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由深圳市方大建科集團有限公司——承建的“深圳前海國際會議中心”幕墻工程，是深圳前海城市新中心的地標建筑，也是粵港澳大灣區(qū)的城市會客廳，更是商務、政務、國際交流等需要的高端會議場館。項目在幕墻的設(shè)計、施工到管理的全生命周期，均采用BIM技術(shù)，同時，還匯聚了多項原創(chuàng)幕墻工法的實踐，以及綠色材料的創(chuàng)新應用，在歷經(jīng)層層篩選之后，成功榮膺第17屆AL-Survey 2021-2022年度 “我最喜愛幕墻工程”大獎。
第28屆年會暨“我最喜愛幕墻工程”頒獎儀式現(xiàn)場
摘要：本文對深圳前海國際會議中心幕墻進行了整體介紹，結(jié)合本項目設(shè)計重難點之一的立面大跨度玻璃幕墻，對大跨度鋼立柱與玻璃肋組合結(jié)構(gòu)的玻璃幕墻設(shè)計思路和方案進行了剖析，以供廣大幕墻行業(yè)內(nèi)的工程技術(shù)人員探討或借鑒。
關(guān)鍵詞：幕墻設(shè)計，大跨度，鋼立柱，玻璃肋，組合結(jié)構(gòu)，有限元分析;
——傳承五千年厚重歷史文明，打造獨具中國文化底蘊的建筑，讓幕墻的應用得到了全新升華……
1、引言
近年來隨著中國城市化進程的快速推進，數(shù)量龐大的大型公共建筑、商業(yè)樓宇及高端公寓不斷涌現(xiàn)，建筑幕墻得到高速發(fā)展，幕墻形式和結(jié)構(gòu)體系不斷創(chuàng)新，對于大跨度公共建筑，通常會采用玻璃肋支承體系、大鋼立柱支承體系、鋼桁架支承體系，拉索體系等，本文結(jié)合前海國際會議中心項目立面幕墻構(gòu)造特點，詳細介紹了一種鋼立柱與玻璃肋組合結(jié)構(gòu)的玻璃幕墻系統(tǒng)，以期對廣大行業(yè)內(nèi)技術(shù)人員有所裨益。
2、工程概況
前海國際會議中心位于深圳市前海深港合作區(qū)，總建筑面積約4萬平方米，建筑高度23.6米，是深圳經(jīng)濟特區(qū)建立四十周年慶祝大會場館，是前海城市新中心的地標建筑，也是粵港澳大灣區(qū)的城市會客廳。“薄如蟬翼輕如紗，彩云追月引緒遐，古韻琉璃煥金甲，夢牽嶺南是大家。”
其建筑設(shè)計靈感取自嶺南傳統(tǒng)建筑形態(tài)，將“薄紗”作為設(shè)計理念，運用現(xiàn)代造型手法和幕墻材料（詞條“幕墻材料”由行業(yè)大百科提供）進行演繹，不僅表達了輕盈飄逸的外立面形態(tài)，又體現(xiàn)了對于中國傳統(tǒng)民族文化自信，是全國最大也是首個采用現(xiàn)代材料彩釉玻璃來演繹傳統(tǒng)屋面的建筑，既有中國傳統(tǒng)韻味，又呼應深圳氣候特征，符合前海時代特色。
圖1前海國際會議中心實景圖
本工程幕墻分為三個部分：南北面屋頂彩釉玻璃單元式屋面系統(tǒng)、東西面彩釉玻璃百葉系統(tǒng)、立面金屬與玻璃肋玻璃幕墻系統(tǒng)。南北面屋面系統(tǒng)采用“彩釉玻璃+鋁型材裝飾條”的組合，成功營造出了傳統(tǒng)建筑屋面鱗次櫛比的美感，彩釉玻璃的使用在保證室內(nèi)采光的同時，有效降低建筑整體傳熱系數(shù)，實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保（詞條“節(jié)能環(huán)保”由行業(yè)大百科提供）的目的;東西面兩側(cè)的彩釉玻璃百葉系統(tǒng)給整座建筑添加了更加大氣流暢的線條美，使建筑各個角度的視覺體驗更完整，同時對建筑立面有一定的遮陽功能，讓室內(nèi)體驗感更舒適;立面大跨度玻璃幕墻采用鋼立柱與玻璃肋組合結(jié)構(gòu)的玻璃幕墻系統(tǒng)，突出建筑立面的通透性，配合屋面系統(tǒng)的設(shè)計，完美融合中國傳統(tǒng)建筑的形和現(xiàn)代建筑的體。
3、大跨度鋼立柱與玻璃肋組合結(jié)構(gòu)玻璃幕墻設(shè)計
立面玻璃幕墻是建筑的立面周圈圍護結(jié)構(gòu)，建筑設(shè)計的思想是以玻璃幕墻的形式打造出大氣通透的效果，最大化玻璃飾面的面積，盡可能減小立柱的存在感，力求整個立面更加晶瑩通透;立柱的呈現(xiàn)形式為細條形，并且在外視面少形成立柱陰影，營造一種纖細立柱的視覺效果。
3.1 立面幕墻介紹
本工程立面玻璃幕墻最高處達到14.83米，最低處6.8米高，分格寬度為2.25m，標準立面玻璃幕墻大樣如圖2示意。
圖2立面玻璃幕墻大樣
立柱最大跨度為13m，最小跨度為8.5m，高跨度、大寬度、不設(shè)置橫梁是幕墻設(shè)計的難點之一，要兼顧簡潔的幕墻效果，同時滿足幕墻結(jié)構(gòu)的安全;經(jīng)過多次的計算復核和論證，在尊重建筑原創(chuàng)效果的前提下，通過科學的結(jié)構(gòu)計算和合理的節(jié)點設(shè)計，綜合考慮幕墻安全性、經(jīng)濟性以及外觀效果。
圖3 鋼立柱與玻璃肋組合結(jié)構(gòu)玻璃幕墻節(jié)點詳圖
設(shè)計方案中，將玻璃肋支承的全玻幕墻和鋼立柱的點支承幕墻特點糅合到一起，采用一種鋼立柱與玻璃肋組合立柱結(jié)構(gòu)的幕墻系統(tǒng)，如圖3示意。而立面玻璃幕墻室內(nèi)效果如圖4示意。
圖4立面玻璃幕墻室內(nèi)實景
3.3受力體系分析
本系統(tǒng)分三個部分：一是支承結(jié)構(gòu)部分，由氟碳噴涂鋼立柱和SGP夾膠玻璃組成;二是面板部分，為鋼化中空玻璃;三是點支承裝置。面板(鋼化中空玻璃)自重由點支承裝置直接傳遞給鋼立柱，再由鋼立柱向上傳遞給立柱頂部的主體結(jié)構(gòu)梁。面板(鋼化中空玻璃)承受的風荷載、地震荷載由結(jié)構(gòu)膠傳遞給玻璃肋，再由玻璃肋通過鋼銷軸傳遞給鋼立柱，再由鋼立柱傳遞至頂部及底部的主體結(jié)構(gòu)梁。
3.4面板設(shè)計
綜合考慮面板受力、規(guī)范以及經(jīng)濟安全等方面的要求，玻璃面板（詞條“玻璃面板”由行業(yè)大百科提供）玻璃選用15mm+12A+15mm超白鋼化雙銀LOW-E玻璃，大面玻璃分格最大尺寸為2.25m×5.4m，局部玻璃分格達到2.25m×6.3m，玻璃按對邊支承進行計算，自重由上方點支承裝置承擔，需對駁接頭位置玻璃局部應力（詞條“應力”由行業(yè)大百科提供）進行驗算。
3.5支承結(jié)構(gòu)設(shè)計
考慮單一玻璃肋要滿足跨層13m的結(jié)構(gòu)受力要求，按傳統(tǒng)的肋點玻幕墻，玻璃肋的寬度尺度比較大，玻璃夾膠層數(shù)也比較多，成本較高，而且這種玻璃肋加工難度大，生產(chǎn)周期長，對工期有一定的影響;另外高跨度的玻璃肋存在自爆、后續(xù)維護難的問題，考慮以上因素，幕墻設(shè)計把玻璃肋和鋼板立柱結(jié)合起來，設(shè)計出新型的鋼立柱與玻璃肋組合結(jié)構(gòu)形式，其中鋼板立柱采用兩塊20mm厚鋼板、一塊30mmX30mm鋼塊組焊成一個非標準的H形鋼立柱(后文簡稱H形鋼立柱)，其總寬度為70mm，根據(jù)計算立柱的進深最大尺度為480mm，整體纖細而不失穩(wěn)重。設(shè)計時考慮到焊接量大，會產(chǎn)生較大的焊接變形，為了更好的控制鋼立柱平整度，在H形鋼立柱腔內(nèi)設(shè)置了30*15*100mm的焊接支撐鋼塊，一方面可以增強H形鋼立柱整體受力性能，同時減小立柱后端的焊縫總長度，減少焊接帶來的變形，有利于鋼立柱垂直度（詞條“垂直度”由行業(yè)大百科提供）的控制;此外在外觀方面，H形鋼立柱后端留有30*30槽口，如圖4示意，使其形式更新穎，同時保證了建筑師的外觀效果，讓鋼立柱看起來更加纖細挺拔。焊接完成后，半成品立柱須經(jīng)過校直、表面打磨等一系列處理，最后通過噴涂氟碳噴涂面漆構(gòu)成理想的H形鋼立柱。H形鋼立柱前端留有玻璃肋安裝槽口，玻璃肋為250mm寬的12+1.52SGP+12鋼化夾膠超白玻璃，為提高玻璃幕墻的安全性能，夾膠片選用SGP，可以大幅度提高玻璃肋的承載力（詞條“承載力”由行業(yè)大百科提供），如圖4示意。
圖4H形鋼立柱與玻璃肋組合結(jié)構(gòu)示意圖
H形鋼立柱和玻璃肋在工地現(xiàn)場組合裝配，玻璃肋插入H形鋼立柱的預留槽口，用M16特制銷軸固定，玻璃肋孔與銷軸之間設(shè)置玻璃肋孔位專用的鋁套，鋁套與玻璃肋孔壁灌注環(huán)氧樹脂膠，使鋁套和玻璃肋形成一個整體。采用鋼立柱與玻璃肋組合結(jié)構(gòu)，玻璃肋可以適當分段，每段玻璃肋和鋼立柱之間設(shè)置兩顆銷軸固定。玻璃肋分段可以減少大長條玻璃在運輸過程中的損耗，減少開孔過多帶來的累積誤差，提高加工精度，同時玻璃肋適當分段的設(shè)計減小了玻璃肋截面的高度，也可減小玻璃肋連接螺栓孔間應力，對兩者進行有限元建模分析過程如下圖5~圖8示意。分段式玻璃肋的圓孔邊附近應力云圖在23.09MPa~25.98MPa區(qū)間，長條孔邊附近的應力云圖在17.32MPa~20.21MPa區(qū)間。通高式玻璃肋圓孔邊附近的應力圖41.29MPa~46.45MPa區(qū)間，長條孔邊附近的應力云圖在30.97MPa~36.13MPa區(qū)間。從上述數(shù)據(jù)結(jié)果分析，分段式玻璃肋的做法，其螺栓孔孔邊附近的應力值可減小近一倍，從而增加了整個結(jié)構(gòu)體系的安全性。
圖5 分段式(2.76m)玻璃肋圓孔區(qū)域應力圖
圖6 分段式(2.76m)玻璃肋長條孔區(qū)域應力圖
圖7 通高式(11m)玻璃肋圓孔區(qū)域應力圖
圖8 通高式(11m)玻璃肋長條孔區(qū)域應力圖
對鋼立柱開孔位進行有限元分析，特制M16銷軸增加了同鋼立柱的孔邊接觸面積，孔邊附近應力云圖在85.7MPa~110.2MPa區(qū)間，鋼立柱開孔位置應力集中有較好的控制，如圖9
圖9 鋼立柱開孔區(qū)域應力圖
為適用大跨度鋼立柱豎向位移伸縮，鋼立柱底部連接采用長條孔構(gòu)造，鋼立柱豎向位移量包括主體結(jié)構(gòu)的層間壓縮量，協(xié)調(diào)溫度及地震作用下的位移量，其中幕墻溫差變形量：dt=Δt·α·L=80×1.2×10-5×11000mm=10.56mm，主體結(jié)構(gòu)層間變形量：dd=1/550×11000mm=20mm，考慮地震作用等其他因素影響的預留量：de=2mm。綜合上述位移量，鋼立柱豎向總位移達到32.6mm，鋼立柱長條孔87.5mm，允許調(diào)節(jié)量±33.8m，滿足鋼立柱豎向位移伸縮的構(gòu)造，如圖10示意。
圖10 鋼立柱底部長條孔示意圖
本系統(tǒng)玻璃肋是單肋設(shè)計，依據(jù)《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范（詞條“玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范”由行業(yè)大百科提供）》JGJ102-2003第7.3.2-2條玻的璃肋截面高度計算公式，玻璃肋分段使得計算公式中的計算跨度h取值減小，ω、l、fg和t相同的前提下，玻璃肋截面高度hr相應減小。但是考慮到整體的安全性，給玻璃肋受力留有足夠余量，最終玻璃肋截面高度取值定為250mm。玻璃肋分段設(shè)計，配合上圓孔下腰孔的開孔形式能釋放玻璃肋自身應力，降低玻璃肋自爆率。玻璃肋開孔時，兩片玻璃開大小孔，避免合片后不對孔;合片后大孔周圈抹環(huán)氧樹脂膠，使大孔的有效直徑和小孔相同，兩片玻璃能均勻受力，如圖11示意。
圖11 玻璃肋開孔示意圖
H形鋼立柱的加入大大提高了組合立柱的受力性能，組合立柱的整體寬度為70mm，相對單一玻璃肋增加不多。H形鋼立柱的表面呈現(xiàn)形式選擇性更多，可以通過氟碳噴涂去實現(xiàn)不同的顏色要求，而且金屬元素的加入，賦予了全玻璃幕墻通透靈動之外的厚重大氣特性;組合立柱設(shè)計時，在面板玻璃和鋼板立柱之間保留38mm縫隙，可以營造隱藏式立柱的效果，外視通透感更強;玻璃肋和面板玻璃采用騎縫式，在不增加玻璃肋的厚度且要滿足受力要求的前提下，騎縫式設(shè)計增加了硅酮結(jié)構(gòu)膠的寬度，面板所受荷載通過結(jié)構(gòu)膠傳遞到組合立柱;
3.5點支承裝置
點支承裝置由定制弧形不銹鋼連接件和不銹鋼萬向調(diào)節(jié)駁接頭兩部分組成，駁接頭連接玻璃面板，通過弧形連接件固定到H形鋼立柱上(如圖12示意);點支承裝置的引入，主要是考慮點支承裝置可以替代橫梁作用，承托面板玻璃的自重，面板橫向留16mm縫打結(jié)構(gòu)膠，保證玻璃伸縮即可，更加簡潔透明。
4 、結(jié)語
隨著建筑行業(yè)的高速發(fā)展，作為建筑外圍護結(jié)構(gòu)的幕墻產(chǎn)品在功能、結(jié)構(gòu)、材料上不斷豐富;建筑幕墻產(chǎn)品工業(yè)化、標準化水平不斷提高，并且逐漸呈現(xiàn)出個性化發(fā)展趨勢，成為體現(xiàn)建筑藝術(shù)風格、時尚元素和文化風向的載體。本幕墻工程針對大跨度玻璃幕墻，綜合考慮其建筑設(shè)計風格、建筑設(shè)計思想和整體性，通過精心設(shè)計，博采眾長，創(chuàng)新融合各種幕墻形式的特點，創(chuàng)新性的采用鋼立柱與玻璃肋組合結(jié)構(gòu)體系，完美呈現(xiàn)建筑舒展大氣之美。文章對此類大跨度玻璃幕墻的設(shè)計及構(gòu)造進行了詳細的經(jīng)驗分析，希望給大家?guī)硪恍﹨⒖純r值。
參考文獻
[1] 玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范 (JGJ102-2003)
[2] 建筑玻璃應用技術(shù)規(guī)程 (JGJ113-2015)
[3] 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標準(GB50017-2017)
[4] 建筑幕墻(GB/T 21086-2007)
[5] 民用建筑設(shè)計統(tǒng)一標準(GB 50352-2019)
作者單位：深圳市方大建科集團有限公司
