超高層單元幕墻彈出式插芯節點設計及應用*

田 偉,劉祖龍

(1.上海中建海外發展有限公司,上海 200125;2.中國建筑股份有限公司埃及分公司,埃及 開羅 11835)

0 引言

隨著世界經濟的發展,超高層建筑不斷涌現。外圍護結構是超高層建筑的鮮明特征,單元幕墻系統已經成為超高層建筑外圍護結構的主流形式[1]。單元幕墻采用插接節點,安裝順序嚴格,必須按樓層順序由下至上逐層進行插接安裝[2]。超高層建筑建造工期短,幕墻安裝時間緊,同時幕墻封閉直接影響內裝等工程開展[3]。因此,對于超高層建筑而言,越早完成幕墻封閉越有利。按單元幕墻傳統的逐層安裝施工工藝,在一些情況下不能滿足進度要求,因此需要在單元幕墻傳統的逐層插接安裝工序基礎上對單元幕墻節點設計和安裝技術進行改進與優化,探索在多個樓層同步安裝幕墻單元板塊的可行性,由此形成超高層建筑單元幕墻多段同步施工技術,如圖1所示。

圖1 單元幕墻多段同步施工示意Fig.1 The multi-level synchronous construction of unitized curtain wall

在超高層建筑單元幕墻多段同步施工技術中,收口層單元板塊橫梁和豎框的非插接節點設計與安裝是關鍵。本文研究了一種超高層建筑單元幕墻多段同步施工方法及其彈出式插芯節點,解決了單元幕墻必須按樓層逐層插接安裝的工序問題,實現單元幕墻分段同步施工。①按層劃分建筑幕墻施工段,確定分段施工的收口樓層;②同步施工各施工段幕墻單元,并預留出相鄰2段施工段間的收口樓層幕墻單元安裝工位;③待收口樓層下部和上部幕墻單元安裝完成,施工收口樓層幕墻單元,將收口單元板塊上部通過彈出式插芯節點構造與上部幕墻單元連接固定。彈出式插芯節點實現了超高層建筑單元幕墻多段同步施工。

本文從超高層建筑單元幕墻的多段同步施工技術出發,以彈出式插芯節點為研究對象,分析其節點設計、技術原理、工藝流程和安裝要點,并結合工程案例,對采用彈出式插芯節點的超高層建筑單元幕墻多段同步施工技術和工程應用進行探討。

1 彈出式插芯節點設計

彈出式插芯節點橫梁插芯采用彈出式設計,安裝前,采用壓板將插芯壓入下橫框腔體內,以滿足收口層承上啟下的安裝要求。安裝完畢后,抽出插芯壓板,插芯在彈簧壓力作用下彈出,進入上層板塊下橫梁腔體,保證系統整體的水密性及氣密性要求。傳統插接節點與彈出式插芯節點對比如圖2所示。傳統插接節點形成3道密封線[4](即塵密線、水密線、氣密線)和3個等壓腔設計(即等壓腔1、等壓腔2、等壓腔3)。彈出式插芯節點橫梁和傳統幕墻插接節點做法類似,也有3道密封線和3個等壓腔,以保障幕墻系統的功能。

圖2 傳統插接節點與彈出式插芯節點對比Fig.2 Comparison of typical and pop-up plug joint

和傳統幕墻排水路徑相似：進入彈出式插芯節點單元豎框的微量水在豎框逐漸匯集→進入下一層橫框等壓腔3→通過等壓腔3前端彈出式插芯上的開孔排出室外。進入單元橫框的微量水也將通過插芯開孔排出室外,如圖3所示。

圖3 排水路徑示意Fig.3 The drainage route

2 彈出式插芯工作原理

2.1 彈出式插芯的可伸縮設計

插芯的可伸縮性是解決收口樓層分段施工和承上啟下收口安裝的關鍵。插芯伸縮性通過在下橫框上設計深槽,在深槽內安裝不銹鋼彈簧組,利用彈簧組的可伸縮性能實現。槽的設計深度需滿足容納彈出式插芯長度及彈簧壓縮后的長度之和的要求,如圖4所示。雖然下橫框高度因增加額外深槽遠大于傳統橫框高度,但由于下橫框所在位置為層間背板位置,因此并不會影響室內外效果,可滿足建筑設計要求。

圖4 橫框深槽設計示意Fig.4 Deep groove design of cross frame

為滿足彈出式插芯長期使用性能,避免彈簧出現銹蝕影響插芯使用性能,彈簧應選用不銹鋼316材質?？紤]到插芯行程在50mm左右,同時彈簧回彈力需克服插芯摩擦力。因此,應選用最大壓縮量≥65mm、 外徑宜≤25mm彈簧。根據GB/T 2089—2009《普通圓柱螺旋壓縮彈簧 (兩端圈并緊磨平或制扁)》,滿足上述要求的彈簧剛度為3～3.5N/mm。彈簧數量則依據不同板塊尺寸、插芯和插槽的配合緊密程度進行差異化布置,可在安裝插芯時確定,確保插芯可順利彈入上層板塊底橫框凹槽即可。

2.2 彈出式插芯節點密閉性能設計

彈出式插芯節點系統設計中,橫框插芯為活動式,使其密封性能達到水密性和氣密性要求成為難點。因此設計時在插芯上、下端設計密封膠條,通過和上、下橫框槽緊密接觸,不僅使插芯可相對于槽內滑動,同時也保證腔體的密封性能,如圖5所示。

2.3 彈出式插芯限位設計

彈出式插芯采用彈簧組彈力彈出,為控制其彈出位移符合設計要求。在設計時增加了限位凸臺控制插芯彈出量,同時為方便彈出式插芯在深槽內的安裝,在設計時將限位凸臺的一側做成分體式扣條設計。彈出式插芯限位設計如圖6所示。

2.4 彈出式插芯組裝

彈出式插芯需在工廠內預先與單元板塊組裝。組裝順序依次為：彈簧組組裝→插芯組裝→限位扣條組裝→壓板組裝。安裝流程如圖7所示。

圖7 彈出式插芯節點組裝流程Fig.7 Process of pop-up plug assembly

3 豎框軟連接設計

單元板塊安裝時,板塊的1條豎向邊和底邊需和其相鄰板塊左側及底部單元板塊進行精確插接。在常規安裝模式下,由于其剩余的2條邊為自由邊,無任何阻礙,因此安裝相對簡單[5-6]。但分段施工中收口樓層因上、下單元已完成,單元安裝的自由邊數量相對于傳統安裝方法減少了1個,如圖8所示。同時為保證系統性能,需預留插接做法。在高度范圍受限的情況下,如果采用硬性插接使安裝變得困難,因此,需從系統設計上予以解決。采用豎框雙母框配合軟膠條的軟插接方式,改變了傳統豎向插接時需要精確對齊的問題。同時柔性連接具有變形彈性,可適應建筑外型為非直線的安裝。傳統豎框節點和柔性插接節點對比如圖9所示。與傳統幕墻豎框做法類似,本系統豎框設計也根據雨幕原理設計有3道密封線和3個等壓腔,以確保幕墻性能。

圖8 單元板塊安裝示意Fig.8 Installation of united panel

圖9 傳統豎框節點與柔性插接節點對比示意Fig.9 Comparison of traditional vertical frame joint and flexible plug joint

在豎框內側膠條中部設計有表面顏色和豎框相同的鋁條,保證接縫處的效果和豎框一致,如圖10所示。

圖10 接縫處理示意Fig.10 Joint processing

4 收口樓層安裝流程

收口樓層上、下樓層幕墻標準單元安裝到位后,即可開始進行收口樓層幕墻單元板塊安裝。收口層單元板塊預先存放在收口樓層。通過機械臂和玻璃吸盤將板塊由室內向室外推出安裝。該施工方法不受室外天氣(如大風)影響,也無需在塔頂安裝施工吊裝機械,具有安全便捷的特點。

安裝流程：①查驗收口樓層單元板塊后,通過布置在收口樓層的機械臂和玻璃吸盤將單元板塊運至安裝位置,通過調整機械臂長度和角度,將單元板塊在預定位置豎立;②調整單元板塊位置和角度,實現單元板塊預就位;③單元板塊順時針偏轉,微上抬,使板塊下口和下層單元板塊插接對齊,同時斜向裝入地臺碼,如圖11所示;④將單元板塊下落至設計位置,與地臺碼連接到位,同時快速安裝地臺碼固定螺栓,從室內側抽出彈出式插芯壓板,插芯在彈簧彈力作用下彈入上層單元腔體,完成安裝,如圖12所示;⑤對收口樓層單元板塊橫梁扣條槽口注膠,進行清理,安裝完成。

圖11 單元板塊下口插接對齊Fig.11 Bottom plug joint of unit panel

圖12 插芯安裝Fig.12 Installation of plugger

5 工程應用

埃及新行政首都中央商務區標志塔,地下3層,地上78層,建筑高度385.8m,建筑面積 26.2萬m2,采用單元幕墻系統。由于疫情影響,單元幕墻材料供應、加工組裝、海運、清關等環節均受影響,導致幕墻無法緊跟主體結構進行安裝。同時埃及總理對項目進度高度關注,提出壓縮幕墻工期的要求。在這種情況下,提出超高層單元幕墻多段同步施工技術并進行深入研究。通過超高層建筑單元幕墻多段同步施工技術的成功應用,將標志塔幕墻安裝分為1～39層、41～72層、74層至塔冠3個施工段,創造性地將40,73層收口樓層幕墻單元的上部插接式節點改為彈出式插芯節點,3個施工段的同步安裝方法大大提高了安裝效率。相比于傳統超高層單元幕墻逐層安裝施工工藝,縮短了8個月安裝工期,直接節約管理成本360萬元,同時節約了開辦費用、減少了設備租借費用,并為其他專業提前介入創造了作業面,綜合效益顯著。

6 結語

超高層建筑單元幕墻彈出式插芯節點的應用取得了快速、高效的施工效果,縮短幕墻安裝工期8個月,為工程履約提供有力保障。彈出式插芯節點實現了超高層建筑單元幕墻多段同步施工技術,并通過工程實踐和應用,向海外市場展示了“中國建造”的非凡實力。