装配式幕墙的设计、施工及造价特点

摘要：目前构件式幕墙和单元式幕墙是幕墙市场的主要产品，但受到单元式幕墙成本相对较高的制约，很多项目本有意采用单元式幕墙但最终放弃仍然采用了构件式幕墙，其中的主要因素除了外观造型的影响外，更大的影响因素就是幕墙成本造价。本文以“武汉·中交城”项目为例，对构件式幕墙、单元式幕墙和装配式幕墙等不同结构系统的设计、施工及商务分别进行分析对比，旨在提出一种在不增加幕墙综合成本的前提下而采用装配式幕墙系统的综合解决方案，以促进装配式幕墙的广泛应用。关键词：构件式幕墙;装配式幕墙;总价包干;1引言单元式幕墙以其立面效果美观、加工安装质量精致、施工速度快、工期短、可分段完工移交等优点在高层建筑幕墙中被广泛采用。构件式幕墙则以其成本相对较低、现场施工灵活、受场地限制较小等特点仍然占据较大的市场份额。而随着建筑技术的不断发展，装配式建筑也越来越多，对幕墙的装配配合要求也越来越高。原有的构件式幕墙、单元式幕墙有时已不再与建筑主体结构的要求或业主的要求相适应，因此开发一种新的幕墙形式，能够更适应现代装配式建筑的配套要求，是新形势积极应对市场需要的一种主动技术革新，也是未来幕墙设计和施工的一种新的发展趋势。2 构件式幕墙、单元式幕墙与装配式幕墙的系统设计对比分析幕墙系统按照系统结构构造设计分类，现在最通用的系统类型包括构件式幕墙系统、单元式幕墙系统、小单元是幕墙系统等几大类。近几年随着装配式建筑的大力发展，与装配式建筑相匹配的幕墙系统也有了进一步优化、完善和改进的必要，传统的构件式幕墙、单元式幕墙已经不能完全适应新的装配式建筑的发展需要了;从技术角度来看，大多数情况下一栋建筑的幕墙系统实际都可以采用构件式幕墙或单元式幕墙结构系统。“构件式幕墙stick curtain wall”是指在现场依次安装立柱、横梁和面板的框支承建筑幕墙;单元式幕墙unitized curtain wall由面板与支承框架在工厂制成的不小于一个楼层高度的幕墙结构基本单位，直接安装在主体结构上组合而成的框支承建筑幕墙;国内幕墙从1985年开始发展至今已经经历了35年的发展历程，尤其是在近二十年内更是达到空前大发展，无论是幕墙产业规模还是幕墙的设计建造技术，可以说都已经达到国际水平。其中单元式幕墙在近二十年内更是得到了快速发展，各大城市中的单元式幕墙建筑如雨后春笋，比比皆是。综合近二十年内幕墙发展的历程及行业内普遍的单元式幕墙工程案例，可以看出单元式幕墙的设计施工普遍具有以下特点：(1)框架均采用全铝合金龙骨;(2)单元板块左右、上下均采用“公母料”型材进行插接;(3)单元板块之间采用等压防水设计，采用构造防水，而不是打胶封堵防水;(4)单元板块与主体结构之间采用挂件连接，按照挂插方式安装;(5)单元板块安装时有比较严格的安装顺序，因此经常受到现场的施工条件制约;(6)收口板块安装需要进行专项设计，现场收口板块施工相对比较困难;(7)现场单元板块吊装施工质量须严格要求，否则很容易出现漏水隐患;(8)无论何种原因导致单元式幕墙漏水，维修补漏非常困难;以上的单元式幕墙特点已基本形成了定律，一方面对单元式幕墙的设计和施工提出了既定的标准要求，但另一方面也限制了技术人员的思维模式，导致一旦提到单元式幕墙，就首先与成本高、要求高、难度大、造价高等各种“高大上”的因素联系到一起，因此导致了很多项目失去了选择单元式幕墙的机会。实际上如果开拓思路，尤其是在目前装配式建筑已占据较大的市场份额、《装配式钢结构建筑技术标准》GB/T51232-2016已经发布实施近三年，综合考虑装配式钢结构建筑的设计思想和施工工艺，我们完全可以对幕墙结构系统再进行大胆尝试，而不再拘泥于传统的“构件式幕墙”或“单元式幕墙”的狭窄条框内，则幕墙系统可以有更大的开发发展空间。基于此理念，这里提出“装配式幕墙”的概念，以示与传统的“构件式幕墙”和“单元式幕墙”的区别。这里提出的“装配式幕墙”，其定义实际与“单元式幕墙”并无不同，只是不再受到传统认识的单元式幕墙的通用特点的限制，可以更宽更广地进行定义，理论上来说，只要能满足支撑杆件结构安全设计要求，满足建筑幕墙的材料标准要求，满足建筑幕墙的构造要求和功能要求(抗风压性能、水密性能、气密性能、保温性能、隔声性能、变形性能、抗震性能、防火性能、防雷性能、耐久性能等)，各种幕墙构件、面板在工厂整体预制、现场整体吊装的建筑幕墙，都可以统称为“装配式幕墙”，幕墙基本单位不再限制宽度分格(一跨或多跨)，高度也不再限制为一层以上或一层以内甚至多层以上，只要能够满足制造条件、满足运输条件、满足现场吊装条件，均可按“装配式幕墙”进行设计和施工。以下通过“武汉·交通城-A楼”项目为例，对构件式幕墙、单元式幕墙与装配式幕墙等各种不同的幕墙系统结构进行对比分析，展开从构件式幕墙向装配式幕墙转化的分析研究。2.1构件式幕墙向装配式幕墙转化的必要性目前幕墙行业中，构件式幕墙系统、单元式幕墙系统、小单元式幕墙等各种系统均各有其优缺点，在不同的区域或适应不同的功能要求或商务要去，都有其适用的范围。本文通过示例分析研究，旨在提出构件式幕墙向装配式幕墙转换的必要性。构件式幕墙、单元式幕墙、小单元幕墙系统特点对比分析如下：结构形式构件式幕墙单元式幕墙小单元式幕墙概念（定义）立柱支承在楼层结构上，再依次安装立柱、横梁形成框架，在框架上固定母亲切割面板，面板与面板之间的接缝位于同一个整体杆件上。以一个层高（或两个层高或以上）的竖框与横框形成单元整体框架，在车间内将面板与框架组装成单元板块运到现场，吊装在主体结构上，水平方向相邻两单元组件的左右竖框形成竖向组合杆件，上单元下框与下单元的上框形成横向组合杆件；框架的立柱及横梁上均设有金属挂钩，板块由带有金属挂钩的附框与饰面板材在车间组装成小单元板块，运到现场挂接在框架上。加工特点在工厂制作单支的构件元件，散件发运到现场安装，不在工厂预制组装；在工厂制作的是整件单元板块，包括立柱及、横梁、面板、装饰条等均在工厂预制组装；主柱、横梁在工厂组装（或不组装），附框及面板均加工组装成小单元板块；安装顺序框架由下往上逐层安装，面板安装不受限制；单元板块由下往上逐层安装，每层内按顺时针或逆时针顺序安装，安装顺序受到严格限制；框架由下往上逐层安装，面板安装顺序不受限制，但按顺序安装效率更高；防水原理现场打胶，采用密封胶注胶密封防水，水密性好；利用等压原理，采用逐级减压法等构造措施防水，内设排水系统，采用构造防水；原则上板块接缝在现场不再打胶；采用密封胶现场打胶密封防水；空缝结构利用等压原理采用逐级减压构造措施防水，内设排水系统；水密性气密性优良优风压变形性能幕墙厚度较小板块刚度好幕墙厚度较大幕墙厚度较小平面内位移变形性能一般优优工厂化程度/标准化程度低高高施工误差控制难度难控制易控制易控制监理工作量及难度工作量大困难多工作量大困难多工作量小困难少对土建结构误差要求对土建结构误差要求低对土建结构误差要求高对土建结构要求低对预埋件要求无特别要求，可调范围大要求特殊的连接无特殊要求，可调范围大安装速度及工期现场工序多，安装速度较慢，施工周期长现场安装速度快，周期短，可与主体结构同步施工，可缩短项目总工期安装较快，工期短适用结构形式可适用多种结构形式适用形式及范围受到一定限制可适用各种结构形式拆换及维修可折换维修拆换维修较困难拆换维修方便经济性造价最经济；造价较高，比其他幕墙结构的造价均要高；造价较经济，介入构件式与单元式幕墙之间；从以上综合比较来看，构件式幕墙技术已经落后，属于较低档次的幕墙产品，单元式幕墙已有多年发展，技术已分厂成熟，但由于造价相对较高，往往成为业主经综合比较后而放弃的主要原因。小单元幕墙各项综合指标介于构件式幕墙与单元式幕墙之间，但现场的作业工序和工作量仍然较大，与单元式幕墙相比，仍然有一定的差距。随着国家标准《装配式钢结构建筑技术标准》GB/T51232-2016的颁布实施，装配式建筑受到越来越多业主的青睐，尤其在繁华大都市的中心城区，因人流车流较大，现场环境要求严格，并伴随着现在人工费快速增长，密集劳动力的作业方式对现场施工作业的不利影响越来越大。因此装配式建筑在市场中的使用就越来越明显。综合考虑装配式建筑的设计思想和施工思想，且为了减少造价成本高的不利因素影响，现在开发和大力发展与单元式幕墙不完全相同的“装配式”幕墙结构系统就显得非常必要。这里所说的“装配式幕墙”主要特点如下：(1)幕墙构件尽可能在工厂整体预制，现场整体吊装;(2)幕墙宽度分格不局限于一跨或多跨分格，高度分格也不局限于楼层的限制;(3)幕墙立柱按需选择，无公母料对插的必然要求，层间横梁也无公母料对插的严格要求;(4)幕墙系统防水方式灵活多样化，可按空缝构造式防水，也可按现场打胶密封式防水;(5)幕墙与主体结构的锚固连接须满足结构受力要求和构造要求，并满足方便现场吊装的要求;(6)为方便加工组装、运输和现场吊装，可增加辅助杆件，在吊装完成后再拆除;按照以上的设计思路，可以对常规的构件式幕墙系统进行改造和深化设计，将构件式幕墙转化为“装配式幕墙”，可同时充分利用构件式幕墙和单元式幕墙的优势，并可减少构件式幕墙和单元式幕墙的缺点，从而消除业主的顾虑，使“高大上”的幕墙系统不再受到成本的制约。2.2主楼标准层玻璃幕墙系统设计对比分析现以“武汉·中交城A楼办公楼”为例，对构件式幕墙和装配式幕墙进行对比分析。

工程概况：武汉中交城A楼办公楼共41层，标准层高4200，幕墙总高度180米;南北立面均有多次退层;主楼南北立面为玻璃幕墙与石材柱相间布局，玻璃幕墙宽度为3400，石材柱为宽度600X厚度100，合计3400+600=4000为结构平面间隔单元，3400宽度中间设置200宽仿石材喷涂铝板装饰柱;主楼东西立面也为玻璃幕墙与石材柱间隔式布局，玻璃幕墙宽度按500、900、1300、1600、2600等不同分格宽度设置，石材柱则为300X400、1000X600等不同分格尺寸间隔布置;

原招标施工图(已通过图审审批)设计采用了“构件式玻璃幕墙系统”，由于本项目设计分格尺寸较大，且有造型要求，故玻璃幕墙的立柱设计采用“热镀锌钢管+装饰铝板”为主受力构件，即室内200mm宽的立柱采用200X100X5的矩形钢管外包2厚粉末喷涂铝板，室外竖向装饰线采用3mm厚的仿石材氟碳喷涂铝板，如下图所示：

以上是典型的构件式幕墙的设计方法，设计虽然比较简单，但施工过程及施工效果却有很多缺陷，如：(1)幕墙杆件类型数量繁多，现场作业工序多、工程量大;(2)尤其是热镀锌钢管龙骨现场施工焊接工作量大，动火作业多，施工过程中安全隐患多，作业效率低，遇到风雨天气便不能动火作业;(3)钢龙骨焊接作业也导致钢龙骨变形较大，校正作业工作量增大，变相大幅度增加了人工费成本;(4)所有钢龙骨在室内和室外均不能作为装饰面，因此，凡外露的装饰面均需要再增加铝板进行装饰，增加了很多工序;(5)外包铝板只能通过折边加工，所有阳角阴角均无法达到铝型材的挺直效果，大立柱室内外尺寸无法达到一致，外观效果大打折扣;(6)繁多的现场安装作业，完全无法与车间预制组装的观感质量进行对比;在深化施工图设计时，针对以上缺陷重新进行了设计，系统说明如下：

深化施工图玻璃幕墙典型节点图如下：

深化设计后，将石材柱之间的3400宽的玻璃幕墙按照装配式结构设计为整体单元板块，如下图所示(标准单元板块尺寸为3400X4200，最大单元板块尺寸为3400X5950)

深化设计后，玻璃幕墙系统无论在性能方面还是在外观方面都具备了原构件式幕墙无法比拟的优势：(1)幕墙构件均在工厂预制组装，现场工作量少，机械化程度高，安装效率高，现场占用工期缩短;(2)构件在工厂预制组装，大大提高了构件装配精度，提高了幕墙系统的整体质量品质;(3)单元式幕墙施工，现场逐层封闭，各楼层按分批提前移交，为室内装修更早提交施工作业工作面;能有效缩短项目的整体工期;(4)玻璃单元与石材单元完全分开，结构受力更合理，幕墙的位移变形能力更高;(5)保温层设计更合理，中空玻璃与型材断热条及幕墙保温层位于同一位置并保持连续，完全消除了“热桥”和“冷桥”，有效保障了幕墙的保温隔热性能;(6)外观效果方面：室内装饰面全部为挤压铝型材，表面的误差精度为高精级，外观装饰效果更好;2.3主楼标准层石材幕墙系统设计对比分析主楼标准层石材幕墙主要表现形式为玻璃幕墙之间的石材柱，如下图所示，原构件式幕墙设计施工图中，石材柱与玻璃幕墙为共用钢龙骨立柱，室内侧装饰面部位再外包铝板，这是构件式幕墙最通用的设计方案。

通过多年的施工经验证明，以上这种幕墙系统虽然设计方法简单，但在施工过程中存在诸多的隐患和不利之处，如：(1)所有构件均须在现场组装，现场工作量大，机械化程度低，安装效率低，占用工期长;(2)构件现场组装，远远达不到车间预制组装的精度，降低了质量品质;(3)功能方面：保温层设计不合理，存在明显的“热桥”和“冷桥”，使断热型材失去了断热功能，降低了幕墙的保温隔热性能;(4)石材幕墙与玻璃幕墙共用钢立柱(外露部位再外包铝板)，且与玻璃幕墙的铝横梁组成玻璃幕墙的结构受力框架，使玻璃幕墙的框架成为钢铝混合结构，在温度应力、变形位移、噪音防护等方面都存在不确定因素;(5)外观效果方面：室内装饰面为铝板包型材，远远达不到挤压铝型材表面的误差精度和外观装饰效果;在深化施工图设计时，针对以上缺陷重新进行了设计，系统说明如下：

深化施工图玻璃幕墙典型节点图如下：深化设计后，将石材柱按照装配式结构设计为整体单元板块，如下图所示：

同以上设计方法，东西立面的石材柱也按照装配式结构升级为整体单元板块，如下图所示：

原构件式设计方案：

玻璃幕墙与石材柱共用钢龙骨立柱，钢龙骨外包铝板饰面，玻璃幕墙为钢立柱与铝合计横梁混用结构体系;

深化设计为改为“单元式玻璃板块+石材柱板块”深化设计后，(600+1000+600)宽的石材柱按单元板块整体预制加工、现场整体吊装：

2.3主楼“铝板柱+玻璃幕墙”系统设计对比分析主楼局部楼层采用“铝板柱+玻璃幕墙”系统，原施工图设计采用构件式幕墙系统，如下图所示：

原构件式设计方案：室内100X200X5热镀锌钢管外包铝板装饰面，室外仿石喷涂铝板柱;

深化设计后，将原构件式幕墙系统设计为“预制型小单元幕墙系统”，如下图如所示：

此深化设计系统，将钢龙骨外包铝板改为全铝龙骨，施工时按照立柱横梁铝框架在工厂整体预制组装、现场将预制框架整体吊装安装的方式进行施工，仅玻璃面板及铝板面板在铝框架安装完成后再进行安装，与原构件式幕墙相比，仍然减少了大量的现场作业工序，使现场作业质量及施工效率都得到明显提高。4、施工方案的对比分析构件式幕墙与单元式幕墙或装配式幕墙除结构系统有差异外，现场的施工方案有明显不同，这表现在采用单元式幕墙或装配式幕墙后，施工方案的技术含量和先进程度都有明显提高。构件式幕墙的施工方案，仍然呈现为最传统的施工工艺，还停留在“肩挑背扛”的原始阶段，构件材料均按散装构件在工厂加工后装车发货到现场，进场材料均为散件构件无法用叉车或吊车进行卸货，只能采用人工搬运进行卸车、转运。构件材料上楼也只能通过总包的施工电梯将散装构件转运到各个楼层，转运材料效率较低。安装施工时，作业工人在吊篮内进行施工作业，需要在室内配置作业人员辅助搬运和传递材料，同时在全过程中须采取措施以防止散件材料坠落。改为装配式幕墙后，大量的构件已在工厂内组装成大板块，大面积的成品板块在车间内直接采用桁吊吊车装车，运输到现场后，直接采用塔吊(或汽车吊、叉车等)进行卸车，现场二次转运也都采用塔吊或叉车进行转运，安装施工时采用专用吊车从地面直接进行吊装，避免了较多的现场二次人工搬运，在施工全过程中，都可以使用机械作业，大量节约了人力，并大大降低了安全事故的发生概率，施工效率也大大提高。因此装配式幕墙的现场施工具备传统构件式幕墙无法比拟的多种优势。5构件式幕墙与装配式幕墙的商务经济指标对比分析在业主投资控制目标已经确定的前提下，选择幕墙系统的结构形式大多数情况下是受投资额限额制约的，如果业主还有其他的节约投资等经济方面的激励措施，则对幕墙的造价限额影响会更大。所以在选定幕墙系统时，对不同幕墙结构系统的经济指标分析对比就显得尤为重要。“武汉·中交城”的幕墙结构系统选型就是典型的例证。据原幕墙设计公司介绍，幕墙设计初步方案中曾经提出了构件式幕墙和单元式幕墙两种设计方案，并分别进行了经济指标分析供业主决策。最终业主认为单元式幕墙系统比构件式幕墙系统的造价高出的比列，使业主不能接受，所以最终还是选择了构件式幕墙，并由幕墙设计公司按照构件式幕墙系统进行施工图出图并报图审公司审批后作为施工图进行招标，以此选定幕墙施工承包商。我司在招标中标后，按照业主要求签订了总价包干的施工承包合同。考虑到本项目的外观效果比较适合采用单元式幕墙系统，但又受到总价包干的合同条款制约，经反复对比分析研究，我司提出了采用装配式幕墙系统进行施工图优化深化设计，并向业主汇报后，业主表示如不增加商务费用，业主欢迎我司按照装配式幕墙系统进行深化设计;这是幕墙行业内比较普遍的现象，业主既希望深化设计选用更理想的幕墙系统，同时又不愿意再增加投资，也正是由于业主有这种愿景存在，所以通过我们技术人员和商务人员的共同努力，才能够在不增加投资的前提下把原构件式幕墙向装配式幕墙进行转化，同时又受到业主方、总包方、监理方等各方的认可，使后续的各项施工手续能够顺利进行。以“武汉·中交城”A楼主楼玻璃幕墙为例，通过对招标施工图的玻璃幕墙进行综合单价分析，再对照深化设计后按照装配式幕墙施工图进行综合单价分析，经过比较可以得出，改为装配式幕墙系统后，主楼玻璃幕墙的综合单件略有增加(约增加2%左右)。但此增加成本的比例在可接受范围之内，即使业主方不增补费用，相信各承包商也都能够承受。而将构件式幕墙改为装配式幕墙进行设计施工后，其他社会效益方面(如质量品质提高、企业信誉提高、现场文明施工加强、现场施工形象进度优化等各方面)则都得到了明显提升。6 结语本文以“武汉交通城A楼办公楼”为例，通过构件式幕墙与装配式幕墙不同的设计方案对比、施工方案对比、商务分析对比等三方面分别进行分析研究，最终确定了在总价包干不增加任何费用前提下，将原招标并通过图审的构件式幕墙施工图改为装配式幕墙施工图，按装配式幕墙重新进行施工图设计，并重新办理图审手续获得批准;施工方案也由原招标时的构件式幕墙施工方案改为按照装配式幕墙的整体吊装施工方案，该施工方案按照“建质(2009)87号文《危险性较大的分部分项工程安全管理办法》”的要求，编制了“安全专项施工方案”并经专家论证会审核通过后予以实施。通过本案列的具体分析和工程实践证明，在商务成本预先已控制的前提下，构件式幕墙仍然能够在不增加或较少增加综合成本的前提下向装配式幕墙转化，从而在幕墙的加工质量、安装质量、幕墙的外观质量等诸多方面，均比常规的构件式幕墙有明显改善和提高，同时现场的施工环境、施工安全、施工进度文明施工形象等各方面，都比构件式幕墙有显著提高，值得进行推广应用。参考文献[1] 《建筑幕墙术语》GB/T34327-2017[2] 《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ102-2003[3] 《金属与石材幕墙工程技术规范》JGJ133-2001[4] 《装配式钢结构建筑技术标准》GB/T51232-2016[5] 姜清海、姜辉，等，专利ZL 2014 2 0148625.8 一种钢框架单元式石材幕墙[P]2014-09-10.[6] 姜清海、姜辉，等，专利ZL 2011 2 0347517.X一种多功能幕墙吊装设备[P]2012-05-23.作者单位：深圳市三鑫科技发展有限公司作者：姜清海　姜辉　陈志顺来源：2020论文集立足协会 服务行业400-60-54100