作者：武汉凌云建筑装饰工程有限公司 甘铃、杨 坤、杨旺辉、卢 伟
【摘 要】
本文全面介绍了深圳粤海置地大厦项目幕墙工程的设计过程和设计思路。该工程包含带变截面不锈钢线条的超大单元板块系统、铝合金蜂窝板幕墙系统等，全文分别对各系统进行了重难点分析，及结合现场施工进行的相关设计配合，旨在为读者提供类似借鉴经验。。
【关键词】
变截面不锈钢线条、超大单元板块、BIM、异形采光顶
一、幕墙工程概况
1 工程简介
项目名称：深圳粤海置地大厦项目幕墙工程
项目地点：深圳市罗湖区太白路与东昌路交汇处。
建设单位：广东粤海置地集团有限公司
建筑师： ARQUITECTONICA
建筑设计单位：华南理工大学建筑设计有限公司
幕墙顾问：创羿（上海）建筑工程咨询有限公司
幕墙范围：南塔及附属裙楼
幕墙顶部标高：303.3 米
幕墙面积：约13万平方米
主体结构形式：框架-核心筒
地面粗糙度类型：C类
建筑物耐火等级：一级
抗震设防烈度：七度
基本风压：0.75kN/m²
基本雪压：本项目不考虑
耐久年限：幕墙设计使用年限不低于25年。
2 主要幕墙形式
工程范围及系统介绍：包括单元玻璃幕墙系统外带造型装饰条、蜂窝铝板及铝单板吊顶系统、采光顶系统等16个系统，具体如下：
F-A1 南塔标准层单元幕墙系统
F-A2 南塔空中大堂单元幕墙系统
F-B 南塔避难层单元式幕墙系统
F-C 南塔塔冠单元式幕墙系统
F-D 南塔大堂框架玻璃幕墙系统
F-E 南塔屋面核心筒金属板幕墙系统
P-A 裙楼横明竖隐幕墙系统
P-B 裙楼金属板幕墙系统
P-C 连桥幕墙
P-D LED 屏及广告牌幕墙
P-E 不锈钢玻璃栏杆系统
P-F 裙楼金属板吊顶系统
P-H 裙楼格栅及百叶
P-J 裙楼电梯房幕墙系统
P-S 裙楼采光顶系统
塔楼室内电动遮阳卷帘系统
主要系统范围示意:
二、典型、重难点部位幕墙的设计
1 带变截面不锈钢线条的超大单元板块系统
1.1系统简介
本系统位于塔楼大面区域，与塔楼标准板块交错布置。标准板块分格为：1500mm（宽）× 4500mm（高）。
（1）变截面不锈钢线条分横竖向，组成9000mm（宽）×9000mm（高）的大分格。
线条面板采用2mm压纹不锈钢板。横、竖向呈波浪起伏形态，如同编织网一般。波峰、波谷距玻璃面尺寸在200~550mm之间渐变。横向线条按1500mm拼缝，竖向线条按4500mm拼缝。
（2）超大单元板块位于竖向线条位置，板块标准分格为3000mm（宽）×4500mm（高），1500mm水平分格处加中竖。中横、中竖为铝包钢做法。
1.2 重难点的分析
本工程为303米的超高层建筑且位于沿海地带的深圳，超大的风压是设计面临最主要的难题。塔楼风荷载标准值取风洞实验报告和计算值两者之大为 5.14 Kpa。
在大风压环境中，外附大尺寸的不锈钢线条（最大悬挑距离550mm），必然会导致龙骨构造硕大、连接节点设计复杂。如何保证结构受力合理可靠，是重中之重。
此外，如何设计线条连接构造，在满足连接安全的同时，能够很好的适应其变截面的特点，也是难点之一。
1.3 设计目标思考
针对分析的难点，带变截面不锈钢线条的超大单元板块系统设计需要达到以下几个目标：
（1）可靠性：不锈钢线条悬挑大，塔楼区域风压大，项目高度高；保证线条受力安全可靠是根本所在。
（2）施工便捷性：保证现场板块互通性，使现场板块安装顺序容错更高；安装便捷性；还有后期玻璃破损情况下的可更换性等。
1.4 整体构造的设计
（1）系统整体构造为分离式的。即2mm压纹不锈钢线条和3000mm（宽）×4500mm（高）的超大板块分开组装完成后，再通过连接构件二次拼装成整体。
（2）不锈钢线条为组装件，整体上需满足的结构受力要求。
线条内部设置型材龙骨，面板固定在龙骨上。并在主龙骨上预留连接点位（3个支点）。
（3）连接竖向线条的单元板块，做成3000×4500mm超大板块，设置大十字钢架，用以承受玻璃面板自身的荷载和传递线条带来的荷载（受力模型如下图所示）。不锈钢连接点位设置在竖向钢骨架上。中横中竖采用铝包钢的形式，外包型材饰面。
1.5 变截面线条设计
（1）节点构造
竖线线条主龙骨立柱分为大的主立柱和前端U形小龙骨。前端小龙骨通过40X60X4铝管连接件连接到后端大龙骨上。主龙骨通过T码连接件固定到板块上。
不锈钢面板分左右两个对称件，通过前后的不锈钢机制螺钉固定到主龙骨上；在不锈钢面板布置有3mm铝板加强筋，保证不锈钢面板的平整度。加强筋通过结构胶与不锈钢面板粘接；前后端通过转接型材与龙骨进行打钉连接。
横向线条面板连接形式与竖向线条一样，区别在于龙骨布置。采用前后两条等截面小龙骨，两侧用6mm连接板连接后，整体安装到单元公母立柱上。
（2）适应变截面的设计
竖线不锈钢线条根据线条宽度不同分大、中、小三套模，通过分级的方式来适应截面尺寸的变化。
横向线条龙骨设计也是采用分级的思路：横向线条主龙骨骨架，根据线条宽度不同分大小两套模。加上阳角位置的特殊布置，有两套模相互组合形成四种情况。可以很好的适应截面的变化。
（3）十字缝拼接的处理
建筑师对不锈钢线条十字交接位置处理外观的要求是：密拼处理；竖向线条贯通，横向线条碰竖向线条。设计的时候保证横向线条的龙骨贯通，将横向线条开斜缺口，让竖向线条可以插进去；竖向线条下口开缺口避开横向线条的龙骨。
竖向线条安装时会有一个插接的行程，在竖向线条龙骨上留有插接行程。
（4）细节处理
不锈钢线条面板为2mm压纹不锈钢板。为达到面板角部棱角分明的效果，折边时需要做刨槽处理。根据厂家反馈的工艺要求，在角度较小的位置，刨槽深度达到1mm，极大的削弱了面板的强度。
为了加强角部强度，我们在角部位置设置加强型材。加强型材一端通过螺焊柱与不锈钢大面位置连接，另一端则通过螺钉与面板一同固定到龙骨上。
由于加强型材所处两个面的角度始终保持一致。加强型材采用一种模图即可适应线条截面变化。
针对“40X60X4铝管连接件”。需要保证铝管连接件根部为“刚接”的受力形式。为此顾问提出要求：40X60X4铝管“连接件长度”不大于三倍的“插接尺寸”。
此外，无论是铝管连接件还是T码都会穿透大龙骨的腔体，极大削弱其力学性能。于是我们将T码连接件腔体和铝管连接件的腔体分隔开来，保证在大风压情况下大立柱受力安全。
大立柱与T码连接件连接时，前后位置的局部承压受力极大，故设计时，在对应位置做了加强处理。
1.6 超大板块的设计
（1）单元标准十字缝设计及排水路径分析：
单元横竖主型材为楔形构造。面板成形面约为250mm，型材截面较大。立柱后端尺寸80mm，前端尺寸120mm，采用闭口腔体构造。
排水方式采用暗腔排水，插接构造如下图所示：
（2）钢骨架及线条转接件设计
超大板块内部十字钢架采用160x80x5钢管（Q235B）制作，在连接节点处设置钢肋板加强。横向钢管碰竖向钢管处内衬钢插芯，焊接时全熔焊透。
钢架四周与上下横型材和公母立柱之间通过螺栓连接，并设置2mm胶垫，用以少量的误差吸收。
竖向不锈钢线条的T码连接件，通过沉头螺钉从侧向固定在板块的钢龙骨上，保证可靠受力。在外侧做型装一个辅助型材，保证横竖缝位置的防水性能。在T码穿透板块位置，做重点的打胶防水处理。
（3）挂接系统设计
三米大板块采用刚挂接位置。主要包含正向的风荷载，竖向的玻璃自重，还有不锈钢线条所带来的侧向力和弯矩。支座反力如下：
设计时考虑竖直方向自重，和正面的抗风和侧向力分开承受。如下图所示：竖向自重通过上部的螺栓承受；风荷载和水平力两个“M20*80 电镀8.8级螺栓”高强度螺栓承受，传力清晰可靠。
（4）防侧向位移构造
竖向不锈钢线条承受较大的侧向风荷载，在3米板块中间位置设置防侧移型材构件，用以承受侧向风压。
（5）玻璃可更换性
考虑到玻璃自爆或施工过程中的玻璃损，玻璃需要具备可更换性能。在设计节点的时候，尽量避免线条挡住玻璃更换的行程空间。保证玻璃的可更换。
1.7 带窗单元的设计
塔楼带窗单元的设计是单元系统的难点之一。本工程塔楼单元带有外开上悬窗，窗的分格为“1500宽x1300高”；最高位置做到了290米处，风荷载标准值按风洞报告取值达7.5KN。除此之外，窗的玻璃配置为“8+1.52PVB+8(Low-E)+12Air+10夹胶中空玻璃”。种种因素，导致单元窗系统窗扇及五金锁点受力极大。采用十点锁的情况下，单个锁点受力达1.8KN。常规五金件无法满足要求。
于是我们沿着理论的方向实施。在通过反复几次测试，以及更换锁点配置后，终于成功通过四性实验，验证了我们的设计方案。在经过窗五金组装定位的反复调试后，解决了10点锁点位同步困难的问题。最终在工艺样板完成后我们现场尝试了窗户的开启关闭效果，还是比较顺畅的。
1.8 实施阶段保品质
（1）线条板块分体式编号组装
本工程单元板块分类较多。根据位置分类包含标准层，避难层，塔冠，空中大堂等；根据形式划分包含阳角，单窗双窗等。约120种类型。
不锈钢线条板块根据位置，截面变化尺寸种类，转接件位置等分类。约有100种。
单元板块和不锈钢线条如果组在一起，种类将会几何倍数增长，及其复杂。在实施过程中，我们将单元板块和不锈钢板块分开组装。分开编号，然后运输到现场后穿螺栓组装在一起（如下图所示），再整体吊装上墙。
这种形式的优势在于以下几点：
1、板块种类大幅度减少，极大简化了深化加工难度。
2、单元板块和不锈钢板块分开组装，然后运输到现场拼装。提高了板块运输效率。
3、板块具备通用性。不同编号的板块和不同编号的不锈钢线条组装新的板块形式。现场出现板块或线条损坏的情况下，可以用同编号的替代，替代性更好。
（2）三米板块加工精度控制
三米板块的钢骨架精度控制和连接T码的精度控制，是线条能否顺利安装的成败所在。为此，我们做了详细的控制交底的同时。我们协调厂家做了专门的工装，用以钢架的加工定位。从而在保证精度的同时，提高了加工效率。
（3）BIM技术运用
本项目单元板块设计及深化过程中大量采用BIM技术用以模拟放样，和沟通交流。在方案设计阶段，模拟关键位置拼接情况，优化节点方案。
在深化加工图阶段，将所有代表性类型的板块，进行了LOD500深度的模拟。确保加工准确无误。
2异形采光顶及裙楼蜂窝板系统
2.1系统简介
采光顶系统位于裙楼顶部，蜂窝板系统分布于整个裙楼，除塔楼延伸下来的裙楼及少数玻璃幕墙系统，整个裙楼全是蜂窝板系统（包含南北两个面的天桥）。
2.2重难点的分析
裙楼部分形体复杂、工程体量大是其主要的特点。设计阶段如何进行表皮分格优化和节点方案设计，从而保证后续施工便捷性和准确性是设计一大难点。
提料订货阶段的工作任务量大，如何实现材料的快速订货，保证现场顺利施工安装，是另一大难点。
传统的设计手段及订货方法已经远远不能满足工程的需要。为提高出图和下料效率。于是我们尝试借助BIM模型，来指导方案设计、施工图设计、以及材料订货工作。
本工程在招标文件中明确对BIM使用有一定的要求。BIM模型在现场施工过程中，也起到了一定的指导作用。得到了项目上的好评。
2.3结构碰撞及干涉分析
在项目开始方案设计阶段：依据建筑提供的最新结构图纸和招标图纸的平立面分格，对裙楼全区域进行了BIM模型搭建工作。模型深度为表皮模型，包含了建筑表皮分格及建筑结构实体。
随后，我们将建筑图导入模型，进行幕墙表皮和建筑表皮之间的复核，确保幕墙分格和建筑分格的一致性。在过程中也发现了很多的不符之处，我们快速反应，及时找各方寻求了准确结果（例如下图中广告位位置不符，调整广告位位置）。
与此同时，我们对结构与幕墙表皮干涉部分进行全面分析。针对干涉的部分及时给建筑结构进行提资，并开展专题会议，邀请各方共同确定解决方案。（如下图为南立面吊顶与结构干涉问题解决过程）。
裙楼采光顶整体是一个双曲的曲面穹顶。在裙楼采光顶的设计中，我们也做了有效的表皮分格优化。
我们根据招标图纸和效果图，反复研究规律，推理出建筑师的设计意图；将模型进行“有理化”拟合。重建的表皮与原招标的表皮模型整体误差在“-200~400mm”之间，与原表皮接近。
之后我们进行了进一步的分格划分，使分格更加均匀美观。在与建筑师沟通之后，新建的表皮分格也得到了建筑师的肯定和好评。
裙楼天桥区域在最初设计时，由于方案未定，我们依据天桥主体结构图和建筑师大概想法，对表皮造型进行了重新塑造。新方案从幕墙自身出发，同时也完全满足建筑师的想法。
此外，在天桥与北地块交接收口处的设计也是难点。我们直接从模型出发，在模型中模拟出收口做法。暴露出问题后与各方沟通交流直接确认模型做法。真正意义上做到了“BIM的正向设计”。
2.5 BIM辅助施工图设计
（1）BIM技术也在全程贯穿在裙楼的施工图出图中。例如采光顶节点绘制时，我们对表皮角度分格做了分析，指导节点图的绘制。
（2）裙楼大面蜂窝板的节点设计时，对蜂窝板系统的夹角进行了全面分析。有了分析结果，我们的节点设计可以更加具有针对性。
（3）在采光顶钢结构设计工作中。我们从模型中快速提取钢结构的中心线，用于钢结构所对采光顶的钢结构计算和出图。
（4）本项目裙楼为交替的波浪形异形造型。在表皮分格统一调整之后，平面和立面剖面的绘制工作量巨大。也成为了一大难题。采用BIM技术，进行平立剖面的快速导出图形，再经过后期的标准化处理后。可以快速实现平立剖面的出图工作。
从模型中导出的平面分格点位，也同步用于了裙楼埋件图纸的制作。导出的平立剖面图纸，准确性可高达百分之百。避免了人工画图过程中可能出现的手误等各种问题。从而节约了大量的核对和修改的时间。
2.6 深化设计
（1）在原表皮模型基础上，我们对裙楼模型进行了深化。模型深度为LOD400，深度能满足材料订货数据提取即可。通过BIM技术依次对蜂窝板，铝背板，玻璃面板，龙骨系统，转接系统等进行批量建模。
（2）龙骨及转接系统建模相对繁杂，采用GH程序可以批量化快速生成模型。得出的龙骨模型与前文中分析（统一竖向列龙骨在一个平面内，形成片架）一致。模型准确无误。
（3）BIM模型完善之后，就是材料订货过程。材料订货包含蜂窝板面板，铝背板面板，玻璃面板，型材，钢龙骨及钢件等材料。我们灵活的运用BIM技术处理批量事项，手动处理需要判断性的问题。针对每一项材料，针对性的使用不同的方法流程进行材料订货的工作。快速的进行数据统计，材料编号，数据导出，加工图生成等。
（4）采光顶深化：根据前文所述对采光顶的面夹角分析结果。采光顶系统玻璃面板均可采用“以折代曲”的方式进行优化。在原有表皮的基础上将弧形玻璃全部优化为直板。可极大提高可建造性，同时降低了加工难度。
在得到合适的表皮分格之后，采用BIM技术对玻璃面板、转接件、包梁铝板、型材等构件，进行了全面的深度建模（LOD400），以满足材料订货加工需求。
三、结束语
深圳粤海项目自2020年下半年中标，至2023年正式竣工，历时3年。设计团队一步一个脚印，有条不紊，一切以高质高效完工为目的，通过此项目，在幕墙专业能力和技术水平上有所提升，同时BIM的运用贯穿整个设计过程，为我们在今后的项目中提供更多经验和参考价值。
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