探讨U形玻璃在立面幕墙及异形曲面采光顶工程上的应用
时间：2020-03-31 05:16:56 来源：千叶帆 本文已影响人
摘 要 随着建筑科技的迅速发展，新型的建筑材料为特殊的建筑造型提供了技术支撑，U形玻璃以其特殊的构造可以用于立面建筑幕墙，通过不同材料的配合及其特有的截面形式也能构造异形的直纹曲面造型的采光顶。
关键词 U形玻璃；直纹双曲面；纬向主龙骨；玻璃防爆膜；挡雪板
1 建筑U形玻璃在我国的应用情况
建筑作为人类生活、生产、工作的重要场所与人类活动息息相关。随着建筑科技的发展，建筑除了最初的遮风挡雨的基本功能外，设计师不断赋予了更多的功能含义，诸如特殊建筑的专属功能、人文历史风情、地域特色。现代建筑科技的不断发展给设计师的突破传统设计理念的遐想提供了有力的支撑。许多新材料被应用到建筑领域，新颖的建筑造型不断涌现。
U形玻璃就是近几年在国内为众多建筑师所推崇的一种新型材料。U形玻璃作为一种新型的建筑元素被广泛应用于博物馆、美术艺术馆、剧院、体育馆等公共建筑中，成为建筑师的新宠。
U形玻璃不同于我们熟知的平板玻璃，它是采用先压延后成型的方法连续生产出来的，因成型截面呈U形，因此称为U形玻璃。 U形玻璃是一种典型的透光不透视的材料，可以满足建筑对光照的柔和性的要求，其区别于平板玻璃的U形结构赋予了其较大的承载性能，可以无须竖向龙骨即可固定在建筑结构构件上，U形玻璃在建筑立面上应用较多，并且可以做成不同的颜色实现特定的艺术效果。但U形玻璃用在采光顶上的工程尚不多见，常见采光顶一般采用平板夹胶中空钢化玻璃，异形曲面的采光顶采用平板玻璃热弯成型方式较多；U形玻璃不能实现热弯钢化的工艺，所以U形玻璃在曲面采光顶上的应用就少之又少了。鉴于U形玻璃特殊结构形式导致不能进行热弯钢化工艺所限，在二次曲面的应用就需要另辟蹊径了[1]。
2 U形玻璃在立面幕墙中的应用
2.1 U形玻璃与结构连接及椭圆平面的解决方案
天津中医药大学新建体育馆工程建筑平面呈椭圆形，首层为明框玻璃幕墙及石材幕墙，2-4层为U形玻璃幕墙。立面2-4层采用260×70×8mm截面尺寸的U形玻璃幕墙双排对翼的形式进行安装。内外两排玻璃间采用H形硅橡胶条进行限位，保证在水平荷载作用下U形玻璃间为柔性接触，内外排玻璃共同承受荷载作用下的挠度变形。左右两块U形玻璃同样以并列的H形硅橡胶条隔开，在内外拼接缝处打密封胶连接。这种结构形式能保证地震作用下幕墙平面内变形时两块玻璃之间为柔性连接而避免相互挤压而破碎。
U形玻璃是安装在主体结构梁处的钢骨架上，采用落地式连接方式。U形玻璃底部支撑面为3mm厚L形镀锌钢板，立面折边为25mm，U形玻璃嵌入20mm，L形钢板横边比玻璃宽出25mm。玻璃安装前在L形钢板上粘贴5mm厚的橡胶缓冲垫片，立面与玻璃接触面上粘贴8mm厚单面贴，内侧U形玻璃由外向内推到单面贴位置，H形硅橡膠条开口稍窄一侧卡到玻璃的两边肋上，将U形玻璃的底端和上端的PVC定位件安装到钢板上以控制内外和左右U形玻璃的位移；室外侧的U形玻璃对照内侧玻璃位置推到H形硅橡胶条开口稍宽侧槽口内至底端和上端的PVC定位件的定位面；U形玻璃室外侧用粘贴有8mm厚的单面贴的钢件固定在底部钢板上；幕墙玻璃每隔4块中国红彩釉U形玻璃设置1块透明玻璃，每个柱跨内的U形玻璃自左至右逐一安装完成后，再用层间装饰铝板固定在钢架上加以覆盖，玻璃拼缝中打密封胶处理。
由于建筑平面为椭圆形，安装在建筑外围的U形玻璃就是椭圆弧上的数段短弧线，U形玻璃内外层面板的厚度和为155mm，两层玻璃近似的位于半径不同的同心圆上；椭圆平面按照近似圆弧分成4段，半径最小处为38m，半径最大处为62m，内外层玻璃所在的分格线上的弦长仅差1mm左右，因内外U形玻璃的规格一致，内外分格的弦长差由胶缝来补偿。
2.2 U形玻璃幕墙中窗洞口的解决方案
因建筑功能需求，U形玻璃立面幕墙上设置有通风百叶窗和外平开窗，导致位于窗口位置的U形玻璃不能按原有方案进行安装，这是立面U形玻璃幕墙需要处理的一个典型问题。本工程采用“目”字形过渡方式解决窗口切断U形玻璃的问题；即在窗口左右临近的U形玻璃位置自下而上设置两个钢管立柱，两支立柱均固定在层间的结构梁上。依据窗口的高度设置两道钢管横梁，横梁两端焊接在通长的钢管立柱的侧面。由钢立柱和横梁形成的“目”字形骨架中间的“口”字形为窗口的上下骨架，同时也作为窗口上下U形玻璃端部固定的支架。窗口上下的U形玻璃位于最左和最右的玻璃单元将“目”字形骨架的立柱包在内外玻璃形成的空腔中；隐藏在U形玻璃空腔中的钢管立柱采用中国红色氟碳喷涂处理，淡化了与其他部位U形玻璃在色彩上的差异。
为了提高U形玻璃的安全性，玻璃采用超白钢化U形玻璃，部分采用超白钢化中国红彩釉玻璃；超白玻璃因含有的杂质较少，其自爆率控制的较低；超白玻璃的可见光透射比在92%以上，而普通平板玻璃的可见光透射率为89%，超白玻璃的透明度要好得多，也满足了建筑对采光的特殊要求；同时钢化玻璃的强度是非钢化玻璃的2～3倍，具有更优越的承载能力，可以满足高度为6.3m的刚度和强度计算要求[2]。
3 U形玻璃在异形双曲面采光顶工程中的应用
3.1 直纹曲面采光顶中U形玻璃截面特点的利用
工程东西两侧二层部位外围是观众休息厅兼做过廊，地面至顶部为共享空间，顶部为U形玻璃采光顶。该处采光顶整体造型呈直纹二次曲面形状，这对于不能热弯的U形玻璃是一个极大的挑战。
经过几番设计优化采用三维软件建模分析，确定将 U形玻璃看作单线元素，每相邻两个U形玻璃间采用渐变方式排列，即高度方向上前后高度差不一致。将大单元幕墙划分多个有限元形式实现曲面过度。工程选用260×70×8mm截面尺寸的U形玻璃，在曲率变化较大的单元部位相邻两块玻璃的前端高差为55mm，后端高差为20mm；这种高度差变化如果采用平板玻璃过度是不能实现的，除非平板玻璃进行热弯处理。工程中选择的U形玻璃的边肋高度为70mm，在满足高度差变化的前提下左右两块玻璃仍有不小于15mm的搭接量，玻璃间打胶能够满足防水的功能要求。
3.2 大跨度U形玻璃荷载超标的解决方案
因U形玻璃采光顶的跨度达到8m之大，经计算采用两端固定方式玻璃的强度和刚度不能满足荷载的要求。方案采用五点四跨的结构形式将相邻支点间的距离缩短到2m左右，在主体结构的相邻径向φ300×8钢管侧面加设纬向主龙骨150×300×8矩形钢管，纬向主龙骨间距2m左右；在纬向主龙骨上按空间法向线定位焊接纬向次龙骨50×100×4矩形钢管，纬向主龙骨和次龙骨间以50×100×4矩形钢管作为支撑结构，支撑点间距为2m左右。通过支撑管的高度渐变来实现龙骨的直纹双曲面过度。
3.3 U形玻璃结构安全解决方案
上述纬向次龙骨安装完成后，在纬向次龙骨上安装反扣的U形铝件。将每个U形玻璃单元5个支撑点按双曲面单件直纹空间定位后采用螺钉固定于纬向次龙骨上。相邻U形铝件高度差自然过渡呈阶梯状分布。每个建筑轴跨区间U形铝件安装完成后，在U形倒扣铝件中间平行于纬向龙骨方向粘贴10mm厚的双面贴，将开口向上的U形玻璃临时固定粘接在双面贴上，在双面贴上下与U形玻璃间形成的凹槽中以专用的打胶设备注入结构胶，结构胶将U形玻璃和氧化铝槽牢牢地粘接在一起，结构胶完全固化后可以承受玻璃的重力、斜向分力以及U形玻璃外的风、雨、雪荷载[3]。
不同于立面U形玻璃幕墙的是采光顶双排U形玻璃下层单元在U形玻璃内侧粘接有高强度的玻璃防爆膜，可以防止玻璃在外力作用下或自爆引起的突然坠落。粘接有防爆膜的U形玻璃在自爆后钢化玻璃的破碎颗粒会粘接在防爆膜上不致落地，待人员发现后及时通知专业技术人员清理维修。在安装方式上， U形玻璃适应采光顶的造型采用翼在接缝处成对排列的安装方式。采光顶下层开口向上的U形玻璃安装完成后，纬向排水方向较低一侧的肋边上扣上U形硅橡胶条；上层开口向下的U形玻璃纬向排水方向较高的一侧肋边上套上U形透明硅橡胶条并与其对应的下层U形玻璃错位对扣，错位间隙为28mm，开口侧向上的错位缝隙中加入橡胶定位垫块，以保证相邻玻璃间为软连接避免U形玻璃在外力荷載作用下刚性挤压而导致玻璃破裂。上层及下层左右相邻的U玻之间的拼缝填充柔性的聚乙烯泡沫棒，并在泡沫棒外侧注入结构胶密封。
U形玻璃的两端头以钢件垫柔性垫块压接在龙骨上，外侧覆以装饰铝板。本工程采光顶U形玻璃上下两层之间无有效连接和约束。U形玻璃最大长度为8m，在室外负风压作用下，上层U形玻璃跨中挠度变形较大，故在U形玻璃上方与纬向龙骨对应位置加设了3道压顶50×100×4矩形钢管，钢管底部设10mm厚柔性垫块与每块U形玻璃错台角边肋压实；顶压钢管间距约2mm可以有效控制上层U形玻璃的挠度变形，保证了采光顶的安全性能。因U形玻璃是错台形式与顶层钢管间的三角形空洞能够满足雨水通过，在冬季压顶钢管可以作为挡雪板防止斜面采光顶上的积雪大面积下滑。
采光顶最下端收边以3mm铝板封装，因U形玻璃是错台安装，要保证所有端面均被遮挡起来才能达到美观要求；俯视错台玻璃在3mm铝板交接处会看到有多个铝板三角形外露面，该处会影响雨水的排放，方案要求各三角形部位开φ20的排水孔以防雨季存水。
在国内建筑中，作为新型的建筑材料的U形玻璃与普通平板玻璃比较可以实现特定的建筑效果。虽然不能进行热弯工艺处理，但在异形曲面造型中可以利用双边肋的截面特点在构造方式上进行处理，实现建筑师的设计理念。不过设计中应特别注意U形玻璃在与各种材料接触位置采用柔性连接并留有足够的变形间隙；在采光顶工程应用中应考虑有效的防自爆坠落措施。
本工程为2017年全运会篮球比赛主赛场，并荣获2017年天津市建设工程“金奖海河杯”奖，如今工程竣工已一年有余，经过四季变化、风雨考验安然无恙，幕墙各项功能满足使用要求。本工程U形玻璃实现了直纹双曲面造型的建筑效果，成为U形玻璃在曲面造型建筑中的一个成功案例。
参考文献
[1] JC/T867-2000.建筑用U形玻璃[S].北京：中国标准出版社，2000.
[2] 罗忆，张芹，刘忠伟.玻璃幕墙设计与施工（精）[M].北京：建筑工业出版社，2006：107.
[3] 李晓刚.U形玻璃组合节能幕墙设计及应用[C].二〇〇八年全国铝门窗幕墙行业年会.二〇〇八年全国铝门窗幕墙行业年会论文集.广州：中国建筑金属结构协会，2009：188-194.
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