【施工技术分享】异形曲面球铰夹具玻璃幕墙施工工法

1、前言近年来，点式玻璃幕墙呈现出前所未有的蓬勃发展，究其原因在于其安装方便，适应面广，有利于建筑外立面造型的美感实现。与此同时，存在一些问题，例如造价偏高、不利于玻璃受力和变形等。而双曲面球铰夹具玻璃幕墙作为点式幕墙的一种，因其造型美观、利于受力和变形，能够消化安装误差和变形误差，且易于建筑造型尤其是曲面建筑造型的表现，因此成为曲面幕墙造型的一种重要的解决方案。双曲面球铰夹具玻璃幕墙，依据点式幕墙玻璃变形的大挠度原理，使玻璃产生允许变形时玻璃应力大幅度降低，对于双曲面幕墙、弧形、折线幕墙，等具有广泛的适应性。

1、前言

近年来，点式玻璃幕墙呈现出前所未有的蓬勃发展，究其原因在于其安装方便，适应面广，有利于建筑外立面造型的美感实现。与此同时，存在一些问题，例如造价偏高、不利于玻璃受力和变形等。而双曲面球铰夹具玻璃幕墙作为点式幕墙的一种，因其造型美观、利于受力和变形，能够消化安装误差和变形误差，且易于建筑造型尤其是曲面建筑造型的表现，因此成为曲面幕墙造型的一种重要的解决方案。双曲面球铰夹具玻璃幕墙，依据点式幕墙玻璃变形的大挠度原理，使玻璃产生允许变形时玻璃应力大幅度降低，对于双曲面幕墙、弧形、折线幕墙，等具有广泛的适应性。

2、工法特点

2.0.1 吸收变形。圆形双曲面球铰夹具幕墙驳接头采用万向球铰连接，能够让驳接头吸收玻璃随风压产生的变形，减小变形造成的应力集中，从而减少玻璃的应力变形。

2.0.2 施工快捷，维修方便。双曲面球铰夹具幕墙无需安装主次龙骨，由此，施工速度相对较快。另外，由于各种原因，幕墙拆卸更换或维修在所难免，双曲面球铰夹具幕墙安装、拆卸维修方便，在更换维修时将不能影响幕墙的正常使用。

2.0.3 可调节性强。圆形双曲面球铰夹具幕墙采用万向球铰连接，能够吸收荷载对玻璃产生的变形，同时能够通过调节球铰夹具，消除土建施工的误差及加工误差。

3、适用范围

本工法适用于：钢结构幕墙尤其适用于曲面复杂造型复杂的建筑物，对其他复杂造型玻璃幕墙有参考价值。

4、工艺原理

4.1 对心驳接头降低玻璃变形时应力。

对心驳接头指驳接头的转动中心和玻璃厚度中心一致。驳接头采用万向球铰连接的目的是为使驳接头吸收玻璃随风压产生的变形，减少变形应力。采用对心结构使玻璃的变形中心（即中性层）—玻璃的厚度中心与驳接头转动中心一致。在同样荷载作用下玻璃变形时应力最低。

图4.1-1 球铰夹具幕墙玻璃受荷载变形示意图

图4.1-2 底座的夹具中心采用球铰示意图

4.2驳接头受重力的情况下减小扭矩。

驳接头固定玻璃处受力分析如图4.2-1及图4.2-2所示。

图4.2-1 不合理受力图4.2-2合理受力

M=G· e （式4.0.2-1）
其中，G为玻璃的重力；
N为螺杆球头的支撑力；
e为偏心距离；
M为扭矩。
G=N，驳接头的头部受到力矩G· e，以反作用力方式作用在玻璃孔周围，使玻璃孔周围产生很大应力（这种应力在目前设计计算中一般无法给予考虑）。这种应力在玻璃受风荷载，结构变形等应力组合作用下会导致玻璃破坏。对心驳接头，实现了驳接头的转动中心和玻璃厚度中心的一致（如图4.0.2-3）。这样偏心距e为零，附加扭矩T为零，降低了玻璃孔周围的应力。

4.3 双曲面球铰夹具夹持玻璃的方式利于玻璃转动，有效解决多块玻璃不共面问题。

图4.3-1球铰夹具夹持玻璃示意图一图4.3-2球铰夹具夹持玻璃示意图二

图4.3-3球铰夹具夹持玻璃示意图三

球缺的平面部分贴合玻璃，球面部分贴合在夹具前后盖上（如图4.3-1）。玻璃内外两个球缺连同中间夹持部分的玻璃厚度正好形成球体，球心接近玻璃厚度中心，玻璃可以发生自由变形（如图4.3-2）。这样每块玻璃都可以绕各自的球心进行一定角度的转动，即可解决相邻六块甚至共多块玻璃不共面的问题（如图4.3-3）

5、工艺流程及操作要点

5.1 工艺流程

测量放线→基座焊接→防腐防火处理→扫描下料→球铰夹具安装→玻璃安装→嵌缝打胶→变形监测。

5.2 操作要点

5.2.1 测量放线。根据设计要求进行放线确定点驳件位置。

5.2.2基座焊接。根据放线确定的点驳件位置，将点驳件与预埋构件或者钢结构焊接。

5.2.3 防腐防火处理。在每个基座焊接后，对焊缝处进行打磨，焊缝超声检测完毕后，对基座焊缝进行防腐防火处理。

5.2.4扫描下料。采用三维扫描装置进行测量下料并形成三维模型。根据所得的烛点的扫描坐标系值，采用计算机辅助设计的方式，建立三维模型，对每块玻璃进行编号，并形成尺寸及规格料单，根据料单进行工厂加工。

图5.2.4-1 三维模型图

5.2.5安装夹具。根据三维建模模型编号及在主体钢结构上的测量放线，进行夹具安装。首先安装托盘，并调节托盘上的玻璃肋隔板以便于后续玻璃安装。

图5.2.5-1 立面节点图

图5.2.5-2 屋面节点图

图5.2.5-3 球铰夹具节点图一

图5.2.5-4 球铰夹具节点图二

5.2.6安装玻璃。根据三维建模的编号及相关的设计文件进行玻璃安装。安装玻璃时，采用专用吸盘将玻璃吸住，然后吊装抬升，到达安装点。

图5.2.6-1 玻璃安装完成图

5.2.7嵌缝打胶。根据设计文件的要求进行密封打胶。

图5.2.7-1 打胶完成图

5.2.8变形监测

采用无线检测设施在重点的结构部位进行监测，并设置报警装置，如变形超过允许范围，及时维修处理，保证结构安全。

图5.2.8-1数据采集检测图

6、材料与设备

6.1材料

6.1.1 圆形双曲球铰夹具、玻璃、烛棒、硅酮胶、焊条等。

6.2 机具设备

本工法采用的机具设备包括：水准仪、全站仪、三维激光扫描仪、三维激光扫描仪配套软件、塔尺、棱镜、汽车吊、塔吊、数据储存设备、计算机、胶枪、电焊机、打磨机、米尺等。

7、工程实例

2014青岛世界园艺博览会植物馆工程

工程概况

2014青岛世界园艺博览会植物馆工程位于青岛市天水路以北，百果山森林公园内，占地面积2.44公顷，工程总造价2.93亿。本工程总建筑面积22749㎡其中地上建筑面积13522㎡，地下建筑面积9227㎡，是全亚洲最大的钢结构植物馆之一。建筑结构类型及层数：地上一层钢结构，地下一层混凝土结构A馆为暖温带植物展区，B馆为竹艺展区，C馆为温带植物展区，D馆为海洋展区，是世界上唯一一座把海洋展区建在山区的建筑物。

施工情况

整个植物馆分为四个馆区，钢结构为管桁架结构，总吨位只有约3000吨，拼装杆件却达到14000多根，而且所有杆件均为现场拼装焊接，且焊缝总长度达到了17000米，相当于10000吨常规钢结构工程的焊接量，植物馆幕墙整体结构为玻璃幕墙，所有玻璃幕墙分割快造型均为不规则三角形，总计板数约12000块。施工时间为2012年9月至2013年5月。

植物馆B馆幕墙施工

应用效果

在施工过程中严格按照本工法中的工艺流程和质量要求进行施工，取得了良好的经济、社会效益。场馆幕墙的整体效果和施工速度得到了建设单位和监理单位的一致好评，取得了良好的社会效益。

植物馆B馆幕墙完成效果

世园会植物馆效果图