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​大块头有大智慧!幕墙“大板块”的装配式安装法

​大块头有大智慧!幕墙“大板块”的装配式安装法

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摘要:北京城市副中心机关办公区B3、B4工程项目,建筑幕墙设计为大板块装配式构造系统,需在工厂里利用专业设备和生产工艺加工,实现幕墙的结构、防水保温、外装饰材料一体化大板块组装,大板块幕墙出厂品质得以确保,板块在项目现场与主体结构经过简单的连接,快速完成建筑幕墙的施工。


关键词:建筑幕墙、大板块、装配式、构件单元、安装固定


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前言


2012年,中央人民政府决定把北京市政府东迁通州,以分散首都交通压力,使北京形成不同的功能区;同时,通过政府搬迁,带动通州地区的经济社会发展。


国务院总理李克强2016年9月14日主持召开国务院常务会议,决定大力发展装配式建筑,推动产业结构调整升级。同时鼓励各相关单位要适应市场需求,完善装配式建筑标准规范,推进集成化设计、工业化生产、装配化施工、一体化装修,支持部品部件生产企业完善品种和规格,引导企业研发适用技术、设备和机具,提高装配式建筑应用比例,促进建造方式现代化。北京政府对城市副中心建设提升到了前所未有的新高度,要求坚持世界眼光、国际标准、中国特色、高点定位,以创造历史、追求艺术的精神进行规划设计建设副中心。市委要求把城市副中心建成标杆工程、历史典范。要发扬“工匠”精神,创造更多精品,留下更多经典,努力让副中心建设“不留历史遗憾”。


北京城市副中心行政办公区是一个集约、高效、本土、人文、朴素、典雅的建筑群。B3、B4项目各为一组四合院式的办公区建筑群,它们形态各异,功能不同。外墙系统以大面积的预制混凝土挂板、反打石材幕墙为主,玻璃可定位为幕墙窗单元板块,有不少的金属板幕墙、陶板幕墙、金属格栅等等,华丽庄重,现代大气。


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(图一:B3、B4办公楼总体规划设计效果)


该项目线条明晰,分格和构造有规律,板块模数比较统一,相同尺寸材料多,特别适合以预制板块装配式施工。各种预制板块采取工厂化生产、现场装配的方式,不仅可省时、省工、省钱,且无污染、少噪音、无粉尘,与绿色、低碳、节能、环保的可持续发展的精神相符。该项目打造具有北京古城墙、四合院特色,京味儿十足的现代建筑风格,旁边由绿林、水系围绕,正好符合中国传统“山水园林”的格局,行政办公区的建筑传承传统建筑的神韵,体现了气宇轩昂的中国气象。


北京市弘都建筑设计院是该项目的建筑设计单位,幕墙设计由中国建筑设计院建筑帷幕设计咨询中心完成。项目具有分格构造有规律、板块模数较统一、相同尺寸材料多等特点,具备由工厂生产大板块,现场完成快速吊装施工的优势,特别适合于装配式建筑的开展实施。设计单位经过两个多月的努力,于2016年11月底前完成了北京副中心北区B3、B4建筑群的大板块装配式幕墙系统设计方案研究、方案实施论证、施工图设计、加工工艺和施工工艺细则等等工作,并于11月30日通过了专家评审,该项目外幕墙深化设计、生产、集成及施工组织由北京和平幕墙工程有限公司完成。


本文主要介绍B3、B4项目中的重要幕墙板块设计、加工和安装工艺。涉及的大板块构件中包含了清水混凝土表面预制幕墙单元板块、预制夹心清水混凝土反打石材单元板块、铝合金玻璃幕墙单元板块、保温防水隔音单元等等,这些部件均在工厂加工组装完成,运输到工地吊装后作单元间密封处理,完成后进行竣工验收。


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(图二系统1:金属板石材幕墙单元板块)


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B3、B4项目中的重要幕墙板块涉及金属板石材幕墙窗单元、金属板石材混凝土幕墙窗单元,其结构及功能各有不同,深化设计的思路及实现方法亦有所不同。


2.1 系统1:金属板石材幕墙单元板块


幕墙分析:横向变化,分布跨度高,悬挑远(900mm),单片薄(100mm),需承受巨大风荷载;金属层间横板单边固定,悬挑远(1000mm),单片薄(200mm),固定端需承受巨大扭矩;石材反打混凝土单元自重大,分布不均,与轻质幕墙系统难兼容;部分石材干挂单元自重相对轻,与轻质幕墙系统兼容,设计需考虑拼接处的安装方案和防水处理。


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(图三:板块经过顺序排列后形成的新单元组合)


设计思路:在变化的立面之中寻找不变的韵律,用有限的单元展现建筑无限的外观可能;将纵横两向的建筑线条化为一体,缔造牢固可靠的简单轻便结构;以大小合理板块为原则,以价值、造价、功能、工期的性价综合最佳值为标准设计单元板块。


通过优化排列组合,得到以下五种大单元板块构造:


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分解每组单元板块,进行进一步深化设计和构造拆解,列表如下:


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需要特别说明的是外电动金属遮阳帘系统。金属遮阳竖板的深度(900mm)是经绿建要求计算所得,若在目前的幕墙系统中设置外遮阳系统,则可大大提高建筑绿建性能,或降低遮阳竖板悬挑距离。并且,外置的遮阳帘可有效地遮挡室外直接太阳光对室内的照射,为室内使用者提供更舒适的空间环境。


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(图四:单元组合中的金属遮阳帘系统)


对于石材幕墙,通过干挂石材单元与石材反打混凝土单元结合使用,将二种效果有机融合。其中,干挂石材系统构造包括:石材、钢架、防水保温复合板,600mmX4200mm单元重量约为:300Kg;石材反打混凝土系统构造包括:石材、混凝土、保温棉,600mmX4200mm单元重量约为:980Kg(混凝土)。


2.2 系统2:金属板石材混凝土幕墙窗单元


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(图五 系统2:金属板石材混凝土幕墙窗单元)


系统2幕墙分析:金属遮阳竖板横向变化,分布跨度高,悬挑远(800mm),单片薄(100mm),需承受巨大风荷载;属层间横板单边固定,悬挑一定距离(600mm),单片薄(200mm),固定端需承受巨大扭矩。


石材反打混凝土单元:混凝土可视面积小,整体自重大,分布不均,与轻质幕墙系统难兼容,安装和防水处理是难点之一。


预制夹芯清水混凝土挂板表面反打石材,与外挂装配式金属格珊单元混合板块;预制夹芯清水混凝土挂板表面反打石材室内面板设计为清水混凝土板,为室内装修墙面预留基面条件;预制夹芯清水混土挂板表面反打石材通过三维可调节钢挂件连接系统与主体结构(钢结构梁)连接,钢挑板连接件焊接工作由钢结构加工车间完成,避免现场焊接作业。外挂装配式金属遮阳板单元通过预埋在清水混凝土板中钢挂件系统连接。现场安装考虑采用吊机系统起吊和安装单元板块,石材单元最大重量为1250KG, 外挂装配式金属遮阳板单元最大重量为100KG。可考虑选用常用荷载卷扬机起吊,在屋顶设置临时路轨及电动行车进行现场安装作业。


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副中心大板块装配式幕墙,除与混凝土、铝合金、铸钢件、尼龙、塑料等整体成型的浇铸件外,大部分都可拆分成各种各样的小零件进行加工,然后组合成大组件板块。


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(图六:B3项目幕墙部分大样节点)


3.1 由专业厂家将混凝土挂板造型按照洞口尺寸做成一个整体,内部加筋、加挂件、加连接螺杆等等,做固定支承点,加工完成后清理备用。


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(图七:混凝土挂板制作现场)


3.2 整体幕墙窗按照成熟工艺整体加工,安装时板块的重量会通过连接构造传达至结构吊点上,需注意吊点及其连接机构的受力状况;关注幕墙窗与混凝土构件的公差配合、有效机械连接、密封防水、断冷桥等等关系,以保证质量。


3.3 保温防水单元组件由保温岩棉、防水板、硅酸钙板组合,通过内部的钢支架组合成一体,由预先准备好的固定支承点固定在清水混凝土构件上。


3.4 预制混凝土按实际设计计算结果设计厚度,表面颜色按建筑师要求,清水混凝土构件表面涂抹保护层,背面刷渗透型环氧防水涂料,起到良好的防水效果。


3.5 隐蔽的钢构件采用热浸镀锌处理。大板块幕墙构件采用挂件、转接件、槽式埋件与主体结构连接。泛光照明的构造切入幕墙系统中,预埋管线孔、道,留足接口位置。为满足绿色节能需要,幕墙窗体设计了遥控电动外遮阳机构。开启扇设置使用了不锈钢纱窗。


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(图八:装配式幕墙板块的支承节点,与灯光、遮阳系统的组合装配)


与一般的幕墙施工做好预埋件后进行现场拼装不同的是,北京城市副中心装配式建筑幕墙采用了工业化生产的建造方式,是一个集结构系统、外围护系统、泛光照明设备与管线系统、遮阳设备及控制系统、硅酸钙板简易内装系统的全专业设计,系统集成的生产过程全工艺设计,施工安装工艺全过程设计,实现帷幕相关系统的策划、设计、生产与施工一体化的过程。


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(图九:项目施工现场)


本项目中,我们的技术集成创新体现在于首先明确了装配式建筑的概念,从副中心领导的顶层设计至建筑设计院的大胆设计,都提出了必须实现装配式建筑的时代的建筑理念,构建装配式建筑的设计思想体系,进一步鼓励我们大胆进行装配式建筑的系统集成生产和施工,把项目当作完整的工艺作品进行统筹生产及施工,强调了装配式建筑全生命期可持续的品质技术,并对项目提出了全过程管理建造方式和实现要求。


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装配式建筑幕墙与一般的建筑幕墙相比,无论设计上还是施工中都是有很大区别的,其中最关键的是施工图设计和加工施工工艺设计和管理。


4.1 施工图


副中心B3、B4有高设计完成度的施工图成果,设计单位优质的施工图纸是我们进行装配式建筑幕墙成功的重要基石。采用的技术具备成熟、先进、可靠、安全、节能及方便维护等特性,并且保证其设计深度能严格控制住中标单位的工程成本。我们将图纸深化到零部件图,车间按图加工、组装便可达到效果,建筑外立面幕墙的材质、节点、构造型式,是表现建筑的关键。


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(图十:B3项目幕墙的平面大样节点)


4.2 工厂生产组装


装配式建筑幕墙应有合理的生产工艺设计,注重加工厂生产工艺质量管理,使得装配式建筑幕墙板块能够在工厂的环境下实现一体化生产,减少工地安装环节。特别值得一提的是,依托和平自产铝型材的便捷,在开模、工艺精度控制、型材配套供应等方面为本项目单元板块的生产和工期提供了有力保障。


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(图十一:混合幕墙大板块工厂生产及组装)


装配式幕墙的板块在受质量管理监控的车间里组装,所有的玻璃、石材、混凝土、金属板通过支承框架组装成单元板块。所有预留接口的切割在工厂进行并能够在现场直接安装,要求工厂组装的部件拆卸之前在工厂调整和做记号,确保在现场能正确组装。保证所有连接点牢固可靠﹐并进行精确切割、装配和接口密封﹐避免削弱部件的耐候性和防水性能。在其它金属构件与铝框接触时﹐提供足够的隔离措施。采用统一的组件加工技术﹐以保证所有构件外观上的一致性。承重挤压铝型材应能完全承受组件的重量、设备荷载和风荷载﹐并考虑可能出现的其它要求。


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(图十二:B3大板块装配式幕墙吊装现场)


4.3 施工工艺


所有大板块装配式幕墙的实施关键取决于施工的可行性,由于装配式建筑幕墙板块大、重量重,需要有较高的运输和施工吊装要求,更需要严格的紧固装置。一般来说,装配式建筑幕墙板块是一个楼层的高度,单榀重量会在1吨以上。施工现场使用塔吊机时必须留有足够的荷载余量,使用起重吊机车我们利用了消防通道。


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(图十三:B4大板块装配式幕墙吊装现场)


对于装配式建筑幕墙大板块与结构的承重和紧固连接,必须是可靠的,余量足够;位移节点应能够容纳所有预期位移,能够顺利运动而不出现障碍,不产生噪音和振动;金属的焊接应符合相关标准,操作方法应能防止变形,焊接面应在可靠长度内充分连接,没有孔洞,杂质,裂纹或毛孔,以确保长期性能,并确保焊接受力足够承受设计要求;所有作业,转角,对接,角度连接的生产和施工都应有足够强度和刚度以承担板块上所有预制配件上的临时荷载。


4.4 全过程施工管理


装配式建筑幕墙在建造过程中必须有更强质量控制手段,宜进行专业的全过程管理,包括设计修正、设备配套、工位配置、加工工艺流程、加工施工顺序等等服务。若工程监理方的幕墙工程专项管理技术力量不足,应聘请专业幕墙顾问协助业主和监理共同进行工程管理,把控施工质量,避免业主或监理在不知情的情况下与施工单位产生不必要的纠纷。专业的装配式建筑幕墙顾问工程师具有运用科学、专业的管理原则处理工程问题的经验,精通幕墙设计和施工各个流程,有能力把控装配式建筑幕墙设计、生产、施工各环节,派专人负责现场施工配合工作,定期参与现场例会,按现场需要随时解决技术问题及完成各项审查工作,直至配合业主完成装配式建筑幕墙工程的相关验收工作。


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(图十四:工程完成后的B3建筑群)


作者单位:北京和平幕墙工程有限公司


作者:靳云雁 王有青 马冬雷 李立军


来源:2022年会论文集


(责任编辑:何雯丽)



延伸阅读:

装配式建筑高性能部品件应用材料及工艺研究 一种全装配式栓钉剪力键抗剪性能的对比试验及机理分析 装配式混凝土结构异形预制构件的吊点布置浅析

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[责任编辑:Susan]

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