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铝板幕墙“变形”的产生原因及设计注意事项

发布时间:2017-05-31    阅读量:402

来源:建筑幕墙设计咨询


目前,幕墙的设计和施工在行业中形成了一个误区,无论是铝板或石材幕墙,凡是幕墙外露表面的单元板块之间的缝隙,都用耐候硅酮密封胶涂敷,而且越严密越好。如果你不涂胶(词条“涂胶”由行业大百科提供),他说你偷工减料,这个概念在中国幕墙发展到今天,在有些业主甚至很多幕墙技术工作者的头脑里已经形成。导致标准规范质量不高,产品水平低下,生产厂家粗制滥造,安装的铝板幕墙向外变形。虽然也有建筑师和顾问要求幕墙采用开缝体系,但因施工厂家施工技术,施工成本等原因,往往很难落实或者落实后效果不理想,当然也有的业主发现开缝后如北方天气污染较严重,缝间有大量积灰,还有的缝间防水措施设计与施工不太合理,造成渗露严重,后期还得整改。所以开缝体系一直也没有真正的大范围运用。


在发达国家如德国,对幕墙产品的结构设计十分严谨,他们经过多年的技术探讨和实践总结,将幕墙产品分为两大类,一类是保温暖墙体系,另一类是装饰冷墙体系。特介绍如下:


保温暖墙体系:


顾名思义这种墙体主要功能是保温,也就是对室内外的热交换有一定的阻滞作用的墙体,如内外两侧都由铝板或其它金属板组成,中间采用聚氨脂、聚苯乙烯或岩棉等保温材料复合的保温墙体;再如建筑外围护结构采用的隐框玻璃幕墙、全玻璃幕墙、点式驳接玻璃幕墙。这些墙体就像浇筑的混凝土和砖砌制的墙体一样,隔断室内外的屏蔽只有一道屏蔽带,不允许室内外的空气在这道屏蔽带上产生对流,所以从工艺上必须密封幕墙上可能造成空气渗透的一切缝隙,并保证使用年限内的永久密封。


装饰冷墙体系:


这种冷墙体对建筑两个作用,一是烘托建筑效果,二是防雨水对建筑表面的冲刷腐蚀,提高建筑的耐久年限。从材料上多数用铝板、石材、玻璃等材料,使用部位多数是建筑不采光有结构的外表面;从构造上要求与建筑结构保持一定的间隔,防雨水渗漏采用等压原理设计,板块间留有空气交换的通道,保持幕墙与建筑结构间隔内的干燥,结露水易于排出。比较现代的开放式热通道幕墙,实际从原理上就是在原有保温暖墙体幕墙的外面又增加一道装饰冷墙系统。


如果将装饰冷墙体系按保温暖墙施工,也就是将图二装饰冷墙上所有的通道全部用密封胶封死,会给居室带来如下隐患:


1.无论外层采用铝板或是石材,有一层阻隔层必然因温差而产生结露,幕墙的连接件会产生锈蚀,尤其两种不同金属连接件间因电位差不同,会在结露水的媒介下增强电化腐蚀,造成幕墙结构松弛而降低使用寿命。


2.尤其外层采用铝板或石板背面涂防腐(词条“防腐”由行业大百科提供)漆后,板面本身不透气,板面所有的缝隙再堵死,如果板面与墙体间隔大于40mm时,将产生烟囱效应,使间隔部位地基潮气蒸腾加快,促使间隔里的潮气浓度增加,这时如果保温层的防潮层封闭不严,会造成保温材料含湿量饱和而失去保温作用。


3.有些工程因经济因素,既要有好的外表面花的钱又不能多,在土建结构的外侧不设保温层和防水层,幕墙与结构墙间隔中的潮气因铝板或者涂防腐剂的石材面层非常密实(缝间打胶处理),不能向室外挥发,只能通过砼体或砖墙向室内渗透。经过高档装修住宅的墙壁在室内侧普遍都增加一层胶合板(词条“胶合板”由行业大百科提供),渗透室内的潮气得不到挥发,尤其湿度较大的厨房和不经常开门的库房,当节气过立春阳气上升后,将产生难以入鼻的霉气,严重地破坏了居室的卫生环境。


4.结露水大量地沉积在一楼地基外表并向墙里渗透,会造成墙体热阻减小,墙基过早粉化,降低使用年限。


我国现在在建筑上采用的铝板幕墙多数是以烘托建筑效果为主,与玻璃合理的搭配,显示出清秀挺拔或庄重雄伟的现代建筑造型艺术效果,这类铝板幕墙产品从结构的设计施工上均归为装饰冷墙体系。但实际上我们现在一栋栋大楼的铝板幕墙又是怎样呢?从产品结构设计和安装工艺上90%以上为保温暖墙体系。从近看板块缝隙间涂敷的耐候密封胶横不平、竖不直、表面也不光滑,再加上密封胶硅油析出吸附灰尘较多,幕墙表面污浊不堪入目。在北方至少有30%的铝板幕墙板块向外变形,尤其是采用金属氟碳漆喷涂的面板,板面稍有不平,便出现较大的反差,从远看整体铝板幕墙表面如微风湖水起波澜,甚是难看,严重影响了建筑物的风采。


本人认为在我国目前的情况下,马上禁止保温暖墙体系的铝板、石材幕墙应用于建筑有结构墙的装饰部位,难度很大。其主要原因有国家的行业标准《JGJ133-2001 金属与石材幕墙工程技术规范》误导较大,市场低价竞争,施工工期极度不合理等因素,在JGJ133规范里就没有搞清楚什么是保温暖墙,什么是装饰冷墙。另一个原因是干密封式的铝板、石材冷墙系统的产品结构与现在的保温暖幕墙产品结构差异较大,绝不是将现有的铝板、石材幕墙的嵌缝(词条“嵌缝”由行业大百科提供)耐候胶去掉就变成了装饰冷墙,这有一个技术的认识提高过程。我想在编制铝板、石材幕墙产品标准和编制这两种产品的标准图集时应得以解决,但铝板幕墙向外变形对新建大楼的形象影响太大,且极低的幕墙技艺很难与国际先进技术接轨,需要马上整治。


铝板幕墙的板块为什么会变形呢?笔者认为有以下几点主要因素造成的:


1.板块没有边肋和中肋,风压和空气涨力下造成变形。


这种变形现象多出现在采用铝塑复合板为面板的幕墙上。建筑业主为了省钱,选用不正规的生产厂家。厂家为获较高利润,什么边肋、中肋一律不用。将铝塑板折成盒状,直接用螺钉拧在框架上,板块缝隙抹上胶就算完工。这样幕墙的板块强度根本就不够,板块在正负风压作用下产生向里向外的疲劳性挠度变形,使板面尺寸增长。反映比较突出的向阳面的幕墙,由于施工工艺是采用保温暖墙的形式将板块缝隙全部用胶密封严实,板面与结构墙间隔里的空气在阳光效应下升温,板块在空气涨力作用下造成向外变形变形。


2.板块与幕墙结构框架固定,热应力无法释放产生变形。


铝板幕墙在季节温差较大地区,在春初秋末气温较低的季节,这时的阳光照射热效很强,特别是颜色较深的铝板升温较大,铝板在不同温度下,每米长度上的热膨胀值较大


幕墙框架在里面,阳光影响较弱,铝板与框架最大时可产生80℃以上的温差,在铝板尺寸较大时便会出现较大的线性膨胀差。如果幕墙板块结构采用折边,将铝板用螺钉固定在框架上的结构(见图三),将造成铝板板面的热应力无法释放,迫使板面屈服,在空气作用下向外出现变形现象。


这种变形现象所示是相当大的,尤其是铝板里面的幕墙框架采用钢型材(词条“钢型材”由行业大百科提供)时,因铝的热膨胀系数一般为钢的2倍,所以同尺寸板产生的挠度将为表中数值的2倍。


笔者发现有的生产厂家在固定板块的角码上,沿板块的长或宽方向将固定板块的螺钉孔加工成长孔(见图四),但板安装后仍然出现变形现象,并且这种连接方式达不到幕墙平面内变形的要求。


3.面板与边肋装配时产生应力变形


有的生产厂家为解决铝板板块板面的热应力变形,特别是面板采用铝塑复合板时,在单元板块的周边加了一圈边肋框,从生产工艺上是面板在刨槽机上按板块折边尺寸刨槽折边成盒状。另一条线是将边肋型材按板块需要尺寸截断组装成边肋框。然后边肋框装入盒状面板,用抽芯铆钉将两体固定。在工作现场经常发现因面板刨槽折边有偏差,边肋型材组装成框有偏差,两体相配合时常出现不是框小就是板折边尺寸过大(如图五所示)。为保工期、不费料,往往强行装配,造成板面产生装配应力,不是边肋变形就是板面受压变形。这种板块在温度和空气膨胀力作下产生向外的变形现象。


铝板幕墙变形的整治办法


幕墙产品设计的最基本原则应当是,除保证强度外,无论是结构框架还是饰面应采用嵌入体的结构设计,决不允许产生热应力。如果产生热应力将造成构件变形和破坏。要达到不产生热应力,各配合部位就要留出一定的空隙,设计者必须有恰到好处的结构或密封材料(词条“密封材料”由行业大百科提供),来保证产品的气密性和水密性。这是幕墙设计成功的关键所在。


1.铝板幕墙板块与框架必须为浮动连接


中国自从改革开放以来,各方面都在产生日新月异的变化,尤其建筑业,更是蓬蓬勃勃的先前发展。各地新式大楼如雨后春笋般不断涌现,而且越建越高。要满足超高层使用的幕墙,从结构上:一是不能产生热应力,二是要满足超高层建筑(词条“超高层建筑”由行业大百科提供)因自振和在风荷载(词条“风荷载”由行业大百科提供)作用下振幅加大,造成的幕墙平面内变形的要求,而且在防震设计时,要按不同建筑结构类型弹性计算的位移控制值的3倍进行设计。比如在地震设防地区,有一栋层间高3.4m的框架结构超高层建筑,幕墙的位移必须满足25.5mm的要求。这就要求幕墙板块在满足强度要求的前提下,必须与结构框架为浮动连接(如图六、七所示),这两图只是板块连接的一种形式,在产品设计时可以设计多种结构。但不论采用什么形式的结构,设计原则是板块连接结构一定能吸收材料因温差产生的热应力和地震产生的平面内变形要求。


2.铝板幕墙板块消除装配应力


铝板幕墙的板块如果不加边肋,采用焊接、铆接或直接在板上冲压成型的角码(见图四所示),就是角码的固定螺钉孔开成长孔,也解决不了热应力造成的变形问题.一个工程用的板块数量较多,板块尺寸有的差异较大,板块的最大热膨胀量因板块的长宽尺寸不同,不是沿板的长宽方向变化,而是按三角形函数的正切函数值变化,不可能将工程用的每块板的周边上的每个角码,都用计算机按角码所在板的位置计算出可能膨胀的方向,按这个方向去开每个角码的斜长孔。另一个因素是固定板块的螺钉必须拧紧,铝板在没有边肋的情况下,折边处的强度很弱,很难把热应力传到角码上,让角码按温差蠕动吸收热膨胀量。因此这种角码上开长孔的办法解决不了铝板变形的问题。


要想解决铝板不变形,板块与框架结构必须为浮动连接。要想将热应力传递到板的折边边缘,必须要在板块的折边处增设边肋进行补强,就是采用3mm厚的单铝板在季节温差较大的地区也要设置边肋补强。为保证折边的铝板不产生图三、装配应力,并保证铝板块的制作质量,边肋框应设计为长宽可伸缩结构。从公差与配合术语上讲,板块折成盒状的尺寸为基准孔,由边肋框的伸缩来配合折边板,边肋框四个角的部位采用插接件连接(如图八3节点所示)。边肋框的横竖杆件与插接件两端各留2mm间隙,框的长宽调整量为4mm,这4mm足可以吸收板折边与框组装的加工偏差,可消除图五的配合不当影响质量的现象。这个可伸缩的边肋框不仅对热应力传导进行补强,而且还可以吸收边肋在面板里边因微小温差造成的热应力变形,从而消除铝板的变形现象,保证整体铝板幕墙的平整度(词条“平整度”由行业大百科提供)。


3.铝板幕墙板块的补强中肋应为浮动连接


铝板幕墙板块的补强中肋与面板的连接大约有三种方式(见图九):结构胶粘接、超强胶带粘接、栽焊螺钉固定,其共同的特点都是将中肋与面板固定死,中肋两端多数与边肋框固定。


面板直接受阳光照射,补强肋在板的里面,尤其是有一层粘接胶隔离后,与面板因温差出现热应力,限制了面板沿补强肋轴向方向的膨胀。如果补强肋两端与边框肋固定,又限制了面板沿补强肋径向方向的膨胀,易造成粘接剂和连接件受剪破坏而降低耐久年限。


铝板幕墙板块的补强中肋与板;连接采用图八1、2节点,安装顺序是先将补强中肋两端的角码用抽芯铆钉或自功螺钉与边肋框固定,然后将补强中肋由上向下卡入固定角码,再用高强粘接胶沿补强中肋长度各三分之一处各粘一个压板,将补强中肋压住。注意补强中肋上部与压板要留出2mm间隙,补强中肋端头与角码间也必须留出2mm间隙,这种浮动连接结构面板与中肋不会产生热应力,即达到了补强作用又保证了面板的平整。


补强中肋的设计:


外形要求:有利于结露水向下滚落,达到y轴最大惯性矩


刚度计算:单跨中肋在正风压作用下按简支梁受梯形荷载计算,在负风压作用下按简支梁受三个均布集中力计算,其挠度不应大于中肋跨度的1/300。


压板的设计:


外形要求:有利于结露水向下滚落,有足够的刚度


粘接胶:国产NJ-1系列高强型粘接胶


其性能:抗拉强度34N/mm2(金属与金属粘接)。抗剪强度36N/mm2(金属与金属粘接)。固化温度20℃以下15-50分,20℃以上1-20分,2-3小时达到最大强度。


4.金属于石材幕墙工程技术规范(JGJ133-2001)某些条款应尽快修改


针对金属板幕墙,这本技术规范的如下条款应当修改:


5.4.5金属板材应沿周边用螺钉固定与横梁和立柱上,螺钉直径不应小于4mm,螺钉数量应根据板材所承受的风荷载和地震作用经计算后确定。


6.4.3单层铝板的加工应符合下列规定中的第3条


3.单层铝板的固定角码应符合设计要求。固定角码可采用焊接、铆接或在铝板上直接冲压而成,并应位置准确,调整方便。固定牢固;


条文说明中6.4.3款中的:


3.单层铝板的固定角码应符合设计要求,固定角码可采用焊接、铆接、冲压成型;


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