【论文原创精选0628】超高层幕墙加配开启扇改建典范
作者：南通蓝星装饰工程有限公司 葛荣兰
【摘 要】：本文对天津天辰大厦因建筑节能及绿色建筑的自然通风需要，在原幕墙基础上局部改造增加开启扇，幕墙开启窗改建面积1042平米，开启扇数量800个。幕墙开启扇改造施工作业面最高达到150米以上，是国内目前高度最高，面积最大开启扇改造项目，为我国绿色建筑、建筑节能、自然通风改造提供了优秀的案例，同时所积累的设计、施工经验也为同类工程项目提供参考。
【关键词】：自然通风、幕墙、开启扇、改造
项目背景
建筑通风形式分为两种基本方式：机械通风和自然通风。自然通风（natural ventilation）是依靠室外风力造成的风压和室内外空气温度差造成的热压，促使空气流动，使得建筑室内外空气交换。自然通风可以保证建筑室内获得新鲜空气，提高室内换气次数，减小室内空气冷凝，有利于营造舒适宜人的室内环境。同时，在过渡季节，自然通风可以带走多余的热量，又不需要消耗动力，节省了机械通风设备的运行费用。因而高效的自然通风设计非常有利于建筑节能和建筑舒适度，是一种经济有效的通风方法。然而与机械通风不同，自然通风所依靠的完全是自然风，这与室外气象条件密切相关。
天津位于我国北方典型的寒冷气候区，冬季寒冷干燥，夏季高温多雨，春秋短暂。年均温度为 12.9℃，月均最高温度出现在七月，为 26.1℃，月均最低温度为-2.4℃，出现在一月份。全年主导风向为西南方向，夏季主导风向为 南向，秋季主导风向为北向。天津市夏季及过渡季节，当室外温度≤28℃且相对湿度≤70%时，约有1000h合适自然通风，有较大的自然能力潜力。
图1 天津地区室外月平均风速和平均干球温度
天津天辰大厦位于天津市北辰区京津路1号，项目总占地5048平方米，总建筑面积121000平方米，其中地上总建筑面积78815平方米，地下总建筑面积42285平方米。建筑地上分为二个部分：由高层部分41层主楼和3层裙楼组成；建筑高度：高层171m（室外地面至41层屋面），183m（屋面钢结构及幕墙总高度）；裙楼24m。项目原有幕墙系统为全隐框单元式玻璃幕墙系统，原幕墙主要依靠室内通风系统，无开启窗系统。因建筑节能及绿色建筑需要，在原幕墙基础上局部改造增加开扇，幕墙开启窗改建面积1042平米，开启扇数量800个。
图2 天津天辰大厦效果图
难重点分析
本项目在原有幕墙基础上局部改造增加开扇。拆除固定玻璃，增加铝合金横梁和开启框，外立面竖向增加通长铝合金装饰扣盖，玻璃系统采用8Low-E+12Air+8C双钢化中空玻璃。本项目在实施的过程中主要有以下的难点：
（1）精心组织策划，有序生产施工，大楼办公零影响
天辰大厦幕墙改造项目具有工程技术含量高、工期紧、成品保护好等特点。本项目制订了严格、科学、严谨的施工计划，确保工期，减少设计变更，提前准备材料，做好准备工作。同时加大管理力度，合理组织施工，不影响大楼正常办公。
根据天辰大厦项目幕墙工程特点，分区分段施工，施工区各自独立，各区间平行施工，区段间流水作业。采用拆叠屏风临时搭建施工人员专用通道，通道地面铺设防护布，保护办公室内陆面，通道专供施工人员施工进出；尽可能利用大楼办公人员星期六、星期日或上班前下班后的时间集中搬运等措施确保大楼正常办公的零影响。
图3 立面完成改造实景图
图4 拆叠屏风临时减少干扰
（2）超高空高危作业，多项措施确保绝对安全施工
天辰大厦建筑高183米，幕墙改造施工作业面最高达到150米以上，本工程的施工过程中根据需要使用24台吊篮同时作业。在项目施工过程中始终坚持“安全第一，预防为主；安全生产，警钟长鸣”的安全管理方针，达到安全生产的目标，施工中达到无伤亡、无重伤、无火灾、无重大安全事故的发生。制定了科学严谨的吊篮专项施工方案，并严格执行，包括吊篮的选用、吊篮进场安装及试运行、施工准备、安全保证措施、高处作业吊篮安全操作规程等，确保安全施工。针对雨棚设置了双层防护架，用于保护玻璃，同时也可以作为吊篮停放平台。
图5 吊篮现场施工
图6 雨棚双层防护架
（3）开启扇与原幕墙完美结合，高要求高质量完成改造
本工程改造范围主要是假结构柱部位的两侧窄条固定玻璃，分格宽度400mm，分格高度主要为3000mm，改造设计内容主要是拆除固定玻璃，增加开启窗设计，开启窗部分改造采用外上悬形式。采用的玻璃型材颜色与原幕墙基本相同。
现场进行了幕墙淋水试验，将淋水装置固定在吊篮上，离幕墙改造部位500mm，喷水量4L/(m2.min),水压为200kPa~235 kPa,喷淋时间5 min，室内无渗漏现象。根据第三方建筑工程质量检测机构试验结果本工程改造完成后气密性能达到3级，水密性能3级，抗风压性能4级，平面变形性能2级，满足工程使用及设计要求，同时改造开启部分的外观颜色与原幕墙基本一致，保持了原幕墙的风格与美观，高质量完成项目的改造。
图7 开启扇完成改造现场图片
设计要素
本工程开启扇改造设计需采用与原幕墙一致的风格、颜色，增加的开启扇与原幕墙构造紧密完好、结合，同时满足幕墙使用各项性能要求。
开启扇改造部位为横滑型隐框单元幕墙结构。单元板块高为一个楼层高度，宽度按板块分格宽度(1400mm+400mm)。上悬开启采用（不锈钢滑撑+风撑+防脱器）五金件支承。玻璃主要采用8（透明）+12Ar（\M+1EBB2气）+8中透光Low-E中空双（均质）钢化玻璃；中空玻璃间隔条采用暖边，玻璃颜色与原幕墙玻璃颜色同或接近。
隐框连接采用竖边增加条铝附框连接，条铝附框在工厂中与玻璃粘接为成品安装；玻璃结构计算按左右对边简支承计算，满足规范要求，其上、下横边可不固定，同时根据审查论证专家证意见的要求，上下横边采用现场打结构胶的方式增强粘接固定。明框连接采用玻璃外侧竖向明框内压板（通长布置）+外盖板（可视面尺寸40x20mm）的形式连接固定玻璃；附框、压板及盖板材质均为铝合金，材料牌号6063-T5。
同时针对开启扇的改造进行了以下的优化：
1、改造后隐框玻璃的结构胶截面与原设计相同，8mm*14mm,并增加了玻璃附框挂接设计，玻璃下面有2mm厚的玻璃托板承重；
2、铝合金横梁采用40*40*4mm角码与原有铝合金立柱连接，立柱上用4个ST4.8*25不锈钢自攻钉，横梁上用2个M5*25不锈钢螺栓组件连接；
3、开启扇采用挂轴铝合金型材开启方式，并在上框处安装尼龙材质的防脱落限位块，避免不当操作导致开启扇掉落。
1）立面改造前 2）立面改造后
图9 改造立面大样
图10 开启扇改造节点一
图11 开启扇改造节点二
开展了本工程改造设计开启扇结构受力分析，重点分析计算了开启扇、玻璃面板、铝合金横梁、结构胶、连接螺钉、开启扇等，经验算均符合设计要求，保证设计和使用安全。
主要结构类型：高层：框架－剪力墙结构 ；裙楼：框架结构。
基本风压W0=0.50KN/㎡（按50年一遇最大值考虑）
基本雪压：S0=0.4KN/㎡（按50年一遇最大值考虑）；
抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.15g；
地区粗糙度为：B类。
力学模型：开启为翻窗，上端固定在横框上，在闭锁状态两侧靠锁点固定在边竖框上。计算整体建模，按照三角形和梯形荷载施加到横竖框上。
图12 开启扇受力模型
图13 开启扇受力分析
开启窗加工及管控
所有幕墙开启扇构件均在工厂加工完成并组装完成，充分保证加工质量，以确保工程安装精度，从而保证整体工程质量。
构件在加工制作前，工厂技术工艺部门对加工图与设计施工图进行核对，并分析图纸加工工艺性。发现问题及时反馈和妥善解决。并采用以下措施对开启窗的加工进行有力的管控，保证了加工质量：
（1）铝型材下料前认真检查型材编号、色差、规格型号是否与实际加工工件所需的型材相符,铝型材表面的氧化膜是否完好无损伤。
（2）玻璃板块组装前应对玻璃加工质量进行复检。从外观、尺寸偏差等几方面进行检验，确保产品合格后方使用，并相应做好记录及归类存放。
（3）硅酮结构密封胶粘结固定结构玻璃板块构件时，应在洁净、通风的室内进行注胶，且环境温度、湿度条件应符合结构胶产品的使用规定。
图14 开启扇加工运至施工现场
施工措施及管控
天辰大厦开启扇改造属于高空高危作业，幕墙改造施工作业面最高达到150米以上，本工程的施工过程中根据需要使用24台吊篮同时作业，采用ZLP630型高处作业电动吊篮作为主要施工设备，吊篮悬吊平台为2.5m长度的悬吊平台。因此吊篮的安装和安全使用是本次改造施工的重点和核心，并由天津市钢结构幕墙和门窗协会组织专家对施工方案及吊篮专项施工方案进行论证，认可本项目采用的施工措施及吊篮专项施工措施。
图15 本项目吊篮安装示意图
图16本项目吊篮工作示意图
南、北主立面吊篮安装的具体情况以下：
（1）南立面标准安装方式：前梁用前支架支撑安装。后梁用后支架支撑安装，并安装配重进行卸荷，安全绳固定于上方钢梁上。
图17 南立面吊篮安装
（2）经勘察北立面无法满足吊篮标准安装条件，因此现场采用非标准安方法，将前支点（支架）直接支撑于女儿墙上部（注：为防止前支架对女儿墙封顶破坏，安装前在前支架下方垫45*250木板），支除配重，保留后支架结构，将后支架直接放置在屋面原有钢结构上横梁上，用两支10#槽钢通过M16对穿螺栓对夹将后支架底座固定于钢梁上。
图18 北立面吊篮安装
天辰大厦项目幕墙工程属改造工程，在工期紧，质量要求高的情况下，我们作了充分的施工前准备工作，如紧凑工序衔接，均衡劳动力使用与材料供应，对有条件的工作面及施工工艺组织主要工种进行流水作业，制定了安全、科学、合理、高效的施工方案，施工的流程如下：
图19 改造施工流程图
（1）测量放线
根据建设方提供的原有幕墙施工图纸为依据，进行全面测量复测工作。对原有幕墙分格测量之后，接着便进行施工放线。根据施工图外墙立面分格，检查分格图上尺寸是否与现场尺寸相符，若有偏差施工图上作出相应的标记和记录，作出相应的处理。
（2）玻璃拆除
本工程幕墙改造项目，因此首先需拆掉原有固定玻璃，拆除顺序由上而下进行。本工程采用的玻璃为钢化中空玻璃，为防止拆除时玻璃破损玻璃颗粒脱落，造成人员、财产损失，借助吊篮在室外用强力胶纸整幅粘贴玻璃，同时采用吸盘，多人调同作业完成拆除及清洗施工，确保安全。
玻璃拆除→铲除清胶→铝材基材表面清洗
（3）横梁安装
固定部位改造为开启扇，需要在原固定玻璃分格基础增加二道铝合金横梁构件，横梁是水平构件，是分段在立柱中嵌入连接，横梁梁端与竖框连接处预留1～2mm缝隙，缝隙处打密封胶，以适应和消除横向温度变形的要求。
横梁安装定位后，应进行自检。对不合格的应及时进行调校修正，自检合格后，再由质检员进行抽检，抽检数量应为横梁总数量的5%以上，且不少于5件。所有检测点不合格数不超过10%，可判为合格。抽检合格后才能进行下道工序。
安装横梁时，应注意如设计中有排水系统，冷凝水排出管及附件应与横梁预留孔连接严密，与内衬板出水孔连接处应设橡胶密封条，其他通气留槽孔及雨水排出口等应按设计施工，不得遗漏。
（4）玻璃板块安装
玻璃板块是由加工厂注胶完成养护后，再运往工地安装。由于工地不宜长期存储玻璃，故在安装前要制定详细的安装计划，列出详细的玻璃供应计划，保证安装顺利进行及方便车间安排生产。
由于板块安装在整个幕墙安装中是最后的成品环节，在施工前要做好充分的准备工作。准备工作包括人员准备、材料准备、施工现场准备。施工用采用吊篮与室内人员共同协调，每组4人进行施工。同时在玻璃安装时，从安装过程到安装完，全过程进行质量控制，验收也是穿插于全过程中，全程做好验收的记录。
施工准备 → 检查验收玻璃板块 → 将玻璃板块按层次堆放 → 初安装 → 固定 → 验收。
（5）窗扇安装施工
安装窗扇前一定要核对窗扇的规格是否与设计图纸和施工图纸相符，安装时要采取适当的保护措施，防止脱落。注意窗扇与窗框的上下、左右、前后、里外的配合间隙，以保证其密封性。窗扇连接件的规格、品种、质量一定要符合设计要求，采用不锈钢或轻金属制品，并应严格控制自攻螺钉的底孔直径尺寸。
（6）密封处理
玻璃或玻璃板块安装完毕后，必须及时用耐候胶嵌缝，予以密封，保证玻璃幕墙的气密性和水密性。玻璃幕墙的密封处理常用的是耐候胶硅酮密封胶。耐候硅酮密封胶的施工厚度应大于3.5㎜，施工宽度不应小于施工厚度的2倍。注胶后应将胶表面刮平，去掉多余的密封胶。耐候硅酮密封胶在缝内应形成相对两面粘结，不得三面粘结，较深的密封槽口底部应采用聚乙烯发泡材料填塞。
项目总结/意义分析
天津天辰大厦开启扇改造克服了施工难大、工期紧、业主要求高等困难，我公司在设计、加工、施工、验收等全过程采用多项安全、科学、严谨、高效的技术措施，按时高质量完成了改造的任务。完成改造后增加的开启扇与原幕墙构造紧密完好、结合，风格、颜色与原幕墙一致，同时经第三方检验机构检测，开启扇改造后幕墙的各项性能满足设计和使用要求。
本工程幕墙改造施工作业面最高达到150米以上，幕墙开启窗改建面积1042平米，开启扇数量800个，是国内目前高度最高，面积最大开启扇改造项目，为我国绿色建筑、建筑节能、自然通风改造提供了优秀的案例，同时所积累的设计、施工经验也为同类工程项目提供参考，具有重要的意义。
（文章版权归作者所有）
本文刊发在《幕墙设计》杂志2021年第二期