重庆仙桃数据谷项目位于重庆市渝北区双龙湖街道仙桃村,距重庆国际博览中心3 000m、距重庆中央公园3 500m。重庆仙桃数据谷项目的1～6#楼建筑高度为62.7～91.5m不等,主体结构和外部幕墙呈现双向扭转的小蛮腰造型(图1),中间为细腰结构,恰似一枚“扭转哑铃”。结构的布置需考虑保证建筑效果的实现 ^[1],为保证小蛮腰造型的实现,1～6#楼结构形式为在中间设置核心筒,在变化较大的位置周边设置沿法向变化的弧形斜框架柱 ^[2]。弧形斜柱从底部向建筑腰部收进再向外扩张,根据不同楼栋弧形斜柱又采用了不同的结构形式,其中1#,2#和5#楼采用钢管混凝土弓形柱,3#,4#楼采用型钢混凝土弓形柱,6#楼采用钢筋混凝土弓形柱。其余部分框架柱、框架梁和剪力墙内部加设型钢进行加强。1～6#楼基本信息见表1。

　　 区别于平面幕墙和一般曲面幕墙,该建筑幕墙系统的整体外立面为双向曲面,扭曲收腰式的造型类似“麻花形”,每栋楼旋转角度、每层平面形状及面积各不相同。如图2和图3所示,以A点为基准点,过A点和对角的基准线随着楼层增加进行逆时针旋转,屋面层基准线投影和首层基准线夹角为53°;各楼层平面的面积随着楼层的增加先减少再增加,在14层面积最小,形成两头大、中间小的造型。该建筑的幕墙系统极其复杂,且每层各单元板块的尺寸和板块间错开的角度均不同(图2),因此在幕墙系统的设计阶段既要考虑采用何种幕墙形式实现这种麻花形的效果以及如何进行板块分割,又要考虑加工、安装的难度及后期运维的要求。

　　 本工程幕墙结构采用独创的构件单元组合式系统,如图4所示,单元板块边框为铝型材,玻璃为中空夹胶玻璃(由外到内为6+1.52pvb(胶片)+6半钢化Low-e(节能玻璃)+12A+8钢化)。扭转造型由相邻玻璃板块的翘曲来实现,左右板块之间无连接,仅靠支座转接件挂接在主体结构外边框上,上下单元板块之间通过分体组合式横梁插接,进而消化翘曲值,实现整体的装饰效果。在立柱边框上通过铝合金调节片挂接装饰立柱,实现灯槽和外部线条的固定和造型。楼层间防火封堵采用岩棉填充,不锈钢板封闭,结构预埋板位置做装饰飘窗包封处理。

　　 传统的幕墙分为构件式和单元式 ^[3]。构件式幕墙最大的优势在于其造型多样、散件拼装,但同时其安装工艺繁杂、工序较多,在异形结构中,构件式幕墙板块较为零散,每块板尺寸各异,安装难度较大、安全风险大、质量难以把控、材料使用率低;对于常规的平面玻璃幕墙来讲,单元式幕墙能够通过工厂内流水化加工成单元板块,现场挂接安装,大幅度提升了幕墙加工安装的效率、降低了安全风险;但对于非平面幕墙,其最大的不足之处在于造型困难,难以实现设计效果。重庆仙桃数据谷项目的幕墙为大扭转的双向曲面玻璃幕墙,在实现设计效果的前提下,如何提升施工效率、降低作业安全风险至关重要,经过团队的科研攻关,最终将构件式和单元式幕墙的优势集于一体,完美呈现了双向扭转的小蛮腰造型。

　　 目前实现外玻璃幕墙扭曲的三种组合式方法包括空间框、冷弯法和平面框。

　　 空间框单元板块平面外的第四个点与板块另三个点不共面,进而实现外立面的整体扭转效果,面板材料为平面,但相邻面板之间相互错开一定夹角,为鱼鳞状排步。但是由于平面外的第四个点与板块另个三点不共面,加工难度较大;排水设计可能导致单元横框加大;左右玻璃不在一条等温线上,保温性能略有降低。

　　 冷弯法的单元板块在工厂组装成平板,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,由于冷弯是通过外力强制性实现板块的变形,幕墙杆件及板材长期处于扭转应力状态下,幕墙易发生自爆;而且适用范围较小,仅适用于空间扭转较小的设计,根据相关经验,原则上平面外的第四个点与板块另三个点确定的平面的垂直距离不大于20mm。

　　 平面框单元板块中单元板的框四点共面,板块相互错开如鱼鳞状排布,形成独立单元,和普通单元体做法一致,受力更合理。

　　 集合构件式幕墙和单元式幕墙的优势,形成一种新的复合型幕墙施工体系“构件单元组合式”幕墙。这种幕墙结构体系的龙骨、面板以及相关构件在加工厂加工成单元板块,单元板块按照单元体的安装方式,在现场吊装,即为单元式幕墙做法。幕墙的竖龙骨自由错位,形成扭曲状,两板块之间打密封胶,密封胶打完后,单元体上的装饰线条在现场做扭曲安装,即为构件式幕墙做法。通过单元板块之间打胶连接和扭转组合安装实现幕墙整体“收腰扭转”造型,既具备单元体幕墙的整体特性又具备构件式幕墙的线条造型。

　　 建筑扭曲产生的翘曲值通过对单元体竖框的角度切割和组合式横梁进行消化,平面玻璃面板与竖框的完美组合,实现了“鱼鳞扭转”,高效、高质量地保证了扭转哑铃型建筑的外立面效果,样板如图5所示。

　　 本项目1～6#楼玻璃幕墙整体为扭转造型,呈双向曲面,每个单元板块都需有一定的翘曲值来保证单元板块之间的平滑过渡,见图6。

　　 根据三点共面原则,拟定A,B,C点共面,得出本项目D点存在向上或向下翘曲情况,翘曲幅度随着立面在不断变化,各单元板翘曲值变化范围为0～108mm,各栋楼单元板块最大翘曲值如表2所示。

　　 构件单元组合式幕墙安装工艺与常规单元式玻璃幕墙相似,但结合该工程的双向曲面扭曲收腰造型,安装过程中,对其翘曲值的控制为重点。

　　 常规玻璃幕墙单元板块和横梁的设计是铝合金型材一体式,为解决单元板块翘曲值自由错位和收腰扭曲变截面的难题,根据现场变截面单元板块的特性创新了分体式横梁和单元板块相结合的方式,通过不断变化每个单元板块上横梁的定位角度,让每层楼的单元板块实现闭合,从而很好地解决了变截面扭曲的复杂问题,如图7所示。

　　 分体组合式横梁构造如图8所示,横梁的横框采用铝合金定型开模,横框设计时垂直于玻璃板,要满足横向不积水的问题,单元上横框设计时考虑外排水坡度为2.4°。施工时先挂单元板块,铝合金横梁通过不锈钢自攻螺钉连接,铝合金横梁和单元板块连接处内外打黑色耐候密封胶,解决缝隙漏水问题。两块单元板块横框接缝部位采用铝合金U形水槽搭接,搭接部位打黑色耐候密封胶,形成整体闭合。

　　 本项目幕墙为不规则双面扭曲幕墙,根据构件单元组合式幕墙施工特征,幕墙的内部构造采用独立单元体的结构形式设计,竖向不设计插接,按照各板块的翘曲值自由错位,横向设计插接做法,通长的排水槽构造形成一道密闭的排水体系。玻璃幕墙上下板块通过“分体组合式横梁”连接定位,实现整体造型,且上层单元板块的雨水可通过横梁内泄水孔排放,现场组合式横梁施工效果见图9。

　　 幕墙防水系统是整个幕墙施工的关键点,通过模拟试验和理论分析,结合单元式和构件式幕墙防水特性 ^[4],该幕墙竖向防水系统采用独立单元体的结构形式,竖向采取三道防水措施,里外打密封胶,中间设计挡水胶条,如图10所示;单元板块间结合构件式幕墙的防水构造(板块间打胶),横向设置通长的组合式横梁,形成密闭的排水体系,如图9所示,不仅具有排水功能,且起到了上下单元板块间的承插作用,保证了幕墙体系的整体性和稳定性。竖向和横向防水构造结合,增强了玻璃幕墙的防水功能,实现了幕墙系统的整体防水。

　　 幕墙整体为扭曲收腰,通过单元体板块之间错位消除翘曲值,结合BIM模型,对转接件进行优化设计。构件单元组合式幕墙板块通过幕墙单元板块上挂耳和主体结构预埋支座进行连接,共同组成支撑系统;在连接节点处形成三维可调节体系,实现幕墙板块水平、垂直、进出三个方向三维微调,见图11。

　　 采用22a号镀锌槽钢制作转接件根部连接支座,承受幕墙传递过来的外荷载。槽钢一角切除,用以焊接翘曲值调节板,切除的尺寸根据翘曲值的大小调整。槽式埋件提前预埋在结构中,若转接件与槽式埋件采用焊接方式进行连接,焊接残余应力会对幕墙连接件焊缝周围60mm范围以内区域产生影响 ^[5],因此转接件与槽式埋件通过螺栓进行连接,如图12所示。翘曲值调节板即支座耳板用8mm厚钢板焊接在转接件上,不承受侧向荷载;限位卡件承受单元传递的侧向荷载,限位卡件采用6mm厚钢板制成,材质为Q235B钢材。

　　 幕墙单元板块和单元挂耳通过连接螺栓进行连接,然后经由单元挂耳与转接件单元挂轴连接,通过挂耳与转接件连接处的螺栓调节幕墙单元板块的水平高度,如图13所示。单元挂轴采用M20的Q345B钢棒与连接板焊接,挂轴承担由幕墙传递过来的水平荷载和竖向荷载。

　　 通过对转接件的组成件进行计算,确认相关参数及尺寸,然后建立BIM三维模型,并对转接件进行编号。为保证幕墙板块安装的精度,减少结构施工存在偏差带来的影响,在施工完成后,复测楼面标高及槽式埋件的位置,如有误差,利用三维模型对转接件加工参数进行调整,调整后反馈到工厂再进行加工。转接件现场安装效果见图14。

　　 本项目的幕墙面积56 061m²,幕墙系统单元板块数量11 000块,单块面积5～5.4m²,单块重量300～350kg,根据扭转幕墙板块翘曲值开发的支座数量11 000套。每个单元板块包括22张加工图,11 000块单元板共计加工图242 000张。

　　 通过BIM模型辅助深化设计,大量减少了反复修改、验证时间,节约设计人工费及设计阶段的样板材料费用达30%。幕墙板块在工厂进行加工,从幕墙三维模型提取单元板块各零件的实际下料尺寸及切割角度等材料加工参数,建立材料清单库,对需用型材的尺寸统一分析对比,定尺定量切割,材料损耗率大幅降低40%,加工周期缩短20%。工厂化加工不仅使单元板块加工质量得到保证,更提高了材料使用率,提高了生产效率。

　　 因项目建筑结构为两头大、中间小的麻花形独特造型,若采用常规的幕墙吊装轨道进行吊装施工,每栋楼需要多次重复安装和调整轨道以满足施工要求,费时费力且危险系数较大。为保证施工进度,提高幕墙系统吊装效率、减少幕墙系统吊装时间,创新地提出安装于屋面花架梁的可伸缩调节双轨挑架。

　　 首先安装屋面花架梁。由工字钢悬挑出屋面,工字钢后端由2个抱箍固定在花架梁上,前端两个环形抱箍锁住轨道,挑梁悬挑段最前端和锚固段最后端设置挡板,轨道离建筑外墙的距离以及双轨之间的距离可在悬挑长度的范围内自由调节并灵活安拆,见图15。

　　 其次改进轨道连接点构造方式,见图16,使导轨小车可顺利通过轨道连接点。在轨道连接处上表面附加钢板,一端焊接、一端螺栓连接;在腹板连接处增加加劲肋,提高轨道连接处的受力性能。导轨小车轮内侧距腹板连接螺栓的最端头为20mm,以保证小车在轨道连接处亦能正常通行。

　　 基于屋面花架梁的可伸缩调节双轨挑架安装,使幕墙板块从首层至顶面下一层的吊装工作能顺利进行,但是顶层幕墙安装时需要拆除轨道,利用炮车安装,操作困难,安全隐患较大。为了解决这一问题,利用三角平衡原理,设计屋面花架梁的支撑系统,将轨道的挑梁提升一定高度,为幕墙的安装提供足够的操作面,实现幕墙安装的一次到位。支撑系统用型钢制作、现场螺栓连接而成,实现增强受力和快速安拆,如图17所示。

　　 可伸缩调节双轨挑架技术在屋面花架梁上设置挑架固定点,实现整个幕墙安装的人、料的运输一次到位,省工省力,这一技术完全脱离了屋面的束缚,可以使幕墙一次安装至顶;且双轨分离作业可以实现幕墙安装作业的人货分离,同步实现物料垂直运输和环向移动。

　　 为保证幕墙工程的可施工性,避免土建施工误差对后续幕墙施工产生影响,利用三维扫描技术对幕墙板块的安装空间进行复核。首先采集结构实体的空间数据,通过Cyclone建立结构实体的点云模型 ^[6],以真实的相对空间位置信息为依据,选取楼层边梁与幕墙龙骨框架进行碰撞检测,碰撞检测结果显示楼层边梁与幕墙龙骨零碰撞,因此土建施工产生的误差不会影响幕墙正常施工。

　　 安装幕墙转接件的预埋槽钢随主体施工进度预留,固定于绑扎好的钢筋上。预埋槽钢的安装精度直接影响幕墙安装的质量,根据施工要求,预埋件安装标高及进出偏差不应大于10mm,左右位置偏差不应大于20mm。因此转接件安装前,需要检查预埋槽钢的平面位置及标高,对存在偏差处的转接件进行调整,消除安装误差,之后安装幕墙。

　　 在主体结构完工后采用三维激光扫描技术扫描转接件的预埋槽钢位置,然后构建预埋槽钢的点云模型,与幕墙设计模型中转接件的槽钢位置进行对比分析,筛选偏差大于20mm的埋件提前整改,确保幕墙安装施工。通过结果分析发现,大多数预埋槽钢满足施工要求。少量安装精度不满足要求,预埋槽钢左右位置偏差为60mm,对于这种超出限差的预埋槽钢需要及时整改(通过制作特殊支座,个别调整支座角度),消除安装误差,将其调整到允许范围内,保证后期幕墙安装质量。

　　 对幕墙板块的安装空间和转接件预埋槽钢安装精度进行复核,提高了幕墙系统安装精度。

　　 幕墙单元板块在工厂进行生产,首先将幕墙单元块运输至待安装区域的楼层下部,然后使用可伸缩调节双轨挑架将幕墙单元板块吊装至安装层,环向运输至安装部位进行安装。

　　 运输至安装部位后,由上下两层人员共同完成幕墙单元板块挂耳与预埋件的对接。单元板块下口插于下层单元板块上横梁插件处,上口挂于挂轴上并左右移位到挂轴定位点,同时通过调整螺钉细微调整高度,确定单元板块的挂点、左右插接、上下插接都已到位后,拆除夹具,对单元板块的左右接缝进行微调,调整完毕后,将固定螺栓的螺母进行锁紧,避免板块自由滑动,如图18所示。

　　 工程从整个外立面美观和夜景灯饰施工的角度增加了装饰线条,外立面装饰线采用定制铝合金型材,装饰线条采用扭曲加工安装,单元式幕墙板块安装后再组装装饰线条,如图19所示,组装后的线条在一条线上,单元板块与线条之间的夹角会导致扣条宽窄不同,施工时对楔形装饰扣条进行重新开模设计,进而达到顺滑过渡,实现整体建筑的美观效果,如图20所示。

　　 本文集合构件式幕墙和单元式幕墙的优势,提出“构件单元组合式”幕墙系统。该幕墙系统通过幕墙基本单元板块之间打胶连接和分体组合式横梁解决双向曲面幕墙的造型扭转、竖向连接定位和防水难题。这种幕墙系统既具备单元式幕墙的整体特性又具备构件式幕墙的线条造型,是一种新型的复合型幕墙施工体系。

　　 基于该体系施工中应用的BIM技术、三维扫描和可伸缩调节双轨挑架系统,极大程度地满足了该幕墙系统的施工需求,取得了良好的施工效果、提高了施工效率。目前该系统及施工技术集成在重庆仙桃数据谷项目运用并取得了较好的经济效益和社会影响力,该系统和技术集成可以进一步推广到各种异形扭曲建筑幕墙系统施工之中。