特殊装配式干挂石材幕墙设计探讨
干挂石材作为一种耐久性更好、更贴近自然、庄重奢华的建筑材料，正逐渐取代早期广泛流行、使用大面积玻璃的幕墙设计。建筑师更加注重如何在新建建筑中凸显建筑的艺术效果与自然美感，尤其是代表实体的石材幕墙与代表虚幻的玻璃幕墙的有机结合，是很多建筑师的首选。
干挂石材幕墙所用石材主要为天然花岗岩钢结构防水涂料效果图，花岗岩具有较高的抗压强度和硬度，抗风化腐蚀能力强，耐久性长久，色泽天然均匀，是建筑理想的外墙装饰材料。
天然石材美观大方，自然自然，采用天然石材作为外墙装饰材料的建筑有着稳定、朴素的历史背景，天然石材逐渐被大众认识和接受，广泛应用于各类建筑，其特点是既能创造出宏伟的建筑艺术效果钢结构防水涂料效果图，又能给人带来清新、舒适的自然感受。
干挂花岗岩幕墙约始于20世纪60年代末，80年代中期传入我国，经过30多年的实践与发展，无论从材料还是构造上都比湿挂石材幕墙有优越性。
目前，干挂花岗岩工艺已广泛应用于大型公共建筑的内外墙装饰，特别是在高度30m以下的建筑裙楼及幕墙工程中。
位于北京五四大街与王府井大街交叉口西南角的北京嘉德艺术中心项目，是裙楼采用天然花岗岩实现建筑师特殊设计理念的典型案例。该项目由北京皇都房地产开发有限公司开发，泰康置业（北京）投资有限公司投资建设，由德国著名建筑师奥雷·舍人与北京市建筑设计研究院合作设计。该项目位于北京市中心繁华地段，对建筑高度要求有限，同时考虑到项目的实际使用功能，无论是建筑设计、结构设计、幕墙系统设计还是工程施工，都将面临诸多难度和高度挑战。
这栋建筑位于北京市中心，与美术馆相对，毗邻一条历史胡同区，与扎哈·哈迪德设计的银河SOHO和OMA设计的中央电视台总部大楼遥相呼应。位于北京故宫附近的“嘉德艺术中心”将成为中国最早的艺术品拍卖行的新总部。建筑嵌入北京市中心的历史文脉中，其下半部分的像素化体量在质感、色彩和复杂的尺度上与建筑周围的城市胡同肌理相融合。建筑上半部分通过大面积的玻璃砖与北京的现代城市相呼应，其建筑肌理与周边的胡同和院落产生共鸣。与皇家紫禁城相比，砖块显得更具普世性，更能代表民间社会及其价值观，这是中国文化中一个谦逊、非精英的概念。建筑下半部分的立面由类似灰色石材的像素化图案构成。 建筑师将中国历史上最重要的山水画《富春山居图》通过数千个穿孔投射在立面上。
根据建筑师对外墙的设计构想，外墙采用“青砖”式砌筑“像素”，置于建筑底部。以元代画家黄公望的著名山水画《富春山居图》为模板，在墙体上嵌入数千个提炼提炼的圆孔像素，形成抽象的山水轮廓。要实现建筑师的上述设计构想，外幕墙的设计与施工将面临巨大的挑战。这栋小楼的幕墙设计与施工将颠覆传统的幕墙设计与施工理念。本文仅介绍这栋建筑底部特殊的干挂石材幕墙的设计与施工难点。
干挂石材幕墙位于建筑下部1至4层，与上部规则的矩形玻璃幕墙相比，下部干挂石材幕墙的外表面形成了巨大的反差。立面不仅有突出的凸起、悬挑、退台，石材立面上还有近4000个大小不一的孔洞，通过这些孔洞的有机排列组合，抽象出“富春山居图”的像素点。为了保证这些像素点的完整性，石缝必须按菱形排列，41个几何体必须形成连续的石缝，从而形成“积木式”整体裙楼。由此可以想象，与其说这是一座建筑裙楼，不如说这是一座雕塑艺术品更为合适。 因为单从外立面看，你根本找不到一般建筑中的柱网、楼板、采光、通风等基本建筑功能要素，但这确实是一栋特殊的建筑裙楼，所有的建筑功能都巧妙地体现在这种特殊的外观设计之下。下面从干挂石材幕墙的结构形式、与主体钢结构的锚固设计、石材幕墙施工体系设计三个方面来分析它的特殊性。
1、干挂石材幕墙的特殊结构形式
本项目干挂石材幕墙的结构形式不同于各种传统的干挂石材幕墙形式，既不是单元式，也不是普通的构件式，经过多次论证，否定了这些多种结构体系，最终选定了一种独特的幕墙结构体系，即“一体化预制菱形钢架体系”。
石板排列成菱形。
从上图可以看出，为了形成整体的有机肌理，方便石板开孔，石板设计为1131×1131的菱形布局，对角线长度为1600。因此裙楼的41个几何体按照1600/2=800的模数排列组合，形成一个有机的几何整体；特别强调的是，由于41个几何体形成多个内角和外角，菱形立面组成的外角是整体效果的点睛之笔。为了达到整体效果的美观，建筑师要求多次实物样板安装对比，最终选定所有外角必须采用整块石材拼装。另外，石板上有不规则排列的开孔，孔内必须安装深度为300mm的灯管透镜。这些透镜必须安装在主次龙骨之间，不能打断主次龙骨。 上述要求彻底打破了石材幕墙常规的结构形式，即不能采用常规的横、竖龙骨框架，主、次龙骨只能按照菱形石材的网络方向排列。
这种特殊的龙骨结构设计，在设计、结构计算、龙骨加工、安装等方面给设计工程师和工厂构件加工、现场安装增加了极大的难度。为保证加工安装精度，本项目采用特殊的钢骨架布置方式，根据不同几何体立面，对钢龙骨进行分块布置，选择“单元”，标准“单元”的主次龙骨采用整体预制的方式进行设计施工，减少现场工作量，大大提高加工安装质量，有效缩短工期。
石材几何体立面示意图
从每个几何体的石材幕墙展开图中可以看出，每个折面上的石材接缝必须全部接通，全部41个几何体的石材接缝必须全部接通。仅此一项要求就需要在BIM模型中反复调整，直至满足上述要求。要实现这一目标，必须经过建筑、结构专业人员对主体钢结构及室内各类管网进行反复调整，充分利用BIM技术，才得以顺利实现。
钻石形石材立面
为了顺利、准确地实现上述立面效果，经过多个方案反复比选，最终选定如下图所示的“整体预制菱形钢架”小单元幕墙结构，即把斜交标准跨度按立面规则设计为整体钢架单元，将主龙骨140×6热镀锌方钢管、次龙骨60×4热镀锌方钢管整体预制并焊接拼装，现场整体吊装，在相邻两跨度单元钢架间现场安装次龙骨，最终形成完整的钢架立面。
2.石材钢骨架及主体钢结构锚固设计
本工程主体结构为钢结构，楼梯间核心筒为钢柱混凝土筒体结构，混凝土楼板为“J”型波纹板上浇筑的混凝土。由于混凝土楼板厚度不足以满足预埋件锚固厚度要求，无法采用在混凝土楼板内预埋铁件的方式为幕墙提供锚固点。因此，连接1至4层石材幕墙的锚固支撑只能设置在主体钢结构的H型钢梁、H型钢柱上。
由于在主体钢结构施工时幕墙方案尚未确定，幕墙预埋钢板无法焊接在主体钢结构上。经过与设计院、监理公司、总包方结构工程师反复研究讨论，现场对钢结构焊接进行检测，选择了对主体钢结构影响最小的施工方式实现后锚钢板的焊接施工连接。最终确定后锚钢板施工需满足以下要求：
（1）后锚固钢板采用12mm厚钢板肋焊接在主体钢结构H型钢柱、钢梁翼缘之间的腹板上，不得在翼缘板边缘单独焊接。
（2）焊缝高度为4~6mm，焊缝必须分段焊接，连续焊的长度不得超过100mm。
（3）施工顺序为沿钢结构中心线对称焊接，焊接部位按钢结构防腐要求重新涂刷防腐漆、防火涂料。
（4）幕墙与主体钢结构连接必须采用螺栓铰接，不得采用全焊接刚接，即幕墙与主体钢结构连接必须一端采用焊接，另一端采用螺栓连接；
以上方案确定后，可根据现场测量的钢梁尺寸对锚固钢板进行切割加工，再按上述要求进行焊接，解决了总包与钢结构跨工序施工的问题。实际施工如上图所示，竖向钢板肋焊接在H型钢梁上下翼缘板之间，幕墙连接件支架用不锈钢螺栓与此钢肋连接，并与石材幕墙钢架焊接。
3、菱形干挂石材点支体系结构设计
按照建筑师的“像素化图案”设计理念，上部悬浮的青砖盒子由裙房基座支撑，裙房基座采用特选蒙古黑花岗岩，按菱形排列。所有几何立面均采用不打胶的明缝设计，要求方正，不允许出现调坡、斜角等不规则形状。因此，调坡、保温、通风、采光、排水、消防等所有建筑功能都必须在这个严格规则的几何体中实现。这些复杂的功能需要另文阐述，本节仅对石板点支体系结构设计进行说明。
基于石材设计的基本原理，镂空缝隙干挂石材幕墙需要采用背栓设计工艺对石材面板进行固定，石材后方需设置防水板，实现石材幕墙的整体防水，防水板背面为保温层、防火层等功能层。由于石材背栓连接为独立点连接，每块石材需要四个背栓固定连接点，因此需要两根横梁固定背栓支撑，不能像其他卡条结构一样共用横梁。
根据以上基本设计原则，本项目需要较多的次龙骨用于固定石材背栓。由于石板内有近4000个灯管开孔，因此石材的主次龙骨必须与石材呈菱形排列。同时，实际施工中，蒙古黑矿山上不可能产出1131方花岗岩。建筑师最终确定，1131方石板实际上是由四块石板紧密拼接而成的。因此，主次龙骨的排列密度过于密集，含钢量将高达55kg/㎡。同时，高密度焊接也会导致钢骨架严重变形。考虑到此工艺的缺陷，根据本项目的实际要求，将点支式玻璃幕墙的结构设计理念运用到本项目石材幕墙设计中。 通过在主、次龙骨上设置支撑钢板，每块支撑钢板上设置四个支撑点，用于固定石背螺栓。此种方式可减少近一半的次龙骨用量，大大降低用钢量。
本文仅从以上三个方面对本项目裙楼干挂石材幕墙的特殊设计手法进行分析，本项目的复杂程度远不止以上几个方面，例如裙楼石材幕墙的采光设计、通风设计、消防设计、排水设计等都非常特殊，将在以后的文章中进一步阐述。
参考
[1] 中华人民共和国建筑行业标准《小单元建筑幕墙》JG/T216-2007
〔2〕中华人民共和国建筑行业标准《金属与石材幕墙工程技术规范》JGJ133-2001
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