特殊造型裝配式干掛石材幕牆設計探討

家居 05-10

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位於北京市五四大街與王府井大街大街交口的西南角的「北京嘉德藝術中心」項目就是在裙樓使用天然花崗石以實現建築師特殊的設計理念的典型代表。該項目由「北京皇都房地產開發有限公司」開發,「泰康之家(北京)投資有限公司」投資興建，著名德國建築師奧雷·舍人與北京市建築設計研究院合作設計。該項目位於北京市區的繁華區段，建築高度有限高要求，同時考慮到該項目的實際使用功能，無論其建築設計、結構設計，還是幕牆系統設計以及工程施工，都將面臨諸多困難和高難度的挑戰。

這棟樓位於北京的城市中心處，對面是美術館，旁邊是一塊歷史衚衕區，它前面正對著的就是扎哈·哈迪德設計的銀河SOHO和OMA事務所設計的CCTV央視大樓總部，這座坐落於北京故宮附近的「嘉德藝術中心」將成為中國最早藝術品拍賣行的新總部。該建築嵌進北京中心的歷史文脈中，其下部像素化的體量，從紋理、顏色和繁雜的規模與建築周邊的城市衚衕肌理相融合，建築上部則通過大尺度玻璃磚與北京現代城市相呼應，其建築肌理與鄰近的衚衕及四合院產生共鳴。與皇家的紫禁城相比，磚顯得更具普適性，更能代表民間社會與其價值觀念，一種中國文化中謙卑的、非精英主義觀念。建築下部的外立面由像灰色石頭一樣的像素化圖案組成，建築師通過成千上萬的穿孔將中國歷史上最重要的山水畫「富春山居圖」投映在立面上。石材研習社（IDstone5A）

按照建築師對外牆的設計理念，外牆採用「青磚」樣式的磚石「像素」放置在建築底部，以元代畫家黃公望的著名山水畫《富春山居圖》為模板，通過精鍊提取的數千個圓孔像素嵌入牆體之中，創造出抽象的山水輪廓。要實現上述建築師的設計理念，外牆幕牆的設計與施工將面臨巨大的挑戰，這座體量並不大的建築，其幕牆的設計和施工都將顛覆傳統的幕牆設計和施工理念。本文僅介紹本建築底部特殊的干掛石材幕牆的設計施工難點。

干掛石材幕牆位於建築的下部1層~4層，與上部中規中矩的矩形玻璃幕牆相比，下部的干掛石材幕牆外表面則形成巨大的反差，不僅立面有突出的凹凸、懸挑與退台，而且石材立面上有近四千個大小不一的孔洞，通過這些孔洞的有機排列組合，抽象形成了《富春山居圖》的像素。為了這些像素的完整性，石材接縫均須呈菱形布置，並須將41個幾何體形成連續貫通的石材拼縫，從而形成「搭積木」式的整體裙樓，由此可以想像，這與其說是建築裙樓，不如說是一件雕塑藝術品更為恰當。因為僅從外表面看，怎麼看也找不到一般建築中的柱網、樓層、採光、通風等基本的建築功能元素，但這又確實是一個特殊的建築裙樓，所有的建築功能都在這種特殊的外形設計下巧妙地實現了。下面分別就其干掛石材幕牆的結構形式、與主體鋼結構的錨固設計、石材幕牆構造系統設計等三個方面分析其特殊性。

一、干掛石材幕牆的特殊結構形式

本項目干掛石材幕牆的結構形式與傳統各種干掛石材幕牆形式均不相同，既不是單元式，也不是普通的構件式，這些多種結構系統經過多次論證後均被否定，最終選用了一種獨特的幕牆結構系統，即「整體預製型菱形鋼骨架系統」。

石材面板均呈菱形方向布置

從上圖中可以看出，石材立面為了形成整體的有機肌理，並便於石材面板開孔，石材面板設計為1131×1131的菱形布局，對角線長度為1600，故裙樓41個幾何體按照1600/2=800的模數進行排列組合，形成有機的幾何整體;特彆強調的是，由於41個幾何體形成了多個陰角和陽角，菱形立面所組成的陽角是整體效果的點睛之筆。為了整體效果美觀，建築師要求進行了多次實物樣板的安裝比較，最終選擇所有的陽角均須採用整體石材進行裝配。除此以外，石材面板上無規律的開孔布置，且孔洞中須安裝深度達300mm的燈筒透鏡，這些透鏡必須安裝在主次龍骨之間，不能打斷主次龍骨。以上要求完全打破了石材幕牆的結構形式常規，即常規的橫平豎直的龍骨框架不能使用，只能依照菱形石材的網路方向布置主次龍骨了。

這種特殊的龍骨結構設計形式無論從設計、結構計算，還是龍骨加工、安裝等都給設計工程師和工廠構件加工及現場安裝增添了很大的難度。為保證加工安裝精度，本項目採用了特殊的鋼骨架布置形式，針對各不同幾何體的不同立面，對鋼龍骨進行分塊劃分布置，選擇「單元格」，對標準「單元格」的主次龍骨採用整體預製方式進行設計和施工，以減小現場的作業量，並大大提高加工及安裝質量，有效縮短工期。

石材幾何體各立面展開示意圖

從以上各幾何體的石材幕牆展開圖看，所有的各折面上的石材拼縫均須貫通，全部41個幾何體的石材拼縫均須貫通，僅此一項要求，就需要在BIM模型中反覆調整，直至達到上述要求。為達到此目的，主體鋼結構、室內各種管網均須建築與結構專業的多次反覆配合調整，並充分藉助BIM技術才得以順利實現。

菱形布置的石材立面圖

二、石材菱形鋼骨架與主體鋼結構的錨固設計

該項目主體結構為鋼結構，梯間核心筒為鋼柱混凝土筒體結構，混凝土樓板為「幾」形瓦楞板上澆搗混凝土，由於混凝土樓板厚度不夠預埋件的錨固厚度要求，故不能採用在混凝土樓板內預埋鐵件的方式提供幕牆的錨固點，因此1層~4層石材幕牆連接的錨固支座只能設置在主體鋼結構的H形鋼樑及H形鋼柱上。

鑒於主體鋼結構施工時，幕牆方案尚未確定，故不能在主體鋼結構上焊接幕牆用的預埋鋼板，經與設計院結構工程師、監理公司、總包方反覆研究討論，並在現場鋼結構焊接進行測試試驗，選擇對主體鋼結構影響最小的施工方法實現後錨固鋼板的焊接施工連接，最終確定後錨固鋼板施工須達到如下要求：

(1)後錨固鋼板選用12厚鋼板肋板焊接在主體鋼結構的H形鋼柱及鋼樑的翼緣之間的腹板上，不得單獨焊接在翼緣板邊。

(2)焊縫高度為4~6mm，焊縫必須分段焊接，連續施焊的長度不得超過100mm。

(3)施工順序為沿鋼構件中心線對稱焊接，焊接部位按鋼結構的防腐要求補刷防腐漆及防火塗料。

(4)幕牆與主體鋼結構之間的連接必須為螺栓鉸接，不得為全焊接剛接連接，即幕牆與主體鋼結構之間的連接件必須一端是焊接另一端為螺栓連接;

上述方案確定後，現場即可按實測鋼樑的尺寸下料加工錨固鋼板，再按上述要求進行焊接，解決了與總包及鋼結構之間的工藝交叉施工問題。實際施工如上圖所示，在H形鋼樑的上下翼緣板之間焊接豎向鋼板肋板，幕牆連接件支座與此鋼肋板採用不鏽鋼螺栓連接，與石材幕牆鋼骨架進行焊接連接。

三、菱形干掛石材的點支式系統構造設計

按照建築師「像素化圖案」設計理念，上部漂浮的青磚盒子由裙樓基座承托支撐，基座則由特殊選擇的蒙古黑花崗石按菱形方式通縫連續布置，所有幾何體外立面均為無密封膠的空縫式設計且要求方方正正，不能出現調坡、斜角等不規則體型，故所有建築功能所需要的調坡、保溫、通風、採光、排水、消防等均須在此嚴格規則的幾何體內實現，這些繁雜的功能需要另撰文描述，本節僅說明石材面板的點支式系統構造設計。

基於石材設計的基本原理，空縫式干掛石材幕牆需要採用背栓式設計工藝來實現石材面板的固定，石材背後需要設置防水板實現石材幕牆的整體防水，在防水板的背面則是保溫層、防火層等功能層。由於石材背栓連接是獨立的點連接，每件石材需要四個背栓固定連接點，則需要兩支橫樑來固定背栓支座，而不能像其他卡條構造的方式共用橫樑。

按照上述的基本設計原理，本項目中則需要更多的次龍骨來固定石材背栓，由於石材面板中有近四千個燈筒開孔，導致石材主次龍骨必須與石材一致呈菱形布置，同時在實際施工時，蒙古黑礦山上無法生產1131見方的花崗石，建築師最終確定1131見方的石材面板實際由一分為四的石材板塊密縫拼接而成，因此主次龍骨的布置密度太密，鋼材含量將高達55公斤/㎡，同時高密度的焊接也將導致鋼骨架的變形嚴重。考慮到此工藝的缺陷，針對本項目的實際要求，將點支式玻璃幕牆的構造設計理念引用到本項目的石材幕牆設計中，通過在主次龍骨上設置支座鋼板，在每個支座鋼板上再設置四個支座點用於固定石材背栓。按此方法可以減少近一半的次龍骨用量，大大降低了鋼材含量。

本文僅就上述三個方面分析了本項目裙樓干掛石材幕牆的特殊設計方法，而本項目的複雜之處還遠不止上述幾個方面，如裙樓石材幕牆的採光設計、通風設計、消防設計、排水設計等均非常特殊，在以後的文章中將繼續闡述。

參考文獻

〔1〕中華人民共和國建築工業行業標準《小單元建築幕牆》JG/T216-2007

〔2〕中華人民共和國建築工業行業標準《金屬與石材幕牆工程技術規範》JGJ133-2001

作者介紹

作者：姜清海2018《建築門窗幕牆創新與發展》

來源：中國幕牆網

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