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　　提要：本文所介紹的是一種異型預(yù)應(yīng)力空間索結(jié)構(gòu)支承的折線斜面玻璃幕墻。其特點(diǎn)是，索結(jié)構(gòu)支承的連續(xù)折疊成鋸齒狀的斜面點(diǎn)式玻璃幕墻，墻面傾角達(dá)75°。支承結(jié)構(gòu)采用索桿混合體系。由于結(jié)構(gòu)立面排布既有傾斜又有轉(zhuǎn)折，平面整體既有圓弧也有鋸齒。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜、施工難度極大。在本文內(nèi)容中，重點(diǎn)介紹了玻璃面板之間的關(guān)鍵連接節(jié)點(diǎn)技術(shù)和該玻璃幕墻的支承系統(tǒng)，預(yù)應(yīng)力魚尾式雙層不對(duì)稱索結(jié)構(gòu)的相關(guān)技術(shù)，并對(duì)設(shè)計(jì)與施工的難點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行了解析。

　　關(guān)鍵詞：鋸齒狀折線斜面玻璃幕墻，空間索結(jié)構(gòu)，魚尾式雙層不對(duì)稱索結(jié)構(gòu)。

　　1、引言

　　當(dāng)今的建筑造型已經(jīng)呈現(xiàn)多元化的發(fā)展方向，建筑設(shè)計(jì)已不滿足于中規(guī)中矩的建筑形式，許多大型和超大型的極富視覺沖擊力的建筑越來越多的呈現(xiàn)在我們面前。 建筑的外圍護(hù)，包括幕墻和屋面部分的外飾層能很好地作為建筑設(shè)計(jì)思想的載體，展示著建筑藝術(shù)的魅力。異形空間索結(jié)構(gòu)支承點(diǎn)支式玻璃幕墻體系，在實(shí)現(xiàn)建筑空間造型中起到重要的作用，已經(jīng)在多個(gè)項(xiàng)目中大范圍的得到應(yīng)用，特別是對(duì)異形立面能夠完美實(shí)現(xiàn)其空間效果，包括雙曲面、自由曲面、折疊鋸齒形狀、斜面幕墻等。空間索結(jié)構(gòu)支承系統(tǒng)以他靈活多變的造型能力越來越多的應(yīng)用在國(guó)內(nèi)外大型重要建筑中。(圖1.1)

　　近年來，由于建筑幕墻的設(shè)計(jì)方法和技術(shù)手段有了不斷提高，BIM技術(shù)和計(jì)算機(jī)三維設(shè)計(jì)軟件的應(yīng)用，已經(jīng)完全可以滿足異形建筑外圍護(hù)的造型設(shè)計(jì)需要。 特別是各種支承結(jié)構(gòu)和構(gòu)造形式在建筑幕墻中的應(yīng)用使得建筑幕墻這個(gè)能表達(dá)建筑藝術(shù)魅力的媒介更加靈活，充滿活力。

　　如何更好的實(shí)現(xiàn)建筑創(chuàng)意，在將建筑的語言表達(dá)的更加透徹的同時(shí)，還能保證幕墻的各項(xiàng)物理指標(biāo)和使用性能，這已經(jīng)是許多幕墻公司和幕墻設(shè)計(jì)師（詞條“幕墻設(shè)計(jì)師”由行業(yè)大百科提供）們必須面臨的問題。

　　2、 特殊造型的鋸齒狀弧形斜面玻璃幕墻

　　利用玻璃與玻璃之間形成的夾角，90至130度形成的多個(gè)玻璃面的光線反射和透視變化變化的效果，使得玻璃幕墻建筑效果得到大幅度的提升。大大增加了視覺沖擊力，建筑立面產(chǎn)生了強(qiáng)烈的節(jié)奏感。(圖2.1~2.2)

　　在項(xiàng)目中，玻璃幕墻面為折線的曲面外維護(hù)。在建筑中有兩個(gè)區(qū)域。一個(gè)是不透明的，是在玻璃與室內(nèi)空間之間有一層結(jié)構(gòu)墻體，將內(nèi)外分割，使得內(nèi)外的視線阻隔，形成一種特殊的視覺效果。另一個(gè)是透明通透的，是用高透明的超白玻璃做的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)，以輕盈、造型美觀的空間預(yù)應(yīng)力索結(jié)構(gòu)作為支承結(jié)構(gòu)的玻璃幕墻。

　　3、索結(jié)構(gòu)方案選型設(shè)計(jì)解析

　　為了在更好地實(shí)現(xiàn)建筑效果的同時(shí)，能有效地實(shí)現(xiàn)建筑外維護(hù)的功能，確保各項(xiàng)物理性能指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。我在通透的部位采用了構(gòu)造新穎、造型美觀的水平布置魚尾式雙層預(yù)應(yīng)力索結(jié)構(gòu)點(diǎn)支式玻璃幕墻;在非通透的部位，利用中部的主體結(jié)構(gòu)墻布置了水平支撐桿。以此來承受幕墻的水平荷載(風(fēng)荷載)，使這部分的玻璃幕墻支撐結(jié)構(gòu)做到了極簡(jiǎn)的形式;在幕墻的面內(nèi)，用一根直徑12mm的豎向拉桿解決了幕墻結(jié)構(gòu)受力體系的穩(wěn)定性。

　　在這里值得一提的是，原建筑設(shè)計(jì)方案在通透的玻璃幕墻部位，幕墻結(jié)構(gòu)所采用的是水平鋼三角桁架分段布置，角部各布置3根豎索組成的豎向索桁架作為支承結(jié)構(gòu)體。由于豎索跨度大導(dǎo)致拉索對(duì)主體結(jié)構(gòu)梁的支座反力（詞條“支座反力”由行業(yè)大百科提供）大，且存在室內(nèi)觀感較差以及工程造價(jià)高等一系列問題。因此對(duì)玻璃幕墻的支承結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。最初的方案是豎向單索加橫向單索的結(jié)構(gòu)形式和橫向魚腹雙索加豎向單索的結(jié)構(gòu)形式。(如圖3.1~3.2)

　　上面兩種方案在進(jìn)行結(jié)構(gòu)可行性受力分析時(shí)，其穩(wěn)定性與支座反力均不能滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。

　　由于當(dāng)時(shí)工期很緊，施工現(xiàn)場(chǎng)已經(jīng)開始了主體支撐結(jié)構(gòu)的制作安裝。在這種情況下，我親自到現(xiàn)場(chǎng)觀察了已經(jīng)完成的結(jié)構(gòu)情況。根據(jù)實(shí)際完成的主體結(jié)構(gòu)支點(diǎn)構(gòu)造，在現(xiàn)場(chǎng)勾畫了玻璃幕墻支承結(jié)構(gòu)的草圖，初步確定了這片具有挑戰(zhàn)性和異形玻璃幕墻開創(chuàng)性的“鋸齒形狀斜面點(diǎn)式玻璃幕墻”的索結(jié)構(gòu)支承方案。(如圖3.3.a~3.3.c)

　　接下來就是對(duì)這種非常具有挑戰(zhàn)性的空間索結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、可行性方面的分析。通過整體建模分析，在通透的部位(透視區(qū))選擇橫向雙層索系加豎向單索方案。而橫向雙索形式確定為水平不對(duì)稱魚尾雙層索體系。該體系方案的優(yōu)點(diǎn)是，在室內(nèi)空間占比較小、索桁架自身平面外穩(wěn)定性好、對(duì)邊緣支承結(jié)構(gòu)的支座反力較小，結(jié)構(gòu)體型簡(jiǎn)潔明快，裝飾效果好。該方案，能同時(shí)解決抵抗水平荷載和由豎向斜面引起的自重分力豎向荷載。

　　此項(xiàng)方案，經(jīng)嚴(yán)格的整體建模計(jì)算，對(duì)其穩(wěn)定性和節(jié)點(diǎn)受力給出了明確的技術(shù)指標(biāo)。最終采用豎向φ16單索主要承擔(dān)玻璃面板的重力荷載;結(jié)構(gòu)柱間設(shè)置水平魚尾φ22雙索(如圖3.4.b)支承，來抵抗水平風(fēng)荷載及地震荷載，空間扭轉(zhuǎn)力矩由水平向φ14穩(wěn)定拉桿承擔(dān)，通過組合索結(jié)構(gòu)體系完全滿足了設(shè)計(jì)要求。

　　在非通透部位(非透視區(qū))的玻璃幕墻也同樣是不均勻的弧形曲面的斜玻璃幕墻，傾斜角度在80至90度之間。由于這樣的外立面要求對(duì)玻璃幕墻的支承體系和整體傳力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。

　　在非透明區(qū)域的設(shè)計(jì)中，最終采用豎向φ16單索主要承擔(dān)幕墻的重力荷載，在玻璃節(jié)點(diǎn)處與結(jié)構(gòu)構(gòu)造墻之間設(shè)置水平∅89×6mm的支撐桿，以此來抵抗水平荷載及地震作用。在玻璃面板內(nèi)側(cè)設(shè)置φ14mm的水平向穩(wěn)定拉桿。建立非透明區(qū)域結(jié)構(gòu)計(jì)算模型，對(duì)其進(jìn)行各種荷載的受力計(jì)算。(如圖3.4a~c)

　　在該項(xiàng)目中，由于面面板玻璃的體型所限，索結(jié)構(gòu)支撐體系要能有效的工作，這就要求在正負(fù)風(fēng)壓的作用下，雙層索系中的索力變化是可控的。與此同時(shí)，玻璃幕墻的平面外變形應(yīng)控制在規(guī)范的要求1/200

　　在常規(guī)的預(yù)應(yīng)力索結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，雙層索系最好是對(duì)稱布置(如魚腹式、魚尾式索桁架)。這樣布置方法最大的好處是在受到正風(fēng)壓或負(fù)風(fēng)壓作用時(shí)，其平面外的變形是均衡的。在方向相反的兩個(gè)水平荷載作用時(shí)，其幕墻平面外的變形的絕對(duì)值也是一致的。這樣對(duì)連接玻璃與結(jié)構(gòu)之間的連接節(jié)點(diǎn)的適應(yīng)影響能力無需進(jìn)行特殊的考慮。

　　但該項(xiàng)目由于條件所限，又要實(shí)現(xiàn)雙層索結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)潔支承，支撐結(jié)構(gòu)體型就會(huì)出現(xiàn)前后兩根受力所的布置體型不對(duì)稱的現(xiàn)象(如圖3.5~3.8)這樣就會(huì)出現(xiàn)在玻璃面板受平面外荷載的作用下，正負(fù)壓所給予預(yù)應(yīng)力索結(jié)構(gòu)的前索和后索受力不均。這將引起索結(jié)構(gòu)兩端部的支撐桿產(chǎn)生不相同的應(yīng)力。

　　在實(shí)際工程中，如不能充分考慮到這種情況，可能會(huì)出現(xiàn)在受到較大荷載沖擊時(shí)，在撐桿上出現(xiàn)永久變。這將會(huì)對(duì)幕墻的面板和支撐結(jié)構(gòu)都會(huì)產(chǎn)生安全性的影響。在充分分析了該預(yù)應(yīng)力索結(jié)構(gòu)支撐體系的受力狀態(tài)和體型特點(diǎn)后，利用有限元（詞條“有限元”由行業(yè)大百科提供）計(jì)算軟件作進(jìn)一步分析。用增加受力部位的安全儲(chǔ)備來適應(yīng)該異形玻璃幕墻的抗風(fēng)壓變形的安全度;加強(qiáng)支撐桿件的剛度和節(jié)點(diǎn)的連接強(qiáng)度，使之有足夠的安全儲(chǔ)備能力來解決這一難題。

　　由于本工程的預(yù)應(yīng)力空間索結(jié)構(gòu)體型復(fù)雜，前期設(shè)計(jì)無風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，因此對(duì)風(fēng)荷載安全系數(shù)適當(dāng)放大是必要且合理的。經(jīng)綜合評(píng)估決定將風(fēng)荷載安全系數(shù)提高1.3倍進(jìn)行受力分析。

　　經(jīng)過有限元軟件計(jì)算模擬，直徑為22mm的索內(nèi)最大軸力為150.074kN;直徑為16mm索內(nèi)的最大軸力為76.899kN;直徑為14mm的拉桿最大軸力為48.634kN，均滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。在該提高承載力安全儲(chǔ)備的設(shè)計(jì)工況下，索結(jié)構(gòu)體系依然滿足安全需求，不會(huì)出現(xiàn)局部或整體失穩(wěn)損壞。

　　4、連接節(jié)點(diǎn)方案設(shè)計(jì)及工作原理分析

　　在折線玻璃之間的連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)，我們結(jié)合該項(xiàng)目的特點(diǎn)，在保證斜面鋸齒狀玻璃幕墻面板外形要求的同時(shí)，要確保玻璃幕墻各項(xiàng)物理性能的實(shí)現(xiàn)。

　　這種具有挑戰(zhàn)性的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，是在充分考慮了其特殊性和幕墻工作狀態(tài)時(shí)受力變化的情況下進(jìn)行的。使玻璃連接節(jié)點(diǎn)在工作狀態(tài)下既能固定、連接玻璃面板，又能利用其可轉(zhuǎn)動(dòng)和可變位構(gòu)造來消除各種不利的應(yīng)力。以此來確保這種異形外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的整體安全性。

　　在鋸齒狀折線玻璃的連續(xù)陰陽角（詞條“陰陽角”由行業(yè)大百科提供）部位，結(jié)合短邊玻璃的尺寸在節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)采用了可變的雙頭連接節(jié)點(diǎn)。(如圖4.1)這種節(jié)點(diǎn)既能適應(yīng)玻璃之間角度的變化，又能滿足上下斜面玻璃之間的連接。

　　由于該項(xiàng)目從幕墻的支承結(jié)構(gòu)到玻璃面板的外形固定，都是非常具有挑戰(zhàn)性的設(shè)計(jì)。所以，我們要在安全的大標(biāo)題下，多設(shè)想一些不利因素來推演其安全性能。假設(shè)局部橫索退出工作或存在不平衡外荷載時(shí)，節(jié)點(diǎn)仍然可有效傳遞荷載。

　　利用有限元分析軟件進(jìn)行計(jì)算模擬分析兩種不同工況，一種為正常使用承載力極限狀態(tài)分析，另一種為考慮一側(cè)拉索失效或受力不均勻極端承載力工況分析。通過兩種工況分析結(jié)果對(duì)比可知，由于圓管牛腿尺寸大，外側(cè)布置起加勁肋作用封口板(如圖4.2)，因此局部強(qiáng)度會(huì)成為結(jié)構(gòu)的控制指標(biāo)，牛腿根部的應(yīng)力相對(duì)較小。有很大的安全儲(chǔ)備。

　　5、索結(jié)構(gòu)的安裝精度控制方法解析

　　預(yù)應(yīng)力的形成對(duì)索結(jié)構(gòu)的剛度具有重要影響，在索結(jié)構(gòu)內(nèi)施加預(yù)應(yīng)力是施工的重要環(huán)節(jié)。索結(jié)構(gòu)施工過程應(yīng)與設(shè)計(jì)考慮的荷載工況一致，在施工工作中，現(xiàn)場(chǎng)施工數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)全程進(jìn)行核對(duì)，采用專有設(shè)備對(duì)拉索安裝時(shí)的垂度、拱度偏差、索力變化、結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)。

　　該工程項(xiàng)目的預(yù)應(yīng)力索結(jié)構(gòu)在安裝時(shí)施加預(yù)應(yīng)力的難點(diǎn)在透明區(qū)域的魚尾雙索支承體系;由于這部分索桁架為非對(duì)稱索，雙索的內(nèi)應(yīng)力不同。隨著索內(nèi)應(yīng)力的變化索桁架的體型也會(huì)產(chǎn)生變化。所以對(duì)這部分索結(jié)構(gòu)的初始預(yù)應(yīng)力精度要求極高。現(xiàn)場(chǎng)采用了索力測(cè)力儀器和液壓指標(biāo)雙向控制(如圖5.1、2)

　　在施工階段首先采用BIM技術(shù)對(duì)這一區(qū)域做整體模型對(duì)施工階段的多個(gè)工況進(jìn)行模擬。確保索結(jié)構(gòu)內(nèi)力和平衡位置均能實(shí)現(xiàn)理想的建筑外形。索結(jié)構(gòu)在初始狀態(tài)的平衡位置，是實(shí)現(xiàn)幕墻設(shè)計(jì)形態(tài)的關(guān)鍵問題。通過監(jiān)測(cè)索結(jié)構(gòu)目標(biāo)點(diǎn)，與計(jì)算模型位置坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析，適當(dāng)調(diào)整索預(yù)應(yīng)力大小，以滿足建筑外觀設(shè)計(jì)要求。

　　索結(jié)構(gòu)的狀態(tài)一般定義為三種。零狀態(tài)是指無預(yù)應(yīng)力、自重及外部荷載的索構(gòu)件。初始狀態(tài)是指結(jié)構(gòu)在預(yù)應(yīng)力、自重作用下的平衡狀態(tài)。工作狀態(tài)是指結(jié)構(gòu)在外部荷載作用下所達(dá)到的平衡狀態(tài)。在索結(jié)構(gòu)的施工過程中主要是對(duì)前兩種進(jìn)行控制和實(shí)現(xiàn)，往往是在預(yù)應(yīng)力形成中設(shè)置多種工況，將實(shí)際預(yù)應(yīng)力指標(biāo)與設(shè)計(jì)給出的設(shè)計(jì)指標(biāo)相對(duì)應(yīng)，同時(shí)對(duì)索桁架的外形進(jìn)行尺寸控制。(如圖5.2)

　　該項(xiàng)目的索結(jié)構(gòu)安裝順序按照先豎索后橫索的進(jìn)行，豎索除了需要連接兩端的耳板外還需要通過6個(gè)支撐桿，通過在索支撐桿內(nèi)部設(shè)計(jì)了可供豎索通過同時(shí)又能固定定位的萬向球鉸結(jié)構(gòu)，豎索能在三維空間上自由轉(zhuǎn)動(dòng)，一方面滿足了豎索傾斜75度的布置需求，另一方面在空間上確保豎索的直線度。橫向雙索交叉魚尾布置，在預(yù)應(yīng)力施加過程中容易帶動(dòng)橫索撐桿發(fā)生偏轉(zhuǎn)，現(xiàn)場(chǎng)采用兩臺(tái)全站儀監(jiān)測(cè)對(duì)撐桿的位置進(jìn)行及時(shí)糾偏，直至預(yù)應(yīng)力施加完畢。

　　在索結(jié)構(gòu)安裝完成后，對(duì)索桁架的整體穩(wěn)定性進(jìn)行了局部配重檢測(cè)。與此同時(shí)對(duì)索桁架的外形尺寸做精確測(cè)量，用測(cè)量數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)計(jì)算模型進(jìn)行合模。確保了異形立面整體尺寸精度，為玻璃面板的順利安裝打下基礎(chǔ)。

　　由于幕墻的支承結(jié)構(gòu)安裝精度高，各種連接節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)與加工到位。在連接節(jié)點(diǎn)和玻璃面板安裝時(shí)沒有遇到太大的困難。斜面玻璃在安裝時(shí)采用的是多組曲臂升降車、汽車吊、玻璃專用真空吸盤等智能安裝設(shè)備。(如圖5.3、4)在設(shè)計(jì)與施工過程中我多次到現(xiàn)場(chǎng)與設(shè)計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)施工安裝人員、現(xiàn)場(chǎng)管理人員進(jìn)行技術(shù)交流。確定關(guān)鍵點(diǎn)，及時(shí)解決施工過程中出現(xiàn)的問題，使這個(gè)具有超大難題的異形幕墻項(xiàng)目順利的完成(如圖5.5、6)。

　　6、 結(jié)束語

　　近年來，各種異型玻璃幕墻和雙曲面造型的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)，越來越多的應(yīng)用在國(guó)內(nèi)外大型建筑中。我們應(yīng)該看到，這些異型外圍護(hù)結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代建筑上的應(yīng)用確實(shí)能夠展示新材料、新工藝、新技術(shù)的蓬勃發(fā)展。在為建筑增彩的同時(shí)也給我們幕墻人帶來了思考。我們?nèi)绾文茉诖_保安全的情況下保證建筑物的美學(xué)效果;如何能在建筑師的啟發(fā)下使得建筑幕墻這個(gè)能展示建筑美學(xué)效果的媒介與每個(gè)建筑的個(gè)性融為一體。

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作者：王德勤

作者單位：北京德宏幕墻技術(shù)科研中心