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摘要：幕墻項(xiàng)目中陶板及陶管的使用可以幫助建筑師表達(dá)特定的外立面效果。本文在著重分析陶管幕墻技術(shù)重難點(diǎn)的基礎(chǔ)上，對(duì)各類幕墻的表皮選用及陶管幕墻的連接構(gòu)造作了相關(guān)思考與總結(jié)。
關(guān)鍵詞：陶管幕墻 拉索 技術(shù)要點(diǎn) 啟示
一、引 言
幕墻作為建筑的外維護(hù)結(jié)構(gòu)，從誕生伊始僅僅作為建筑外承重墻的替代物，讓建筑更為美觀的單一功能發(fā)展到現(xiàn)在，越來越向多元縱深探索。內(nèi)在彰顯建筑個(gè)性，凸出建筑地位;外在與城市環(huán)境和諧共處，讓建筑物內(nèi)外交互更為自在。幕墻早已跳脫出了建筑的范疇，被賦予越來越多的時(shí)代特征，用各異的姿態(tài)詮釋多彩的建筑性格，熱情跳躍，抑或沉穩(wěn)內(nèi)斂;自由灑脫，也可以委婉動(dòng)人。
陶制品的誕生則給建筑物著上了一件文化的長(zhǎng)衫，不管是陶瓷板（詞條“陶瓷板”由行業(yè)大百科提供），陶土板（詞條“陶土板”由行業(yè)大百科提供）還是陶管，在這種最為接近自然的材料的烘托下，仿佛褪去了建筑物置身塵世的浮華，讓一切慢下來，好像她有很多故事要說給你聽。
陶板及陶管現(xiàn)有案例實(shí)景
▲ 清華新學(xué)堂
▲ 武漢綠星城 ▲ 天津大學(xué)建筑創(chuàng)意大廈
二、工程材料
中國(guó)是陶瓷的發(fā)源地。制陶燒陶工藝在中國(guó)，有著源遠(yuǎn)流長(zhǎng)的歷史。從秦磚漢瓦時(shí)代的亭臺(tái)樓閣，到今天現(xiàn)代建筑中的陶土構(gòu)件（詞條“構(gòu)件”由行業(yè)大百科提供）;無論是美學(xué)，抑或功能，陶，作為承載文明的一個(gè)具象，已然從原始的“制品”轉(zhuǎn)化為藝術(shù)的“作品”。陶，被當(dāng)代建筑師發(fā)現(xiàn)之后，越來越多的應(yīng)用到標(biāo)新立異的城市建筑體中。
2.1 陶產(chǎn)品類別
陶應(yīng)用于幕墻的產(chǎn)品一般分為陶板和陶管，外表面處理方式有如下幾類：自然面、釉面、砂面、槽面以及仿古做舊。另外豐富的顏色也為建筑師提供了更大的選擇空間。
▲ 陶板顏色分類
▲ 表面處理方式
▲ 陶管斷面形式
▲ 陶板斷面形式
2.2 陶產(chǎn)品物化性能與應(yīng)用優(yōu)勢(shì)
陶板取材于天然陶土，生產(chǎn)過程不產(chǎn)生廢氣，污水，廢渣，比普通陶瓷節(jié)水百分之五十以上，能耗較低，屬于綠色環(huán)保的建筑材料。另外，陶板自身很多優(yōu)良的物化性能也決定了其作為幕墻外表皮材料的出色表現(xiàn)。
物化性能參數(shù)
由上表可以看出，較輕的自重降低了陶板幕墻的施工難度及安全隱患;較強(qiáng)的抗凍性和耐腐蝕性（詞條“耐腐蝕性”由行業(yè)大百科提供）能以及自潔性很大程度上降低了材料的維護(hù)保養(yǎng)成本;另外，較高的防火等級(jí)和熱阻，較強(qiáng)的隔音性能以及非常低的放射性都決定了陶板成為一種綠色、環(huán)保且低能耗的絕佳外立面材料的潛力。
那么，從建筑效果，結(jié)構(gòu)適用性以及施工便捷性上來講，陶板幕墻和其他幕墻對(duì)比又有哪些優(yōu)勢(shì)呢。
不同非透明幕墻系統(tǒng)對(duì)比
由上表可見，相比石材幕墻，陶板幕墻自重輕，工廠預(yù)留槽口，施工更為便捷;色差小，自潔性強(qiáng)，外觀效果更容易得到長(zhǎng)久的保證。相比鋁板幕墻，不褪色，不易污染，而且保溫性能強(qiáng)，更符合綠色建筑（詞條“綠色建筑”由行業(yè)大百科提供）的整體趨勢(shì);對(duì)比瓷板幕墻，陶板幕墻則擁有更為便捷的掛接方式，更好的隔音性能，更低的材料破損率。
三、工程技術(shù)解析
3.1 陶管產(chǎn)品及其單元構(gòu)造
本文以陶管幕墻的既有項(xiàng)目為例作重點(diǎn)分析。該項(xiàng)目外立面采用白色釉面陶管，每三根獨(dú)立的陶管通過連接件，端頭組件以及沉頭自攻釘組成一個(gè)陶管單元，然后掛接到龍骨體系上去。
因陶棍為脆性材料，在清洗、施工過程中外力等其它外部因素作用下，有可能出現(xiàn)破碎、整根脫落（詞條“脫落”由行業(yè)大百科提供）的情況，因此陶棍內(nèi)壁內(nèi)襯防爆膜，腔內(nèi)增加通長(zhǎng)設(shè)置的鋁合金芯管，端部通過鋁合金高強(qiáng)掛件系統(tǒng)與索連接，鋁合金芯管端部與陶棍內(nèi)部通過EPDM柔性連接，這樣主受力構(gòu)件為鋁合金芯管，而陶棍僅為裝飾材料，即使出現(xiàn)破損，也能夠有效避免整根脫落的潛在危險(xiǎn)。
▲ 陶管各組件
▲ 陶管單元
3.2 陶管掛接體系解析3.2.1 陶管幕墻外觀與掛接樣式
由圖可見本項(xiàng)目外立面實(shí)為雙層幕墻，內(nèi)側(cè)為鋁板幕墻，中間為檢修棧道，外側(cè)為陶管幕墻。
▲ 拉索陶管幕墻標(biāo)準(zhǔn)橫剖 ▲ 內(nèi)外側(cè)幕墻實(shí)景
外立面陶管系統(tǒng)采用拉索作為結(jié)構(gòu)受力構(gòu)件，有利于外觀效果的完整性，同時(shí)索為柔性結(jié)構(gòu)便于找形。陶棍三根一組，錯(cuò)縫排布，由于陶管幕墻所在立面為雙曲拋物面，所以從下到上間距從40—100mm漸變，每幾層變化一次，保證立面上陶管曲線排布流暢。
▲ 陶管幕墻掛接樣板
3.2.2 拉索結(jié)構(gòu)
拉索作為陶管幕墻的龍骨體系，自身固定在從主體鋼結(jié)構(gòu)外挑的環(huán)向鋼梁上。
▲ 拉索安裝施工
為合理利用拉索，最大化其利用率，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)考慮運(yùn)用φ16不銹鋼（詞條“不銹鋼”由行業(yè)大百科提供）拉索，并且每四層作為一個(gè)張拉段，上下設(shè)置調(diào)節(jié)端，其他中間層為滑移支座，控制水平受力及立面找型，此方案可節(jié)省3/4的調(diào)節(jié)端，節(jié)約成本，張拉費(fèi)用也降低。
拉索固定端布置在張拉段的底層和頂層，為了控制拉索的整體水平撓度（詞條“撓度”由行業(yè)大百科提供）可對(duì)預(yù)加應(yīng)力進(jìn)行控制和調(diào)節(jié);中間樓層作為滑動(dòng)支座，不承擔(dān)豎向力，在張拉調(diào)節(jié)完畢，陶管掛接安裝妥當(dāng)后進(jìn)行最后的鎖緊固定。
▲ 拉索頂?shù)讓庸潭ㄖё?/STRONG>
▲ 拉索中間層滑動(dòng)支座
拉索的選擇需要通過計(jì)算配合，并考慮邊界條件。本案拉索幕墻作為最外側(cè)陶管幕墻的受力構(gòu)件，僅需考慮幕墻體系的初始預(yù)拉力、自重、水平風(fēng)荷載以及地震荷載，豎向活荷載，還有溫度荷載。
拉索結(jié)構(gòu)不需要考慮主體出挑鋼結(jié)構(gòu)變形（詞條“變形”由行業(yè)大百科提供）對(duì)它的影響。另外邊界條件上，每隔四層對(duì)拉索設(shè)置豎向位移的約束，其余樓層僅約束水平位移。
▲ 陶管幕墻區(qū)域分布 ▲ 陶管幕墻計(jì)算模型
▲ C1 C3拉索軸拉力分布 ▲ C1 C3拉索變形值分布
φ16拉索的破斷力為181.04kn，規(guī)范允許的軸拉力設(shè)計(jì)值為181.04/2.5=72.42kn，上圖可知拉索的最大軸拉力為70.3kn，與限制接近。撓度變形允許值為層高4500mm/50=90mm，拉索最大變形為67.6mm，利用率也超過70%。
3.2.3 陶管的掛接
每三個(gè)陶管組成一個(gè)陶管單元，通過連接件等組件組合而成，最外側(cè)的連接件上有兩個(gè)掛孔。而每根拉索在與陶管單元拼縫對(duì)應(yīng)的地方都有一個(gè)槽型的卡件，槽型的卡件對(duì)穿兩根掛接螺栓和一根限位螺栓。拉索全部施工完成后，再將每一個(gè)陶管單元掛到兩根掛接螺栓上，并由中間M5的不銹鋼螺栓進(jìn)行限位，避免陶管單位的脫落。
▲ 掛接螺栓與限位螺栓正面與背面
▲ 陶管端頭掛件 ▲ 陶管掛接節(jié)點(diǎn)
3.2.4 陶管轉(zhuǎn)角連接
幕墻轉(zhuǎn)角的處理沒有采用開模的帶彎折造型的陶管，而是用型材作為轉(zhuǎn)接過渡。
兩側(cè)的陶管單元分別與轉(zhuǎn)角型材之間做了一個(gè)類似于合頁的連接件，可以適應(yīng)任意角度的彎折造型。這個(gè)巧妙的手段避免了為適應(yīng)不同角度的轉(zhuǎn)折，花費(fèi)大量成本用不同的模具加工折彎型一體陶管的做法。
▲ 轉(zhuǎn)角過渡型材
▲ 轉(zhuǎn)角陶管單位端頭特殊角碼 ▲ 類合頁轉(zhuǎn)接件（詞條“轉(zhuǎn)接件”由行業(yè)大百科提供）
▲ 轉(zhuǎn)角室外看面 ▲ 轉(zhuǎn)角室內(nèi)看面
3.3 項(xiàng)目思索與啟示3.3.1 建筑外表皮材質(zhì)選擇
建筑外表皮是建筑師用來表達(dá)建筑內(nèi)涵的外延手段，用人眼直觀看到的，感受到的視覺印象去體會(huì)建筑師想賦予建筑的生命力。所以建筑外表皮的選用首先要符合建筑師的設(shè)計(jì)理念，選用能夠充分表達(dá)設(shè)計(jì)師意圖，甚至表達(dá)其個(gè)性或者獨(dú)特情懷的外立面材料。
其次，就要從適用性角度來判斷哪種外表皮符合特定的項(xiàng)目需求。例如哪種外表皮更適合項(xiàng)目所在地域和環(huán)境氣候的特點(diǎn);哪種外表皮的選用更能滿足建筑保溫，隔熱的要求;哪種外表皮的選用能快速便捷的落地，并契合建筑外立面的形態(tài)特征;哪種外表皮的選用能夠減少使用過程中的維護(hù)次數(shù)，提高更換材料或者維修工作的效率等等。
以本文介紹的陶管幕墻項(xiàng)目為例，考慮到所處城市的人文環(huán)境和重要?dú)v史地位，陶管獨(dú)特的文化屬性很好的賦予了這個(gè)建筑鮮明的城市特征;大氣污染較為嚴(yán)重的城市環(huán)境，考驗(yàn)著外表皮的自潔性，而表面著釉的陶管很好的避免了表面的積灰而導(dǎo)致的污染和清洗困難，如果采用鋁單板（詞條“鋁單板”由行業(yè)大百科提供），時(shí)間稍長(zhǎng)，表面的受污染程度可想而知，大面積的清洗要花費(fèi)大量的人力和物力成本;本項(xiàng)目陶管所在的三個(gè)立面均為雙曲面，C1為一個(gè)圓球形曲面C2C3為對(duì)稱的兩個(gè)橢球型曲面，如果用金屬板，不管是鋁單板，鋁塑復(fù)合板還是不銹鋼板，大面積的采用雙曲面板，單材料的成本就會(huì)非常高，即使通過BIM軟件將雙曲面優(yōu)化為單曲面，板塊的分格也會(huì)千差萬別，很少甚至于沒有兩個(gè)板塊是相同的尺寸，這樣勢(shì)必造成材料下料的難度以及工廠加工的難度，本案的陶管幕墻，用直線段的陶管單元通過掛接的方式模擬了雙曲的造型。陶管單元現(xiàn)場(chǎng)直接掛接在拉索端頭的轉(zhuǎn)接件上即可，相當(dāng)簡(jiǎn)易;而陶管幕墻和內(nèi)墻體上的鋁板幕墻組成了雙層幕墻，留出了用來檢修的馬道，既保證了建筑的保溫隔熱，讓雨水可以通過馬道匯入有組織排水系統(tǒng)，最終排到地面，又保證了今后外立面維護(hù)工作的高效開展。
最后一點(diǎn)，對(duì)外表皮材質(zhì)的選用也至關(guān)重要，前兩個(gè)因素可以說是外表皮選用的必要而非充分條件。只有了解了外表皮材料價(jià)格之后，在建設(shè)單位的控制范圍之內(nèi)一切才能成行，否則再好的方案只能作罷。
不同材質(zhì)外表皮的單價(jià)對(duì)比
由上表可以看出，金屬材質(zhì)的外表皮在常規(guī)項(xiàng)目的應(yīng)用上相對(duì)來說有一定的成本優(yōu)勢(shì)，而且由于其較大的彈性模量，施工安裝過程中較玻璃、GRC等脆性材料更為容易。
對(duì)于本項(xiàng)目陶管幕墻，陶管總長(zhǎng)度20.26萬米，單價(jià)為260元/m，實(shí)體幕墻總面積為16733.4㎡，所以陶管幕墻的陶管材料成本即達(dá)到3148元/㎡。僅僅針對(duì)外表皮材料來說，這個(gè)單價(jià)非常高。在成本控制較為嚴(yán)格的項(xiàng)目上，這個(gè)陶管幕墻的方案是需要再三斟酌或者沒有落地的可能性的。
所以即使綜合各項(xiàng)因素有較大優(yōu)勢(shì)的陶管，在超出成本的情況下還是會(huì)被別的材料取代。
建筑外表皮的材質(zhì)選擇需要考慮很多因素，沒有絕對(duì)的優(yōu)劣，只有相對(duì)的合適與否。
3.3.2 連接構(gòu)造的思考
拉索結(jié)構(gòu)在大的挑高和對(duì)室內(nèi)通透性有特殊要求的建筑幕墻中較為常見，作為玻璃幕墻的受力構(gòu)件很好的規(guī)避了鋁合金龍骨對(duì)建筑效果的影響。陶管作為建筑的外表皮也越來越多的出現(xiàn)在不同類別的建筑上，但陶管的連接方式較為常見的都是管中套芯作為受力構(gòu)件端頭與主體栓接或者焊接。拉索與陶管的組合確實(shí)不多見，文中所介紹的項(xiàng)目給我們開拓了視野。
拉索作為一種柔性構(gòu)件，只有施加了充分的預(yù)拉力之后才能對(duì)外表皮起支承作用。而且拉索的內(nèi)力（詞條“內(nèi)力”由行業(yè)大百科提供）形式很簡(jiǎn)單，只有軸向應(yīng)力，所以不管是對(duì)其自身進(jìn)行強(qiáng)度的校核，還是對(duì)支座埋件的計(jì)算，因?yàn)槭芰︻愋蛦我唬杂?jì)算邏輯清晰。而且本項(xiàng)目充分運(yùn)用了其作為柔性構(gòu)件，對(duì)曲面的外表皮提供找形的貢獻(xiàn)能力。較剛性的鋁合金和鋼結(jié)構(gòu)龍骨而言，拉索的變形適應(yīng)能力和規(guī)范允許變形限值都放寬很多，所以在限制范圍內(nèi)，拉索作為受力構(gòu)件能在更大的變形范圍內(nèi)對(duì)幕墻表皮的曲面成形提供不小的幫助。
回到細(xì)節(jié)的構(gòu)造，本項(xiàng)目陶管單元是通過端部的角碼掛到拉索端頭承托件的螺栓上，并且相鄰兩個(gè)陶管單元單獨(dú)掛接，不發(fā)生關(guān)系，各個(gè)陶管單元能夠自由的伸縮變形，不受約束。
▲ 陶管單元掛接示意
▲ 陶管單元掛接角碼
由圖可見，掛碼分上下兩個(gè)槽口，待拉索端頭的承托件安裝完畢，并且掛接螺栓，限位釘穿好，再把陶管單位掛上去。整體的掛接方式保證了陶管單元各個(gè)方向一定的自由伸縮空間。
需要提出一點(diǎn)的是，陶管的掛碼上開了上下兩個(gè)槽口，形式不甚相同，而且陶管掛接的時(shí)候兩個(gè)槽口的行程不完全一致，可能會(huì)在施工的時(shí)候出現(xiàn)陶管單元的受力點(diǎn)集中在某一個(gè)槽口內(nèi)，出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，雖然掛碼都是工廠加工，但這種情況還是會(huì)有發(fā)生的可能。
建議加大角碼高度，上下兩個(gè)槽口一同加工，并都開成從側(cè)面掛接的槽口形式，上下槽口均打限位釘。這樣，掛接行程一致，就不會(huì)發(fā)生受力集中在一點(diǎn)的情況，具體形式如下圖：
▲ 掛碼優(yōu)化示意
四、總 結(jié)
本文拉索陶管幕墻的案例為我們今后項(xiàng)目的系統(tǒng)選擇做出了很好的示范作用，不拘一格的思路，用已有的幕墻表皮材料和受力構(gòu)件搭配成新的組合，更好的適應(yīng)了本次的項(xiàng)目的特性和要求。巧妙的掛接體系，以及轉(zhuǎn)角合頁型角碼的運(yùn)用，都可以成為我們今后各個(gè)項(xiàng)目的知識(shí)儲(chǔ)備。
雖然項(xiàng)目?jī)H從材料單價(jià)來看，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了常規(guī)幕墻的單價(jià)，但是從項(xiàng)目存在的意義和價(jià)值來看，成本并不是該項(xiàng)目最需要關(guān)注的因素。所以說我們的幕墻項(xiàng)目，需要立足最根本的訴求，綜合考慮效果，性能，成本，并結(jié)合項(xiàng)目定位，精準(zhǔn)把握設(shè)計(jì)方向，做到有的放矢。
[參考文獻(xiàn)]
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