幕墙项目中陶板及陶管的使用

可以帮助建筑师表达特定的外立面效果

本文在着重分析

陶管幕墙技术重难点的基础上

对各类幕墙的表皮选用及陶管幕墙的连接构造

做了相关思考与总结

△重庆棕榈岛，陶管

  01. 

引 言

幕墙作为建筑的外维护结构，从诞生伊始仅仅作为建筑外承重墙的替代物，让建筑更为美观的单一功能发展到现在，越来越向多元纵深探索。内在彰显建筑个性，凸出建筑地位；外在与城市环境和谐共处，让建筑物内外交互更为自在。

幕墙早已跳脱出了建筑的范畴，被赋予越来越多的时代特征，用各异的姿态诠释多彩的建筑性格，热情跳跃，抑或沉稳内敛；自由洒脱，也可以委婉动人。 

△Carmen Martín Gaite教学楼

陶制品的诞生则给建筑物着上了一件文化的长衫，不管是陶瓷板，陶土板还是陶管，在这种最为接近自然的材料的烘托下，仿佛褪去了建筑物置身尘世的浮华，让一切慢下来，好像她有很多故事要说给你听。

△清华新学堂

  02. 

工程材料

中国是陶瓷的发源地。制陶烧陶工艺在中国，有着源远流长的历史。从秦砖汉瓦时代的亭台楼阁，到今天现代建筑中的陶土构件；无论是美学，抑或功能。

陶，作为承载文明的一个具象，已然从原始的“制品”转化为艺术的“作品”。陶，被当代建筑师发现之后，越来越多的应用到标新立异的城市建筑体中。

△杭州东原·印未来生活体验中心，陶构件

△仪征综合体育馆，陶棍

2.1 陶产品类别

陶应用于幕墙的产品一般分为 陶板和陶管

外表面处理方式有如下几类：

自然面、釉面、砂面、槽面以及仿古做旧

另外丰富的颜色

也为建筑师提供了更大的选择空间

△陶板颜色分类

△表面处理方式

△陶管断面形式

△陶板断面形式

2.2 陶产品物化性能与应用优势

陶板取材于天然陶土，生产过程不产生废气，污水，废渣，比普通陶瓷 节水百分之五十以上 ，能耗较低，属于绿色环保的建筑材料。另外，陶板自身很多优良的物化性能也决定了其作为幕墙外表皮材料的出色表现。

物化性能参数

由上表可以看出，较轻的自重降低了陶板幕墙的施工难度及安全隐患；较强的抗冻性和耐腐蚀性能以及自洁性很大程度上降低了材料的维护保养成本；

另外，较高的防火等级和热阻，较强的隔音性能以及非常低的放射性都决定了陶板成为一种绿色、环保且低能耗的绝佳外立面材料的潜力。

那么从建筑效果，结构适用性

以及施工便捷性上来讲

陶板幕墙和其他幕墙对比又有哪些优势呢

不同非透明幕墙系统对比

由上表可见，相比石材幕墙，陶板幕墙自重轻，工厂预留槽口，施工更为便捷；色差小，自洁性强，外观效果更容易得到长久的保证。

相比铝板幕墙，不褪色，不易污染，而且保温性能强，更符合绿色建筑的整体趋势；对比瓷板幕墙，陶板幕墙则拥有更为便捷的挂接方式，更好的隔音性能，更低的材料破损率。

  03. 

工程技术解析

3.1 陶管产品及其单元构造

本文以陶管幕墙的既有项目为例作重点分析

该项目外立面采用 白色釉面陶管

每三根独立的陶管通过连接件

端头组件以及沉头自攻钉组成一个陶管单元

然后挂接到龙骨体系上去

因陶棍为脆性材料，在清洗、施工过程中外力等其它外部因素作用下，有可能出现破碎、整根脱落的情况，因此陶棍内壁内衬防爆膜，腔内增加通长设置的铝合金芯管。

端部通过铝合金高强挂件系统与索连接，铝合金芯管端部与陶棍内部通过EPDM柔性连接，这样主受力构件为铝合金芯管，而陶棍仅为装饰材料，即使出现破损，也能够有效避免整根脱落的潜在危险。

△陶管各组件

△陶管单元

3.2 陶管挂接体系解析

3.2.1 陶管幕墙外观与挂接样式

由图可见本项目外立面实为双层幕墙，内侧为铝板幕墙，中间为检修栈道，外侧为陶管幕墙。

△拉索陶管幕墙标准横剖             △内外侧幕墙实景

外立面陶管系统采用拉索作为结构受力构件，有利于外观效果的完整性，同时索为柔性结构便于找形。 陶棍三根一组，错缝排布，由于陶管幕墙所在立面为双曲抛物面，所以从下到上间距从40—100mm渐变，每几层变化一次，保证立面上陶管曲线排布流畅。

△陶管幕墙挂接样板

3.2.2 拉索结构

拉索作为陶管幕墙的龙骨体系，自身固定在从主体钢结构外挑的环向钢梁上。

△拉索安装施工

为合理利用拉索，最大化其利用率，结构设计考虑运用φ16不锈钢拉索，并且每四层作为一个张拉段，上下设置调节端，其他中间层为滑移支座，控制水平受力及立面找型，此方案可节省3/4的调节端，节约成本，张拉费用也降低。

拉索固定端布置在张拉段的底层和顶层，为了控制拉索的整体水平挠度可对预加应力进行控制和调节；中间楼层作为滑动支座，不承担竖向力，在张拉调节完毕，陶管挂接安装妥当后进行最后的锁紧固定。

△拉索顶底层固定支座

△拉索中间层滑动支座

拉索的选择需要通过计算配合，并考虑边界条件。本案拉索幕墙作为最外侧陶管幕墙的受力构件，仅需考虑幕墙体系的初始预拉力、自重、水平风荷载以及地震荷载，竖向活荷载，还有温度荷载。

 

拉索结构不需要考虑主体出挑钢结构变形对它的影响。另外边界条件上，每隔四层对拉索设置竖向位移的约束，其余楼层仅约束水平位移。

△陶管幕墙区域分布 / 陶管幕墙计算模型

△C1 C3拉索轴拉力分布 / C1 C3拉索变形值分布

φ16拉索的破断力为181.04kn，规范允许的轴拉力设计值为181.04/2.5=72.42kn，上图可知拉索的最大轴拉力为70.3kn，与限制接近。挠度变形允许值为层高4500mm/50=90mm，拉索最大变形为67.6mm，利用率也超过70%。

3.2.3 陶管的挂接

每三个陶管组成一个陶管单元，通过连接件等组件组合而成，最外侧的连接件上有两个挂孔。而每根拉索在与陶管单元拼缝对应的地方都有一个槽型的卡件，槽型的卡件对穿两根挂接螺栓和一根限位螺栓。

拉索全部施工完成后，再将每一个陶管单元挂到两根挂接螺栓上，并由中间M5的不锈钢螺栓进行限位，避免陶管单位的脱落。

△挂接螺栓与限位螺栓正面与背面

△陶管端头挂件                      △陶管挂接节点

3.2.4 陶管转角连接

幕墙转角的处理没有采用开模的带弯折造型的陶管，而是用型材 作为转接过渡 。

两侧的陶管单元分别与转角型材之间做了一个类似于合页的连接件，可以适应任意角度的弯折造型。

这个巧妙的手段避免了为适应不同角度的转折，花费大量成本用不同的模具加工折弯型一体陶管的做法。

△转角过渡型材

△转角陶管单位端头特殊角码 / 类合页转接件     

△转角室外看面 / 转角室内看面

3.3 项目思索与启示

3.3.1 建筑外表皮材质选择

建筑外表皮是建筑师用来表达建筑内涵的外延手段，用人眼直观看到的，感受到的视觉印象去体会建筑师想赋予建筑的生命力。

所以建筑外表皮的选用首先要符合建筑师的设计理念，选用能够充分表达设计师意图，甚至表达其个性或者独特情怀的外立面材料。

其次，就要从适用性角度来判断哪种外表皮符合特定的项目需求。例如哪种外表皮更适合项目所在地域和环境气候的特点；哪种外表皮的选用更能满足建筑保温，隔热的要求；

哪种外表皮的选用能快速便捷的落地，并契合建筑外立面的形态特征；哪种外表皮的选用能够减少使用过程中的维护次数，提高更换材料或者维修工作的效率等等。

以上述进行分析的陶管幕墙项目为例，考虑到所处城市的人文环境和重要历史地位，陶管独特的文化属性很好的赋予了这个建筑鲜明的城市特征；大气污染较为严重的城市环境，考验着外表皮的自洁性，而表面着釉的陶管很好的避免了表面的积灰而导致的污染和清洗困难，如果采用铝单板，时间稍长，表面的受污染程度可想而知，大面积的清洗要花费大量的人力和物力成本；本项目陶管所在的三个立面均为双曲面，C1为一个圆球形曲面C2C3为对称的两个椭球型曲面，如果用金属板，不管是铝单板， 铝塑复合板还是不锈钢板，大面积的采用双曲面板，单材料的成本就会非常高，即使通过BIM软件将双曲面优化为单曲面，板块的分格也会千差万别，很少甚至于没有两个板块是相同的尺寸，这样势必造成材料下料的难度以及工厂加工的难度，本案的陶管幕墙，用直线段的陶管单元通过挂接的方式模拟了双曲的造型。陶管单元现场直接挂接在拉索端头的转接件上即可，相当简易；而陶管幕墙和内墙体上的铝板幕墙组成了双层幕墙，留出了用来检修的马道，既保证了建筑的保温隔热，让雨水可以通过马道汇入有组织排水系统，最终排到地面，又保证了今后外立面维护工作的高效开展。

最后一点

对外表皮材质的选用也至关重要

前两个因素

可以说是外表皮选用的必要而非充分条件

只有了解了外表皮材料价格之后

在建设单位的控制范围之内一切才能成行

否则再好的方案只能作罢

不同材质外表皮的单价对比

由上表可以看出，金属材质的外表皮在常规项目的应用上相对来说有一定的成本优势，而且由于其较大的弹性模量，施工安装过程中较玻璃、GRC等脆性材料更为容易。

金属

玻璃

GRC

对于本项目陶管幕墙，陶管总长度20.26万米，单价为260元/m，实体幕墙总面积为16733.4㎡，所以陶管幕墙的陶管材料成本即达到3148元/㎡。仅仅针对外表皮材料来说，这个单价非常高。在成本控制较为严格的项目上，这个陶管幕墙的方案是需要再三斟酌或者没有落地的可能性的。

 

所以即使综合各项因素有较大优势的陶管，在超出成本的情况下还是会被别的材料取代。 建筑外表皮的材质选择需要考虑很多因素，没有绝对的优劣，只有相对的合适与否。

3.3.2 连接构造的思考

拉索结构在大的挑高和对室内通透性有特殊要求的建筑幕墙中较为常见 ，作为玻璃幕墙的受力构件很好的规避了铝合金龙骨对建筑效果的影响。陶管作为建筑的外表皮也越来越多的出现在不同类别的建筑上，但陶管的连接方式较为常见的都是管中套芯作为受力构件端头与主体栓接或者焊接。拉索与陶管的组合确实不多见，文中所介绍的项目给我们开拓了视野。

拉索作为一种柔性构件，只有施加了充分的预拉力之后才能对外表皮起支承作用。而且拉索的内力形式很简单，只有轴向应力，所以不管是对其自身进行强度的校核，还是对支座埋件的计算，因为受力类型单一，所以计算逻辑清晰。而且本项目充分运用了其作为柔性构件，对曲面的外表皮提供找形的贡献能力。较刚性的铝合金和钢结构龙骨而言，拉索的变形适应能力和规范允许变形限值都放宽很多，所以在限制范围内，拉索作为受力构件能在更大的变形范围内对幕墙表皮的曲面成形提供不小的帮助。

回到细节的构造，本项目陶管单元是通过端部的角码挂到拉索端头承托件的螺栓上，并且相邻两个陶管单元单独挂接，不发生关系，各个陶管单元能够自由的伸缩变形，不受约束。

△陶管单元挂接示意

△陶管单元挂接角码

由图可见，挂码分上下两个槽口，待拉索端头的承托件安装完毕，并且挂接螺栓，限位钉穿好，再把陶管单位挂上去。整体的挂接方式保证了陶管单元各个方向一定的自由伸缩空间。

需要提出一点的是，陶管的挂码上开了上下两个槽口，形式不甚相同，而且陶管挂接的时候两个槽口的行程不完全一致，可能会在施工的时候出现陶管单元的受力点集中在某一个槽口内，出现应力集中的现象，虽然挂码都是工厂加工，但这种情况还是会有发生的可能。

建议加大角码高度，上下两个槽口一同加工，并都开成从侧面挂接的槽口形式，上下槽口均打限位钉。这样，挂接行程一致，就不会发生受力集中在一点的情况，具体形式如下图：

△挂码优化示意

  04. 

总结

本文拉索陶管幕墙的案例为我们今后项目的系统选择做出了很好的示范作用，不拘一格的思路， 用已有的幕墙表皮材料和受力构件搭配成新的组合 ，更好的适应了本次的项目的特性和要求。 巧妙的挂接体系，以及转角合页型角码的运用 ，都可以成为我们今后各个项目的知识储备。

虽然项目仅从材料单价来看，已经远远超出了常规幕墙的单价，但是从项目存在的意义和价值来看，成本并不是该项目最需要关注的因素。所以说我们的幕墙项目，需要立足最根本的诉求， 综合考虑效果，性能，成本，并结合项目定位，精准把握设计方向，做到有的放矢。

[参考文献]

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