白启安

（浙江大学建筑设计研究院有限公司，浙江 杭州 310012）

0 引言

图1 单元式幕墙横向插接缝示意

单元式幕墙楼层位置的横向插接缝的搭接量（见图1）在GB/T 21086—2007《建筑幕墙》和 JGJ 102—2003《玻璃幕墙工程技术规范》中都没有规定明确的计算规则，在上海市的地方标准DGJ 08-56—2012《建筑幕墙工程技术规范》中有所规定，该规定中的计算要素如何取值和是否增加计算要素值得分析。

1 上海市地方标准中的计算方法

DGJ 08-56—2012规定，单元式幕墙楼层处横向插接缝的间隙和搭接量按式（1）计算：

式中：L′b——有效间隙，mm；

Lb——搭接长度，mm；

α——立柱的线膨胀系数，1/K；

b——立柱长度，mm；

△t——幕墙的年温度变化，K；

dc——施工偏差，可取2 mm；

dE——考虑地震等其它因素影响的预留量，可取2 mm。

从式（1）可以看出，间隙和搭接量算法相同，方向相反，近似对称。

2 制作偏差和施工偏差

提到施工偏差就容易想到制作偏差，并且制作偏差会在施工中有所体现。在GB/T 21086—2007和JGJ 102—2003中均对单元式幕墙单元组件框和单元组件组装偏差进行了规定，2个标准中2种偏差一致，大于2000 mm的单元组件长度偏差均为±2 mm。由此可见，以理论安装定位点为基点，长度偏差影响单元式幕墙楼层处横向插接缝的间隙和搭接量，并且两者对称、方向相反，即式（1）中应该增加制作偏差项dM，单向计算时取2 mm。若将施工偏差dc理解为单元安装时的高低偏差，以楼面安装标高为参照，相邻的A、B楼层为例：

（1）A楼层1号单元制作组装偏差为-2 mm（短了为负），安装时高了2 mm，B楼层1号单元安装时处于理论安装位置，A、B楼层单元的横向插接缝在A楼层楼面处变宽了4mm。

（2）A楼层2号单元制作组装偏差为2 mm（长了为正），安装时低了2 mm，B楼层2号单元安装时处于理论安装位置，A、B楼层单元的横向插接缝在A楼层楼面处变窄了4 mm。

显然上述2种情况是不可接受的。GB/T 21086—2007和JGJ 102—2003对单元式幕墙的插接缝间隙和搭接量偏差分别作了规定，即±1 mm。

结论：（1）单元式幕墙的插接缝的有效间隙和搭接量不需将制作偏差和施工偏差叠加考虑，施工偏差施工时整体控制，制作偏差根据通用性互换匹配。（2）式（1）中的施工偏差dc应理解为施工时插接缝间隙和搭接量偏差，且其值单向取1 mm。

3 温度变化

温度变化的计算方法在GB/T 21086—2007、JGJ 102—2003及DGJ 08-56—2012中均未给出明确的计算方法，在GB 5009—2012《建筑结构荷载规范》中的可查数据是50年重现期的月平均最高气温和月平均最低气温，但该规范同时明确了对金属结构等对气温变化敏感的结构，宜考虑极端气温的影响，幕墙面材的脆性需要考虑极端气温的影响。为了方便计算，行业内专业软件或设计文件中△t常常采用80℃。这里存在3个问题：（1）温度升高间隙L′b减小、搭接长度Lb增大；温度降低间隙 L′b增大、搭接长度 Lb减小，L′b和 Lb不可能同时承受幕墙的年温度变化。（2）△t采用80℃这一数值接近全国极端年温差，以 b=4200 mm 为例，αb△t＝8.46 mm，这数值在式（1）中占比较大，影响设计效果。（3）没有考虑温度变化对幕墙载体（主体结构）的影响。

为了精准计算可参考荷载，规范GB 5009—2012引入施工温度t0并考虑幕墙载体的温度变化，则计算L′b时：

计算Lb时：

式中：b——幕墙单元高度，mm；

△b——幕墙立柱的相对温度变化，mm；

△tc——幕墙框架温度变化，℃；

△ts——主体结构温度变化，℃；

tc，max——幕墙立柱最高温度，℃；

t0，min——幕墙施工时最低气温，℃；

——幕墙施工时月平均气温，℃；

t0，max——幕墙施工时最高气温，℃；

te，max——幕墙工程所在地极端最高气温，℃；

te，min——幕墙工程所在地极端最低气温，℃；

ti——建筑物夏季室内温度，按GB 50176—2016《民用建筑热工设计规范》，取26℃；

ρs——幕墙立柱外表面太阳辐射吸收系数；

Is，max——投射到幕墙外表面的最强太阳辐射照度，W/m2；

αe——夏季幕墙外表面换热系数，按GB 50176—2016选取，W/（m2·K）；

αc——幕墙立柱线膨胀系数，1/℃；

αs——主体结构线膨胀系数，1/℃。

以杭州某工程为例，b=4200 mm，αc=2.35×10-5℃-1，αs=1.2×10-5℃-1，ρs=0.9，Is，max=669 W/m2，αe=19 W/（m2·K），te，max=39.9℃，te，min=-8.6 ℃；7 月份施工时，t0，min=26.2 ℃，t0，max=34.8 ℃；10 月份施工时，t0，min=16.2 ℃，t0，max=23.8 ℃，则计算 7 月份 L′b中的△b：

计算7月份Lb中的△b：

同样计算可得10月份L′b中的△b=5.2 mm，Lb中的△b=1.8 mm。

结论：（1）引入施工温度和幕墙载体的温度变化，可有效降低温度变化在单元式幕墙横向插接缝计算中的比例，升温和降温并非双向完全对称。（2）施工周期可能跨越季节，材料的堆放位置等因素都会影响幕墙单元框架安装时的表面温度，但无论如何不会低于环境气温，将单元框架安装时的表面温度降至环境温度是式（6）的前提条件，同时也便于保证安装精度。

4 结构变形

主体结构变形对单元式幕墙横向插接口的影响不但在式（1）中没有体现，也不被设计师重视，但其影响往往超出现有因素。以某项目为例，柱子相对结构外轮廓内退3.875 m，悬索幕墙为7字形，大跨度处高68.2 m，短跨处8.4 m，相对结构外轮廓内退2.45 m（见图2）。

出挑结构在各种荷载作用下产生了明显的上扬或者下垂，以17层到顶层为例，经计算2～15号节点的变形如表1所示。

图2 工程示意图

表1 主体结构变形数据mm

4.1 总体变形和相对变形分析

从表1可以看出：

（1）楼层17层对7种工况都敏感，并且随着悬索幕墙的升温和降温产生波动（见图3）；18～20层对主体结构恒荷载、单元式幕墙恒荷载和活荷载敏感；屋面层对主体结构的恒荷载和活荷载敏感，变形的总体趋势随着荷载增加而增加，方向向下。

图3 17层各工况曲线

（2）主体结构变形向下的最大值在17层的8号节点的工况7，为49.17 mm，向上的最大值在20层的4号节点的工况4，为-4.09 mm，如此多的工况和如此大的变形在设计单元式幕墙横向插接缝时一定要考虑。受构造尺寸和承载能力限制，单元式幕墙的横向插接缝无法吸收表1中的变形量。

（3）单元式幕墙横向插接缝是吸收和适应相邻楼层的相对变形的，不可以直接采用表1数据直接设计插接缝。

按照各工况对相邻楼层的相对变形（上一楼层的变形减下一楼层的变形，正值向下，表征有效间隙L′b；负值向上，表征搭接长度Lb）进行分析可以得出：

（1）相对变形向下的最大值在工况7的18层减17层的2号节点，为24.58 mm；向上的最大值在工况7的18层减17层的4号节点，为-21 mm（见图4）。相对变形有所减少并且趋于对称。

图4 工况7的相对变形曲线

（2）考虑7种工况的产生顺序，即：工况1至工况3在单元式幕墙施工前已经产生并稳定，工况4是在单元式幕墙施工过程中由工况3至工况4动态产生，工况5至工况7的温度作用和活荷载是幕墙施工完成产生，因此，应按工况结合相对变形进行分析。

4.2 工况1至工况3的变形分析

工况1至工况3中以恒荷载起控制作用的最大变形在屋面的13号节点，为35.15 mm，以恒荷载加温度作用组合控制的最大变形在17层的8号节点，为30.86 mm。工况1至工况3的变形在单元式幕墙施工前产生，并在设定的施工温度（工况3中的常温）下稳定，可通过放线测量确定单元幕墙立柱支座孔位吸收适应，但需注意放线测量、生产制作和单元式幕墙的施工温度的一致性。

4.3 工况3至工况4的变形分析

除了屋面层外，17～20层工况4主体结构均有变形，这一变形由单元式幕墙自重产生。这一过程是个动态的过程，即当单一楼层关联面或整个楼层一圈单元式幕墙挂装完成，工况4的变形才稳定，因此工况3向工况4转换时，单元式幕墙的横向插接缝的有效间隙和搭接量应该大于工况4与工况3的变形差，才能保证单元式幕墙的横向插接缝顺利入槽。若施工时除主体结构变形以外的其它预留间隙或搭接量可以吸收这部分变形差，可以不考虑，否则，应该与工况5至工况7的相对变形比较，并取大值。经分析，工况3减工况4的向上的最大正值在20层的4号节点，为4.09 mm，表征有效间隙L′b，即有效间隙被压缩再滑出；向下的最大负值在20层的2号节点，为-25.6 mm，表征搭接长度Lb，即预搭接再滑入（见图 5）。

图5 工况3至工况4的相对变形曲线

4.4 工况5至工况7的变形分析

工况5至工况7的变形是温度作用和活荷载下在单元式幕墙施工部分完成或完全完成产生的，因此要减去工况4的变形，减去后的主体结构向下的最大变形在17层的工况7减工况4的7号节点，为13.44 mm，向上的最大变形在17层的工况6减工况4的4号节点，为-2.87 mm（见图6）。

图6 减去工况4的变形曲线

4.4.1 工况5至工况7各楼层同时出现的相对变形分析

减去工况4后工况5至工况7中温度作用和活荷载同时出现时，相邻楼层的相对变形向下最大在工况6减工况4的18层减17层的5号节点，为7.46 mm，表征有效间隙L′b；相对变形向上最大在工况7减工况4的18层减17层的4号节点，为-4.94 mm，表征搭接长度Lb（见图7）。

图7 减去工况4后相对变形极值曲线

4.4.2 工况5至工况7各楼层随机出现的相对变形分析

减去工况4后工况5至工况7中温度作用和活荷载随机出现时，相邻楼层的相对变形向下最大在屋面层与20层交界处（20层楼面插接缝处，20层无活荷载）的8号节点，为11.33 mm，表征有效间隙L′b；向上最大在18层与17层交界处（17层楼面插接缝处，18层无活荷载，17层有活荷载，悬索处于低温）的8号节点，为-12.2 mm，表征搭接长度Lb（见图 8）。

图8 随机可变荷载的相对变形曲线

4.5 变形分析小结

（1）根据案例分析，表征有效间隙 L′b>max（4.09，7.46，11.33）=11.33 mm，表征有搭接长度 Lb>max（|-25.6|，|-4.94|，|-12.2|）=25.6 mm。

（2）式（1）应该添加主体结构梁的弯曲变形项df，必要时还应考虑主体结构柱的压缩变形dp，则式（1）修改为：

（3）结构变形计算出的有效间隙和搭接量并非双向完全对称。

5 结语

（1）设计时要了解工程所在地的气候条件和施工时的气温情况，对温度敏感结构或构件要适时调整设计尺寸，如本文中温度变化分析和结构变化分析中的悬索结构的温度变化的影响。

（2）从结构变形的影响因素可以看出，幕墙附着的载体并非无穷刚的，主体结构变形对幕墙的影响不可忽视。

（3）对结构变形的吸收和适应不能直接采用结构变形的绝对值，也不是单纯的采用相对变形，要分清工况的产生顺序，哪些变形是幕墙施工前产生的，哪些是施工过程中产生的，哪些是施工完成产生的，哪些是恒定的，哪些是可变的，针对不同工况采取不同的应对措施。

（4）设计阶段采取与施工相关的技术措施要落实到施工方案中，如本文温度变化中的施工温度，结构变形中的工况1至工况3的解决方法，工况4中的预留间隙或搭接量的复位时机及点位，工况4中所提到的常温作用的温度等。