船艇玻璃幕墙设计研究
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作者:胡学明 孟繁涛 郝绍瑞
摘 要：现代化船艇的上層建筑越来越注重外观造型的整体美感和功能性的协调统一，保障驾驶室操作位具有良好、开阔、全景式的视线，以便观察作业情况及船舶位置和运动情况。为综合考虑船舶的物质功能和精神功能需求，本文介绍了一型消防船玻璃幕墙的设计研究过程和设计方法，供相关设计人员借鉴。
关键词：外观造型;全景式视线;玻璃幕墙;结构胶
中图分类号： U662 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2020）02-0060-04
1 前言
某消防船作为协同消防作业的指挥船，用户对船舶外观造型设计和驾驶室视线提出了较高的要求：外形设计上应体现出公安锐利有力的庄严形象并具有现代感;设置全景式驾驶室，可360°环顾四周，便于船员在火场中灵活操纵、移船;在驾驶室斜上方安装玻璃，当本船靠近主尺度较大的失火船只时，驾驶员可仰视看到高处的火情;会议室的前端壁采用大角度、后倾式设计，同时在前端壁安装大面积的落地玻璃，可在会议室直接观察本船前方的火情，供会议室决策情报参考，以体现实用性和美观性的和谐统一。
根据以上基本思路，结合本船实际特点和各种的限制条件，我们做了以下玻璃幕墙的设计方案，见图1。从效果图可以看出，为满足用户对船舶外观造型及视野的要求，本船采用了条状式和落地式玻璃幕墙相结合的形式，驾驶室外壁有多处折角且成圆弧状，这对结构设计和幕墙施工都带来了一定的技术难度。
2 某消防船主要技术参数
本船主要用于长江中上游港口、船舶及水上设施的消防监督指挥、灭火救援等应急抢险救灾任务，并可对沿岸陆上消防提供支持。航区为内河B级航区（含三峡库区），J2级航段。该消防船总长39.675 m、水线长37.05m、设计吃水2.3m、型深3.6m、航速15.12kn，对外消防泵流量3100m3/h，消防炮最大射程：加强型消防炮150m，主消防炮150m，副消防炮100m。入级CCS船级社。
3 适用规范研究
消防船按中国海事局现行有关法规、中国船级社（CCS）现行有关规范要求以及相关国家、行业标准进行设计和建造，及玻璃幕墙的设计和施工参照的相关规范、规则、标准，主要有：
（1） 《钢质内河船舶建造规范》最新版本及其修改通报
（2） 《内河船舶法定检验技术规则》最新版本及其修改通报
（3） 《内河消防船补充要求》
（4）《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ 102-2003
（5）《钢结构工程施工质量验收规范》GB50205-2001
（6）《金属与石材幕墙工程技术规范》JGJ133-2001
（7）《建筑幕墙》JG3035-1996
（8） 《全玻璃幕墙工程技术规程》DBJ/CT014-20
（9）《点支式玻璃幕墙工程技术规程》CECS127-2001
（10）《建筑幕墙风压变形性能测方式方法》GB/T15227-1994
（11）《建筑幕墙雨水渗透性能测试方法》GB/T15228-1994
通过对相关入级规范和标准的研究，并和船级社充分沟通，本消防船型对处于外围壁上的窗及玻璃没有额外特殊的要求，可以采用玻璃幕墙型式。
根据《JGJ 102-2003玻璃幕墙工程技术规范》玻璃幕墙分为隐框、半隐框、明框、全玻璃幕墙等型式。本消防船在充分征求意见的前提下，确定了采用条状和落地式相结合的隐框玻璃幕墙。
经研究，玻璃幕墙窗与普通船用方窗的主要区别在于幕墙窗的尺寸比普通方窗玻璃大了好几倍，这就使得窗玻璃在抵御船舶航行时上浪的冲击、船体振动和变形能力急剧下降。普通船用方窗是用螺栓或焊接方式把主窗框与结构相连接，利用窗框、玻璃压板、槽形密封圈将玻璃压紧，而玻璃幕墙窗则没有普通方窗所具有的整体窗框，是靠结构胶直接贴在舱壁或结构件上，因此，玻璃幕墙窗的结构设计和结构胶的选择是有效解决由于尺寸增大而带来的冲击、振动、变形等破坏作用以及确保幕墙窗水密性的关键。
4 船用玻璃幕墙计算
根据CCS《钢质内河船舶建造规范》（2016）第1篇，第4章第4节对钢质内河船玻璃幕墙的规定进行计算。
4.1玻璃厚度的计算
本船玻璃幕墙采用双层夹层钢化玻璃，每层玻璃厚度应相同。玻璃的厚度t应不小于按下式计算所得之值：
其中：
—玻璃板格短边长度， mm;
—玻璃板格长边长度， mm;
—系数，按表1选取
—玻璃的许用弯曲应力，钢化玻璃取50N/mm2;
—玻璃承受的载荷，kN/ m2，不小于按下式计算所得之值：
其中：—压力计算中心距离满载静浮水线的垂直距离， m;
采用双层夹层玻璃时，两层玻璃的厚度之和就不小于计算所得之值的1.25倍。
4.2玻璃的固定
采用粘接方式，玻璃与框架或壁板牢固连接，玻璃的下缘设置金属水平构架支承玻璃重量。所使用的粘接剂具有抗紫外线、低温、高温和清洁用化学剂的能力，粘接剂的长效拉伸强度不低于2.5MPa。
1）粘接宽度d 不小于按下式计算所得：
式中：
—玻璃承受的载荷， kN/ m2;
—粘接剂拉伸强度， N/mm2，不小于2.5;
—玻璃短边长度， m。
2）粘接厚度t 不小于按下式计算所得： 式中：
—玻璃長边长度， m。
—系数，双层夹层钢化玻璃取5。
4.3 其他规范对上建外窗的要求
在查阅各种资料和规范后，不同船型对应不同的建造规范，对处于上层建筑外围壁上的窗玻璃的厚度都有明确要求及计算公式。普通方窗均采用窗框和玻璃压板、密封圈的方式进行固定。《海上高速船入级与建造规范》第4章第3节：所有上层建筑和甲板室的外窗的结构和固定形式应保证风雨密;给出了外窗玻璃厚度的计算公式;外窗玻璃与窗框的连接以及窗框与壁板的连接应牢固、可靠，足以承受船在其营运水域正常航行时可能遭遇的波浪冲击;明确了外窗玻璃可以采用粘接方式直接与壁板连接，如有必要，应在窗玻璃的下缘处设置金属的水平构件支承玻璃重量;对粘接剂的选型和粘接宽度均有原则性要求和相应的计算公式。
5 实船玻璃幕墙设计[1][2]
本消防船作为一艘“消防效率优良、船载设备先进”的新型消防船，总体设计上要求采用玻璃幕墙窗。幕墙如图2所示，计算值见表2。
在玻璃安装结构设计中采用了隐框幕墙，兼顾了美学设计和施工工艺设计，与船东的要求及本船的功能定位相一致，并在玻璃幕墙的合适位置设置了可开式窗，满足驾驶室新风
供给的需求。驾驶室正前两扇窗为电加热夹胶玻璃，前端壁左右两侧窗带雨雪扫除器。其它玻璃幕墙玻璃选用钢化中空玻璃，玻璃带热反射镀膜[4]。钢框采用角钢焊接在上层建筑的侧壁内面沿结构开孔一圈，双层中空玻璃通过粘接胶和填缝胶嵌在外壁板及角钢时形成一个整体（见图3），由四周边的角钢承受玻璃的重量，结构硅胶富有弹性，起到粘贴、密封、缓冲和抗变形的作用，确保玻璃幕墙有较强的抗风能力。玻璃外表面与外围壁齐平，外表面美观平整。
两块玻璃的接缝处采用粘接胶和填缝胶平贴在结构件上，如图4所示，玻璃与结构之间、玻璃与玻璃之间的联接缝做美化处理。粘接宽度和粘接厚度均满足规范计算要求。
在折角或转角处玻璃幕墙结构设计见图5，实现了两块玻璃的精准定位、无缝对接，外型美观简洁。
6 玻璃幕墙结构胶的选型[3]
在船用玻璃幕墙的结构设计过程中，结构胶的选取非常重要，直接关系到玻璃的粘接强度、密封性能及抗冲击性能等。根据船舶的适用航区和功能需求，采用的结构密封胶应具有耐水、耐溶剂、耐大气老化性和耐热，并具有低温弹性、低透气率等特点。其性能应符合现行的行业标准《中空玻璃用弹性密封剂》 JC 486的有关规定。
在施工过程中选用游艇抗紫外线玻璃粘接剂，这是一种高性能、具有弹性，可以填缝的单组份聚氨酯玻璃粘接剂，其与空气中的湿气反应而固化，形成一种永久弹性体。其按照ISO9001/14001质量保证体系生产制造，符合国际船舶组织（IMO）相关规则。主要技术参数见表3.
7 玻璃幕墙实船效果
玻璃幕墙成功运用在某消防船上，外型美观挺刮，内部装饰别具特色，视野开阔，得到各方好评，成为该船的一个亮点。实船照片见图6。玻璃幕墙的结构设计稳定可靠、采用弹性连接、兼具美学效果、施工安装方便。参照《舰船门、窗、盖的密性试验》（CB*3273-1985）的有关规定对全船玻璃幕墙均作了冲水试验。冲水试验时所用水枪喷口直径应不小于12mm，试验水压应不小于0.2MPa。试验时，用水枪喷口从外面对准试验接缝处，水枪与接缝之间距离不得大于3m。水枪对准接缝处喷射，对垂直接缝则应自下而上喷射。试验持续时间为3分钟。被检部位反面无水珠或水迹等漏水现象，验收合格。经过试验、试航、由上海至长江三峡库区的远航及火场抢险，幕墙窗的强度和水密性均经受了考验，达到了设计要求。
8 结论
玻璃幕墙的设计首先要满足船舶入级船级社相关建造规范的要求，既要考虑到上浪的拍击、上层建筑端壁和甲板室围壁（端壁和侧壁）的计算压头、船体振动和变形等因素对玻璃强度的影响，还要考虑外形美观，玻璃幕墙的采光、隔热保温等使用功能与船舶上建外围壁装饰和谐统一，以及幕墙安装工艺和质量控制。因此，在设计初期，需要对幕墙支撑的结构设计、玻璃板格的划分和材料选择上进行综合考虑，使既满足设计要求又方便船厂施工。
在设计之初，玻璃幕墙窗在船舶上的应用，基本没有文献参考，经过笔者和用户、设计院、船级社、船厂、幕墙厂家的充分勾通和交流，确定了设计方案和施工工艺。希望通过本文能为今后进行此类玻璃幕墙窗的设计者提供一个参考。
参考文献：
[1] 胡新生. 关于钢结构玻璃幕墙的施工技术探讨[J] .江西建材，2014（20）.
[2] 郝强，刘勇. 钢结构玻璃幕墙的施工技术分析[J]. 门窗，2014（11）.
[3] 童冈峰，李若奇. 浅谈玻璃幕墙的施工质量控制与管理[J]. 门窗，2017（04）.
[4] 王强，黄义龙，曹芹.双层玻璃幕墙节能效果实验研究[J]. 新型建筑材料，2006（7）：（70-72）
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