,吃得了煎饼,守得住原则外,还得有积极乐观的人生态度和不错的沟通能力!要不你就会被冤死!当然刚入行的同志也不要被吓到,成就感也是有的,就是你路过曾经经历了一年半载或者好几载主持的幕墙建筑时,你会被自己吓到,原来特么漂亮!(虽然人往往记住的是建筑师,但是依然挡不住我们的成熟感)

 ............End...............


原文:https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzI2ODIwNzM5Mw==&mid=2650301557&idx=1&sn=a705407ae57803b249978c3cb8a1f5ab&scene=21#wechat_redirect



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