德国法兰克富航空铁路中心幕墙工程重点难点设计浅析李琦--中国期刊网

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德国法兰克富航空铁路中心幕墙工程重点难点设计浅析李琦

发表时间：2020/5/15 来源：《基层建设》2020年第3期作者：李琦

[导读] 摘要：德国法兰克富航空铁路中心，被公认为是世界最漂亮的机场建筑之一。建筑内、外均采用断热单元幕墙，共由约24700块单元板块组成，幕墙总面积达到14万平方米。

        无锡恒尚装饰工程有限公司
        摘要：德国法兰克富航空铁路中心，被公认为是世界最漂亮的机场建筑之一。建筑内、外均采用断热单元幕墙，共由约24700块单元板块组成，幕墙总面积达到14万平方米。项目获得多项国际奖项，被誉为21世纪欧洲最佳建筑之一。它是一座十分杰出的建筑物，不但外型优雅，而且讲求高科技与环保，可说是未来建筑的典范。德国被誉为世界幕墙行业的鼻祖，自己有幸作为德国法兰克富航空铁路中心幕墙工程的主要幕墙设计负责人之一，在幕墙设计过程中与德国幕墙专家探讨解决很多技术疑问和技术难点。现将设计过程中遇到的技术问题是如何分析解决的，进行概要剖析，并与大家一起分享。
        关键词：高隔声性能；热工性能；耐撞击性能；BIM的应用；高隔声高保温性能单元幕墙；电热式单元幕墙；联动控制双层消防单元幕墙；防盗实验；防弹实验；防火实验；T型钢截面大幅面玻璃采光顶；采光顶防踩踏实验
        一、引言及项目背景介绍

        德国法兰克富航空铁路中心项目位于德国黑森州。黑森州是德国经济最发达地区之一。德国法兰克富航空铁路中心项目，是欧洲最大的航空铁路中心。此建筑共计11层，总长度660米，高度34米，层间高度3.49米，最大层间高5.16米。建筑立面全部采用单元板块设计，幕墙单元板块标准分格为1.25米*3.49米。本建筑造形犹如一列缓缓行驶的列车，外立面线条简洁明快，使其极具新世纪现代派的时代气息。因为此建筑功能定位为国际豪华酒店、国际高档办公、国际高档商业、国际航空交通集散地，加之地处欧洲最繁忙的机场、铁路、高速公路交通枢纽中心，使得业主建筑师和幕墙顾问对幕墙的外立面分格线条的划分要求极高，对幕墙的舒适性、隔声性能、气密水密性能、热工保温性能、光学感官性能、抗震防噪音、防火防盗性能等提出了更高的要求。大楼表面双层夹胶低反光玻璃作外表，减少了过热的阳光。建筑里面设有13个超大方形天井，使每个区域的每个房间南北两侧都设有通透的玻璃幕墙，来增加自然光的射入。建筑的流线型设计，光线照射均匀，光线由采光顶棚玻璃射入，顶棚设有电动遮阳和电动开启扇，有散热遮阳的功能。另一方面，新鲜空气可以利用顶棚电动开启窗通遍全座建筑。建筑采用了很多不同的高新技术和设计，是现今业界的突破，发展商能不介意巨大的建筑费用使这座建筑力作能成为现实。可以这样说，它最吸引人的地方，不是它的名字和外观，而是它较同样的建筑节能一半以上，防噪音性能设计已经做到极致。它除了使用很多的节能防噪音技术外，还尽可能地采用自然条件采光和通风。整栋建筑配备有由电脑联动控制的百叶窗和开启扇，楼外安装有天气传感系统，可以监测气温，风速和光照强度。在必要地时候，自动开启窗户，引入新鲜空气。幕墙顾问团队技术构思新颖、意识超前。我在幕墙设计中全面贯彻“精心设计、打造精品”的观念，在同各顾问技术团队深入探讨技术解决方案的同时，注重吸收引进欧洲高端幕墙的设计技术。在幕墙工程设计过程中，我们发明注册多项幕墙专利技术，例如：高隔声高保温性能的单元幕墙、联动控制的双层消防门单元板块幕墙、幕墙单元板块用可拆卸重复利用货架、超大板块用不锈钢支撑板、单元玻璃密封熔角密封胶条、防止大开启扇掉角的装置等，确保了本幕墙项目工程做到精品、安全、顺利竣工交付使用。
        建设单位：Airrail Center Frankfurt Management Co. Ltd & Leasing Company
        建筑设计：JSK SIAT Architekten und Ingenieure GmbH
        幕墙顾问：IFFT Company
        幕墙施工设计单位：沈阳远大铝业工程有限公司欧洲分公司
        二、幕墙设计的重点难点浅析
        因为此项目幕墙在中国设计加工，通过海运+路运40天左右到达德国现场安装，所以幕墙的设计要求全部采用单元板块的构造。下面针对本项目单元式幕墙系统，进行细部的设计解析。

        设计重点 1：幕墙单元板块用可拆卸重复利用货架技术
        本工程一大技术难点，是运输路程远，海运+路运要40天左右。为了解决运输距离远、路运和海运不停的转运对单元板块造成的损坏，以及减少单元板块的集装箱使用数量、达到节约运输成本的目的，我们吸收欧洲幕墙运输经验技术的基础上，自己研发了一款可拆卸重复利用货架。这个专利技术，可以将不同长宽和双曲异型的单元板块，占地空间最小的码放在货架上、并且最小空间的装到货物集装箱里，极大的节省了路运和海运的费用。当单元板块到达现场安装后，货架可以拆卸成为一段一段大小不一的直线形状钢龙骨和销钉，再集中打包、最小占用空间的将拆散货架运回国内工厂。而且，这款货架可以任意大小拼装，无障碍的用到其他任意幕墙工程项目上。经过多年的实际使用，创造了极大的经济效益。这一货架设计，成功的注册了国内幕墙发明专利。
        设计重点 2：联动控制的双层消防门单元板块幕墙
        为了保证建筑外立面的流畅简洁效果，此建筑外立面没有设置一处开启扇和消防救援窗。如何设计这个巨型建筑的幕墙立面消防通道，成为幕墙设计解决的第二大重点。建筑师要求在内层幕墙设置消防联动控制的双层消防门单元板块幕墙，在屋面玻璃采光顶设置消防联动控制的外开启扇，来实现建筑幕墙的消防功能。既要保证幕墙的隔声性能和气密性能、又要具备消防逃生功能，同时满足欧洲的幕墙标准，使得单元幕墙的设计难度大大提高。经过与德国幕墙专家探讨研究，通过在同一个单元板块上设置内外双层电动平开门，并在平开门内外两侧设置隔声胶片玻璃，在隔声玻璃外侧设置瓦楞形状的、满布φ5mm @7mm圆孔的铝合金型材格栅板作为隔音板。即满足幕墙隔音和外观效果，又满足了欧洲消防验收的标准。这一单元构造设计，成功的注册了国内幕墙发明专利。
        设计重点 3：高隔声高保温性能的单元幕墙
        因为此工程地处位置同时有飞机、火车、货车往来，噪音非常高，经过现场环境测试最高达到100分贝左右。建筑的一端为国际高端超五星级酒店，另一端为各国际知名公司办公场所，对幕墙的隔声要求非常高，这也成为了我们幕墙设计需要解决的第三大重点。经过与幕墙专家探讨研究，通过在同一个单元板块上采用以下技术措施来达到降噪的目的：
        ①室外侧单元板块玻璃采用双夹胶中空玻璃，玻璃胶片使用3.04mm厚的专用隔声胶片。玻璃配置：8mm+1.52PVB+8mm+20Ar+6mm+3.04隔声PVB+6mm。
        ②内层单元板块金属面板采用满版∅2.5mm @5mm圆孔的2mm 3003H14铝单板。
        ③单元板块铝板内侧满贴sika隔音毡。
        ④金属面板和背衬钢板之间，设置高密度sika隔音棉，隔音棉间布置10mm厚的隔音硅酸钙板板。
        ⑤单元铝合金立柱和铝合金横梁腔体内，填满聚乙烯发泡树脂。
        ⑥玻璃与铝合金型材间隙，使用通长的蜂窝孔状的熔角隔音泡沫胶条。
        ⑦单元板块间的插接缝隙，从室外往室内侧数，从构造上设置了6道贯通交圈的EPDM胶条密封。而且，其中三道胶条是整体热熔胶条框，实现角部无缝隙贯通连接。
        通过上述主要的技术措施，成功的将酒店房间内噪音降到了20分贝以内，这一单元系统的设计，成功的注册了国内多项幕墙专利。

        设计重点 4：提高幕墙热工性能的技术措施
        此工程幕墙热工参数要求整体U值不大于1.5W/m2 K，要求很高。针对节能的薄弱环节，我们重点采用了下面几点措施：
        ①选择30mm高隔热断桥铝合金型材系统、且在隔热条和铝合金型材腔内注满隔热材料，从而实现型材本身的隔热，减小冷桥的影响。
        ②隔热条与玻璃中空层位于同一平面内，确保等温线的平缓过度，达到最佳的保温效果。
        ③玻璃采用20mm厚的中空层暖边条、充氩气、双银Low-e、1.52mmPVB+3.04mm隔声PVB双夹胶片的配置。
        ④固定室外装饰线条的铝合金转接件，采用分段布置，并垫上隔热尼龙垫片，避免内外侧型材直接接触。
        ⑤使用高热工性能sika隔热保温棉。
        ⑥单元板块缝隙，设置了3道贯通交圈的EPDM熔角胶条框密封。
        ⑦单元铝合金立柱和铝合金横梁腔体内，填满聚乙烯发泡树脂。
        ⑧玻璃与铝合金型材间隙，使用通长的蜂窝孔状的熔角隔音泡沫胶条，并用相容性能好的sika密封胶周圈密封严密。
        设计重点 5：空间曲面玻璃单元板块的设计
        为了确保建筑外立面分格线条，实现高速列车的冲击效果，建筑师要求外立面幕墙通过三维BIM建模，幕墙采用真实空间曲面单元板块设计。因为这列火车造型建筑的两端，大头和小头建筑造型尺寸不同，导致每个单元板块都是不同的无规则的空间曲面。这给幕墙设计带来的难度是空前的。我们经过无数次建模分析、10多次真实视觉样板的制作，最终将下面这些技术难点逐一攻破。下面是设计过程中的一些主要技术措施：
        ①空间曲面3mm铝单板的设计：因为模型中铝板表面是不规则曲面，我们通过3D放样、使用单曲铝板后面背衬不规则曲面的铝合金龙骨加强筋施加应力的办法实现。
        ②空间曲面玻璃的设计：因为模型中玻璃表面是不规则曲面，我们通过3D放样，模型中单个幕墙板块上玻璃最大翘曲点达到45mm。我们通过减小玻璃分格大小，将45mm翘曲均分到5块玻璃上，使单块玻璃翘曲值控制在6.5mm以内。再通过变截面铝合金型材扣板，将6.5mm玻璃翘曲值抵消掉。
        ③空间曲面弯弧铝合金单元板块型材的设计：我们通过几组变截面的铝合金弯弧立柱，再将铝合金横梁断面按照3D放样尺寸、加工成空间二面角截面来拼装实现
        ④空间曲面单元板块空间调整性能的设计：因为现场每个单元板块定位点都是设计通过三维放样提供的空间三维坐标值，我们采用可以空间任意调节的铝合金单元连接件系统和倾斜角度的铸钢连接件系统组合设计来实现。
        ⑤可以空间运送、定位单元板块的安装机具设备的设计：我们在德国现有起重车360°起重臂的基础上，设计特制的“万向吸盘手”，可以将单元板块在空间任意角度上移动，空间定位调节精度可以达到20mm。

设计重点 6：简洁通透的T型钢截面采光天棚幕墙系统设计
采光顶棚设计简洁的T型钢截面做龙骨，特制开模的PP材料做二道防水槽和隔热层，EPDM胶板槽座作为防水气密层。建筑设有13个超大方形天井采光玻璃天棚，使每个区域不同房间南北两侧，都有通透的自然光射入，光线照射均匀。顶棚设有电动遮阳和电动开启扇，很好的设计了散热遮阳构造。另一方面，新鲜空气可以利用顶棚电动开启窗通遍全座建筑。整栋建筑天棚设计有由电脑联动控制的遮阳帘和开启扇；楼外安装有天气传感系统，可以监测气温，风速和光照强度。在必要地时候，自动开启天棚窗扇，引入新鲜空气。

        设计重点 7：隔热条不参与受力的技术措施
        本工程的幕墙热工性能参数要求幕墙整体U值不大于1.5W/m2 K。因此单元幕墙横竖框龙骨设置了通长的30mm高隔热条，对铝合金龙骨截面受力非常不利。为了使隔热条不参与受力，我们通过M6X40的304不锈钢螺栓将隔热条内外的6063-T6铝合金型材连接固定。
        设计重点 8：电热式单元幕墙
        为了避免冬季建筑屋面积雪，在斜屋面铝单板的后表面安装恒温热阻线。当遇到下雪天气，通过建筑外安装的天气传感系统，发送控制信号，采用电加热斜面铝单板，从而防止幕墙表面积雪。
        设计重点 9：防止单元板块空间重心偏移的定位措施
        因为空间曲面单元板块重心偏位，为了防止单元侧向位移，我们采用在单元母立柱下端的腔体内，设置水平限位铝合金角铝。
        设计重点 10：增加单元板块内部铝合金立柱和横梁框架连接强度的技术措施
        因为单元板块重力偏心，单元内部侧向分力大，单元内部横、竖框的连接设计，需要能够承受这一内力荷载要求；我们经过结构计算分析，单元横框和竖框连接，均使用不锈钢内六角圆柱头M6X40螺栓连接；
        设计重点 11：可以拆卸、防脱落的装饰扣板技术措施
        本项目外装饰线条特别多，可拆卸、又防止脱落，成为我们重要解决的设计任务之一。我们通过在玻璃压板后侧设置间距350mm的不锈钢弹簧限位卡簧解决这一问题。
        设计重点 12：单元幕墙防火的构造技术措施
        本项目属于高层建筑，对防火要求特别高；我们通过每层楼板前端和室内吊顶位置，设置通长的3mm厚镀锌钢板、而且不锈钢板表面涂装高性能防火涂层，内侧再填满双层高容重的sika防火棉来满足防火性能。设计重点 13：幕墙防雷的技术措施
        在这个工程当中，建筑外立面均为横、竖向铝合金扣板，而且单元龙骨系统均为不导电的隔热铝合金型材，对避雷非常不利。所以幕墙避雷的设计，也是重点考虑项目之一。我们通过氧化铝板条间断布置，首先将隔热条内外侧铝合金型材连通。再使用避雷铜导线将相邻单元板块插接铝合金横、竖框连通。使单元幕墙系统形成完整的避雷体系、再与主体避雷相连接，达到避雷设计要求。
        设计重点14：幕墙电动内开启扇的技术措施
        此建筑的内层幕墙，大量使用电动内开启窗，窗扇构造设计尤其重要：我们采用德国GU专用电动内倒窗五金件，并且选用多点电动锁设计来确保开启稳定安全。
        设计重点 15：隐藏无缝隙窗台板的技术措施
        工程上有2万多个单元板块，每个单元板块宽1250mm左右。为了将单元板块间室内10mm插接缝隙隐藏掉，我们采用同室内铝合金颜色一致的高密度EPDM材料，开模设计了一款EPDM封堵，将室内缝隙紧密密封掉，确保了室内美观。
        设计重点 16：铝板和铝合金型材穿孔的加工工艺设计
        为了减小建筑幕墙的噪音，我们将内层铝单板表面和局部铝合金型材表面加工成密布的圆孔，孔径大小由3mm~8mm不等。经过加工测试，我们设计多套冲孔模具，确保了铝板表面平整、孔径光滑。即达到了减小噪音，又确保了外观效果。
        设计重点 17：确保防火封修连续、方便内装地面施工，使用80mm深预埋件混凝土凹槽技术设计：工程上设计槽式预埋件，我们都设计在混凝土的预留槽坑内，待单元连接件安装调整到位后，再回填浇筑混凝土预留槽。这个技术设计，为幕墙的防火封修、内装的后续施工提供了极大的便利条件。
        设计重点 18：内层单元板块的隔声、遮阳电动帘设计
        为了提高室内的舒适性，我们在内层单元板块室外侧，都设计使用了德国WAREMA遮阳帘系统。它即减少了室外噪音，又提高了室内的光线舒适性和隐秘性。
        设计重点 19：确保幕墙外立面玻璃表面平整的技术措施
        为确保幕墙外立面玻璃平整，我们将夹胶中空玻璃的最外片玻璃都设计为8mm+1.52PVB+8mm夹胶玻璃。这种超规范强度、挠度的玻璃配置，使得建筑外立面非常平整，幕墙外观效果非常完美。
        设计重点20：采用BIM三维建模辅助设计的技术措施
        因为此工程幕墙系统空间曲面特别多，进退、变面、交接也复杂，为了避免产生错误，所有单元拼缝均采用BIM三维建模辅助设计、确保组装拼接构造设计合理、外观美观无瑕疵。经过实际操作，总结有以下重要好处：
        ①可预先发现问题、减少材料加工尺寸和型材模具设计错误、减少返工；
        ②可及早发现问题，加工前预先和业主、建筑师、幕墙顾问讨论细部构造，提高沟通效率；
        ③BIM模型修改任何一处，设计团队都实时跟进，确保设计信息一致性；节省了设计时间提高了工作效率；
        ④确保了材料加工尺寸和数据的正确性，减少了人为画图、计算的错误。
        ⑤采用BIM软件及智能加工机床数据互联，代替型材老旧加工工艺；将大批量的型材加工数据，直接导入数控机器设备，进行加工，节省人工、效率；
        设计重点21：现场单元板块安装的技术措施，设计特制的偏心安装辅助钢结构架，以及可以任意空间角度控制的“机械手”：
        因为工地现场空间狭长，内层单元板块只能使用“蜘蛛车”安装，外层单元板块只能使用起重车安装。我们在德国现有起重车360°起重臂和蜘蛛车的基础上，设计特制的“万向吸盘机械手”，可以将单元板块在空间任意角度上移动，空间定位调节精度可以达到25mm，提高了单元板块安装的精度和效率。
        三、结束语
        本工程2013年已经竣工并投入使用。业主、设计院及各顾问公司，对本项目幕墙工程的顺利完工都给与了高度的评价。同时，也受到了社会各界的一致好评。虽然施工设计过程非常艰苦，但是过程中一个个重点、难点技术问题被解决，心中还是无比欣慰的；将这些点滴经验总结下来，并与大家一起分享，也是非常愉快的事情！
        参考文献：
        [1]BS EN 13830：2003 Curtain walling - Product standard
        [2]BS EN 1991：2002 Actions on Structures
        [3]BS EN 1990：2002 Basis of structural design
        [4]BS EN 1993：2002 Design of steel structures
        [5]BS EN 1992：2002 Design of concrete structures