浅谈玻璃幕墙铝合金装饰条的设计
浅谈玻璃幕墙铝合金装饰条的设计
金刚幕墙集团有限公司 惠小鹏
【摘要】本文结合福州闽侨大厦玻璃幕墙工程，详细介绍了玻璃幕墙室外铝合金装饰条的设计与安装工艺，并对铝合金装饰条的特点及在设计中应注意的问题进行了分析。
【关键字】铝合金装饰条、风荷载作用、装饰、遮阳
1.引言
随着我国经济的快速发展以及城镇化进程的加速，人们对建筑物的造型及装饰效果的要求也越来越高。在诸多的高层建筑玻璃幕墙设计中，立面上采用横、竖向的铝合金线条不仅满足了建筑的审美需要，而且较大截面装饰条的采用，还会起到一定的遮阳作用，对建筑的节能有一定的影响。
现结合笔者参与设计、施工的福州闽侨大厦幕墙工程，对玻璃幕墙室外采用的铝合金装饰条的节点构造设计、结构安全性设计与施工等进行详细的阐述。
2.工程概况
该项目位于福州市，由东、西塔楼及裙楼组成，其中东塔楼40层，建筑高度155米，西塔楼29层，建筑高度112米。立面采用玻璃幕墙，考虑到建筑的外观和遮阳等效果，建筑设计了铝合金装饰条。其中东、西塔楼的南北立面幕墙分格处设计有竖向铝合金装饰条,东、西塔楼的东西立面层间位置的幕墙分格处，设有横向铝合金装饰条。
3.铝合金装饰线条的设计
3.1设计思路
根据建筑及甲方的要求，在福州闽侨大厦玻璃幕墙工程的设计中，我们结合建筑的外观效果要求，综合考虑到铝合金装饰条的结构安全性、经济可行性、安装便捷性等因素，对该项目的铝合金装饰线条进行了设计。
3.2铝合金装饰条节点设计
根据建筑设计，东、西塔楼的南北立面幕墙分格处设计有竖向铝合金装饰条，东西塔楼的东西立面层间位置的幕墙分格处，设置有横向的铝合金装饰条。
东、西塔楼的南北立面幕墙分格处设计有竖向装饰条,规格为200mmX40mm，设计中考虑了建筑的泛光功能，预留了灯槽。装饰条采用铝合金型材，材质为6063-T6，铝合金装饰条表面氟碳喷涂处理，转接固定件采用6mm厚铝合金型材，表面阳极氧化处理。
考虑到装饰条的经济性以及铝型材的开模工艺，结合风荷载作用的计算结果，确定装饰条的截面尺寸；该装饰条分前后两段，前面部分为开口铝型材，用于安装泛光灯槽，后侧的铝型材通过铝合金转接件实现和幕墙立柱的连接。同时，为了保证装饰条的垂直和平整度，上下装饰条之间设有铝合金套芯（L=100mm），具体的构造节点如下图1所示：（略）
考虑到施工安装因素和单元板块的运输效能，该铝合金装饰条和玻璃幕墙单元板块采取后安装的设计，即玻璃幕墙板块（含装饰条的连接支座）和装饰条分别加工，运输至施工现场，在幕墙板块吊装前在现场的拼装，安装完成后，再进行整体板块的吊装。铝合金装饰条安装顺序如下图2所示：（略）
东、西塔楼的东西立面层间位置的幕墙分格处，设有横向的铝合金装饰条，该铝合金装饰条悬挑尺寸较大，分别为800mm、600mm，装饰条后侧距离玻璃面的距离为50mm，其规格分别为750mmX100mm和550X100mm。装饰条采用铝合型材，材质为6063-T6，铝合金装饰条表面氟碳喷涂处理，转接固定件采用6mm厚铝合金型材，表面阳极氧化处理。由于该位置的铝合金线条尺寸过大，设计中预留了2%的排水坡度，避免积水。
由于该铝合金装饰条的截面尺寸过大，分别为750mmX100mm和550X100mm，设计中考虑到装饰条的经济性以及铝合金型材的开模工艺，结合风荷载作用的计算结果，确定装饰条的截面尺寸。其中横向规格为750mmX100mm的装饰条分为三部分，尺寸分别为275mmX100mm、275mmX100mm、200mmX100mm，横向规格为550mmX100mm的装饰条分为两部分，尺寸分别为275mmX100mm、275mmX100mm铝合金线条的壁厚均为3mm。铝合金装饰条分段之间采的连接，在铝型材设计中留有紧密配合的槽口，几部分型材通过对穿连接成为一个整体，并在两端采用自攻螺丝固定限位。铝合金装饰条采用两侧6mm铝合金型材转接固定件，和幕墙龙骨进行连接，以保证装饰条的固定，装饰条两侧采用3mm厚的单层铝板进行封口。具体的构造节点如下图3、图4所示：（略）
考虑到施工安装因素和单元板块的运输效能，该铝合金装饰条和玻璃幕墙单元板块采取后安装的设计，即玻璃幕墙板块（含装饰条的连接支座）和装饰条分别加工，运输至施工现场，在幕墙板块吊装前在现场的拼装，安装完成后，再进行整体板块的吊装。铝合金装饰条安装顺序如下图5所示：（略）
3.3铝合金装饰条结构设计
铝合金装饰条主要受风荷载的作用，风荷载的体型系数的取值应根据《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）第8.3.3条的规定:”计算维护构件及其连接的风荷载时，檐口、雨篷、遮阳板、边棱处的装饰条等突出构件，局部风压体型系数按照-2.0进行取值”。
3.3.1 铝合金竖向装饰条结构计算
该项目东塔楼南北立面的竖向装饰条,主要受侧向风荷载作用，其计算过程如下：
（1） 计算说明
根据分格及幕墙所处的位置，选取最不利的位置进行计算。根据建筑结构特点，按实际模型建模计算，装饰条悬挑长度为200mm,正面宽度为40mm，总跨度按3700mm计算，上下端各悬挑250mm，最大标高按155米考虑。材料：铝合金6063-T6，弹性模量：E=70000N/mm^2，弯曲抗弯强度：fa=150N/mm^2，抗剪强度：fa=85N/mm^2。
（2） 力学模型及基本假定（详图6：装饰条受力示意图，按照连续梁结构计算）
（3） 截面参数（详图7：型材截面参数）
（4） 荷载作用值
(1)风荷载计算：Wk=βgz×μz×μsl×w0-----(GB50009-2012)
式中：Wk---作用在幕墙上的风荷载标准值(kN/m^2)
βgz---高度Z处的阵风系数
μsl---局部风压体型系数
μz---风压高度变化系数
w0---基本风压(kN/m^2)
地面粗糙度： C类地区，风荷载计算高度：H =155m,本工程基本风压：w0 =0.70KN/m2。
（a)风压高度变化系数μz：
按照线性插值法，查《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）表8.2.1得,μz=1.81
(b)阵风系数βgz：
按照线性插值法，查《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）表8.6.1得,βgz=1.63
(c)局部风压体型系数μsl：该装饰条为突出构件，局部风压体型系数μsl =-2.0；
(d)风荷载标准值WK和风荷载设计值W计算：
所以=1.63×2.0×1.81×0.7=4.13Kpa
W=γw×Wk =1.4×4.13=5.78kN/m^2
作用在横梁上的水平线荷载标准值：
作用在横梁上的水平线荷载设计值：
上部支点反力为：
P=0.826×3.7/2=1.53KN（标准值）
P1=1.16×3.7/2=2.15KN（设计值）
（5） 装饰条强度计算
由侧面风荷载引起的跨中最大弯矩值为：
此处按照刚度分配原则：
作用在铝型材一上的最大弯曲应力值为:
作用在铝型材二上的最大弯曲应力值为:
故型材强度满足规范要求！
（6） 装饰条刚度计算
Y截面总惯性矩I=24.533+16.644=41.177cm^4,由侧面风荷载引起的挠度为：
,则型材刚度满足规范要求！
（7） 支座连接计算
由侧向荷载引起的支座反力值为：P2=1.16×3.7/2KN=2.15KN=2150N
此处考虑151mm的偏心，则由侧向力P2引起的附加弯矩为：M=2150×151=324650N·mm
此处采用铝合金连接件长度为400mm，型材采用6063-t6,则截面抵抗矩为：
W=400*6^2/6mm^3=2400mm^3
截面面积为：A=300*6mm^2=1800mm^2
作用在连接件上的切应力值为：
故铝合金连接件强度满足规范要求！
3.3.2 铝合金横向装饰条结构计算
该项目东塔楼东西立面的横向铝合金装饰条结构受力计算过程如下：
（1）计算说明
根据图纸分格及幕墙所处的位置，我们选取了最不利的位置进行计算。根据建筑结构特点，按实际模型建模计算，型材跨度按1500mm计算，最大标高按155米考虑。材料：铝合金6063-T6，弹性模量：E=70000N/mm^2，弯曲抗弯强度：fa=150N/mm^2，抗剪强度：fa=85N/mm^2。
（2）力学模型及基本假设（详图8：装饰条受力示意图）
（3）截面参数（详图9：型材截面参数）
（4）荷载作用值
(1)风荷载计算：Wk=βgz×μz×μsl×w0-----(GB50009-2012)
式中：Wk---作用在幕墙上的风荷载标准值(kN/m^2)
βgz---高度Z处的阵风系数
μsl---局部风压体型系数
μz---风压高度变化系数
w0---基本风压(kN/m^2)
地面粗糙度： C类地区，风荷载计算高度：H =155m,本工程基本风压：w0 =0.70KN/m2。
（a)风压高度变化系数μz：
按照线性插值法，查《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）表8.2.1得，μz=1.81
(b)阵风系数βgz：
按照线性插值法，查《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）表8.6.1得，βgz=1.63
(c)局部风压体型系数μsl：该装饰条为突出构件，局部风压体型系数μsl =-2.0
(d)风荷载标准值WK和风荷载设计值W计算：
所以=1.63×2.0×1.81×0.7=4.13Kpa
W=γw×Wk=1.4×4.13=5.78kN/m^2
考虑到负风向上，自重有利作用，且此处自重很小，可忽略不计
作用在横梁上的水平线荷载标准值：
作用在横梁上的水平线荷载设计值：
（5）装饰条强度及挠度计算
1）型材抗弯强度校核
型材跨中最大弯矩为：
作用在装饰条上的最大弯曲应力:
故型材抗弯强度满足要求
2）型材挠度计算：
截面总惯性矩为：I=336.057+444.384+443.698=1224.139cm^4
则型材挠度大小值为：
故型材挠度满足规范设计要求！
（6）装饰条连接件计算（连接节点图详见图3、图4）
由上面计算可知，作用在立柱上的水平剪力大小为：P=4.33*1.5/2KN=3.24KN
连接板件承受的附加弯矩大小为M=3.24×0.8/2=1.29KN.m
连接板件弯曲应力大小为
剪切强度为
采用6063-T6，连接板件满足要求.
连接件与立柱采用8个M5×15不锈钢螺钉连接，单个螺钉承受剪力大小为
V=3240/8+1290000/157/4=2460N
单个螺钉承受剪应力大小为连接螺钉满足要求.
立柱孔壁承压，孔壁承压满足要求！
4.铝合金装饰条的特点
由于铝合金装饰条具有良好的装饰作用、遮阳效果等特点，目前诸多的幕墙工程设计中，立面都设计有铝合金装饰条。现就建筑幕墙中采用铝合金装饰条的特点分析如下：
(1) 具有色泽丰富的特点，可以满足建筑立面色彩效果的需要；
铝合金装饰条表面采用粉末喷涂、氟碳喷涂等工艺，可根据要求喷涂出丰富多彩的颜色。
(2) 铝合金装饰条表面涂层具有极佳耐刮划、耐侯、防腐防潮、抗紫外线等性能；
(3) 具有截面形式、尺寸多样化等特点，可以满足建筑立面造型的需要；
根据本工程及诸多的幕墙工程案例，室外的铝合金装饰条大部分采用铝合金型材（当尺寸较大时采用铝板），铝合金装饰条采用的型材可通过开模挤压的方式来生产，其截面在挤压工艺可以实现的范围内，能够挤压出各种各样的截面尺寸，从而可以体现出建筑的机理，满足建筑立面效果对外观造型的需要。
(4) 具有良好的加工性能,可根据要求进行切割、拼接、热弯等,满足各种设计创意的要求；
(5) 具有良好的遮阳作用，可有效降低室内能耗，达到节能的效果；
根据《公共建筑节能设计标准》（GB 50189-2005）的要求，夏热冬暖、夏热冬冷地区的建筑以及寒冷地区中制冷负荷大的建筑，外窗（包括透明幕墙）宜设置外部遮阳。太阳辐射通过窗（或透明幕墙）进入室内的，热量是造成夏季室内过热的主因，公共建筑的窗墙面积比较大，因而太阳辐射对建筑能耗的影响很大。我国南方地区，夏季太阳辐射强度大，阳光若直射到室内，将严重影响建筑室内的热环境，增加建筑空调耗能。因此，减少窗的辐射传热是建筑节能中降低窗口得热的主要途径，故应对窗口和透明幕墙采取外遮阳措施。
(6) 铝合金装饰条外侧易积灰尘，需要清洗的成本比较大。
铝合金横向装饰条，易积灰尘，需要定期进行清洗，尤其在北方沙尘较大的地区，玻璃幕墙的设计中不建议采用大截面的铝合金装饰条。
(7) 铝合金装饰条会使单位面积内的铝型材用量增加，造成玻璃幕墙的成本增加。
5.设计与施工中应注意的问题
在玻璃幕墙室外铝合金装饰条的设计与施工过程中，应注意的问题如下：
(1) 铝合金装饰条的设计应在满足室外建筑效果的同时，应注意室内视觉的需要，避免因装饰条尺寸设计不合理而影响室内视觉效果；
(2) 铝型材的设计应充分考虑铝材挤压工艺的要求，截面设计要合理，避免因型材截面设计过大，无法开模；或因型材壁厚太薄，造成挤压出的型材表面平整度差；
(3) 铝合金装饰条（尤其是大截面的装饰条）的设计过程中，应充分考虑风荷载对装饰条的作用，按照《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）的相关对定选取风荷载体型系数，按照实际情况确定线条的计算受力模型，避免因风荷载的作用导致线条的变形或坠落；
(4) 幕墙的设计要充分考虑装饰条（尤其是大截面的装饰条）传递的荷载作用，避免因荷载考虑不全面导致幕墙系统的结构体系受力不足；
(5) 设计中要充分考虑到安装因素，确保装饰条安装快捷，可操作性强；
(6) 单元式幕墙的铝合金装饰条和单元板块须采取后安装设计，以提高板块的加工速度和材料运输效能；
(7) 铝合金装饰条设计、施工中，如有泛光需要，应和专业公司紧密配合，充分考虑到灯具的布线及安装，避免因此影响幕墙系统的水密、气密等性能；
(8) 施工过程中，应确保装饰条的水平度（垂直度）、平整性，以保证设计效果；
6.结束语
本文对玻璃幕墙室外铝合金装饰条的设计进行了详细的阐述，在铝合金装饰条的设计过程中，不仅要满足建筑立面的效果要求，而且要对幕墙外大截面铝合金装饰线条的结构设计、型材的开模挤压工艺、材料的加工及运输、安装工艺等进行充分的考虑，确保建筑幕墙工程的安全适用，经济合理。
参考文献：
《建筑幕墙》（GB/T 21086-2007）
《玻璃幕墙工程技术规范》（JGJ102-2003）
《公共建筑节能设计标准》（GB50189-2005）
《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）
《建筑幕墙工程手册》中国建筑工业出版社，赵西安主编
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