奇妙de玻璃预应力——打造折叠状弧形斜面玻璃幕墙

楼市 2024-10-30 16:07 北京

提要：本文所介绍的是一种异型预应力空间索结构支承的折线斜面玻璃幕墙。其特点是，索结构支承的连续折叠成锯齿状的斜面点式玻璃幕墙，墙面倾角达75°。支承结构采用索杆混合体系。由于结构立面排布既有倾斜又有转折，平面整体既有圆弧也有锯齿，结构设计复杂、施工难度极大。
在本文内容中，重点介绍了玻璃面板之间的关键连接节点技术和该玻璃幕墙的支承系统，预应力鱼尾式双层不对称索结构的相关技术，并对设计与施工的难点和关键点进行了解析。

关键词：锯齿状折线斜面玻璃幕墙，空间索结构，鱼尾式双层不对称索结构。

1、引言

　　当今的建筑造型已经呈现多元化的发展方向，建筑设计已不满足于中规中矩的建筑形式，许多大型和超大型的极富视觉冲击力的建筑越来越多的呈现在我们面前。建筑的外围护，包括幕墙和屋面部分的外饰层能很好地作为建筑设计思想的载体，展示着建筑艺术的魅力。异形空间索结构支承点支式玻璃幕墙体系，在实现建筑空间造型中起到重要的作用，已经在多个项目中大范围的得到应用，特别是对异形立面能够完美实现其空间效果，包括双曲面、自由曲面、折叠锯齿形状、斜面幕墙等。空间索结构支承系统以他灵活多变的造型能力越来越多的应用在国内外大型重要建筑中。(图1.1)

　　近年来，由于建筑幕墙的设计方法和技术手段有了不断提高，BIM技术和计算机三维设计软件的应用，已经完全可以满足异形建筑外围护的造型设计需要。特别是各种支承结构和构造形式在建筑幕墙中的应用使得建筑幕墙这个能表达建筑艺术魅力的媒介更加灵活，充满活力。

　　如何更好的实现建筑创意，在将建筑的语言表达的更加透彻的同时，还能保证幕墙的各项物理指标和使用性能，这已经是许多幕墙公司和幕墙设计师们必须面临的问题。

2、特殊造型的锯齿状弧形斜面玻璃幕墙

　　利用玻璃与玻璃之间形成的夹角，90至130度形成的多个玻璃面的光线反射和透视变化变化的效果，使得玻璃幕墙建筑效果得到大幅度的提升。大大增加了视觉冲击力，建筑立面产生了强烈的节奏感。(图2.1~2.2)

　　在项目中，玻璃幕墙面为折线的曲面外维护。在建筑中有两个区域。一个是不透明的，是在玻璃与室内空间之间有一层结构墙体，将内外分割，使得内外的视线阻隔，形成一种特殊的视觉效果。另一个是透明通透的，是用高透明的超白玻璃做的外围护结构，以轻盈、造型美观的空间预应力索结构作为支承结构的玻璃幕墙。

3、索结构方案选型设计解析

　　为了在更好地实现建筑效果的同时，能有效地实现建筑外维护的功能，确保各项物理性能指标的实现。我在通透的部位采用了构造新颖、造型美观的水平布置鱼尾式双层预应力索结构点支式玻璃幕墙;在非通透的部位，利用中部的主体结构墙布置了水平支撑杆。以此来承受幕墙的水平荷载(风荷载)，使这部分的玻璃幕墙支撑结构做到了极简的形式;在幕墙的面内，用一根直径12mm的竖向拉杆解决了幕墙结构受力体系的稳定性。

　　在这里值得一提的是，原建筑设计方案在通透的玻璃幕墙部位，幕墙结构所采用的是水平钢三角桁架分段布置，角部各布置3根竖索组成的竖向索桁架作为支承结构体。由于竖索跨度大导致拉索对主体结构梁的支座反力大，且存在室内观感较差以及工程造价高等一系列问题。因此对玻璃幕墙的支承结构进行优化设计。最初的方案是竖向单索加横向单索的结构形式和横向鱼腹双索加竖向单索的结构形式。(如图3.1~3.2)

　　上面两种方案在进行结构可行性受力分析时，其稳定性与支座反力均不能满足结构设计要求。

　　由于当时工期很紧，施工现场已经开始了主体支撑结构的制作安装。在这种情况下，我亲自到现场观察了已经完成的结构情况。根据实际完成的主体结构支点构造，在现场勾画了玻璃幕墙支承结构的草图，初步确定了这片具有挑战性和异形玻璃幕墙开创性的“锯齿形状斜面点式玻璃幕墙”的索结构支承方案。(如图3.3.a~3.3.c)

　　接下来就是对这种非常具有挑战性的空间索结构进行结构稳定性、可行性方面的分析。通过整体建模分析，在通透的部位(透视区)选择横向双层索系加竖向单索方案。而横向双索形式确定为水平不对称鱼尾双层索体系。该体系方案的优点是，在室内空间占比较小、索桁架自身平面外稳定性好、对边缘支承结构的支座反力较小，结构体型简洁明快，装饰效果好。该方案，能同时解决抵抗水平荷载和由竖向斜面引起的自重分力竖向荷载。

　　此项方案，经严格的整体建模计算，对其稳定性和节点受力给出了明确的技术指标。最终采用竖向φ16单索主要承担玻璃面板的重力荷载;结构柱间设置水平鱼尾φ22双索(如图3.4.b)支承，来抵抗水平风荷载及地震荷载，空间扭转力矩由水平向φ14稳定拉杆承担，通过组合索结构体系完全满足了设计要求。

　　在非通透部位(非透视区)的玻璃幕墙也同样是不均匀的弧形曲面的斜玻璃幕墙，倾斜角度在80至90度之间。由于这样的外立面要求对玻璃幕墙的支承体系和整体传力系统的设计提出了更高的要求。

　　在非透明区域的设计中，最终采用竖向φ16单索主要承担幕墙的重力荷载，在玻璃节点处与结构构造墙之间设置水平∅89×6mm的支撑杆，以此来抵抗水平荷载及地震作用。在玻璃面板内侧设置φ14mm的水平向稳定拉杆。建立非透明区域结构计算模型，对其进行各种荷载的受力计算。(如图3.4a~c)

　　在该项目中，由于面面板玻璃的体型所限，索结构支撑体系要能有效的工作，这就要求在正负风压的作用下，双层索系中的索力变化是可控的。与此同时，玻璃幕墙的平面外变形应控制在规范的要求1/200

　　在常规的预应力索结构设计中，双层索系最好是对称布置(如鱼腹式、鱼尾式索桁架)。这样布置方法最大的好处是在受到正风压或负风压作用时，其平面外的变形是均衡的。在方向相反的两个水平荷载作用时，其幕墙平面外的变形的绝对值也是一致的。这样对连接玻璃与结构之间的连接节点的适应影响能力无需进行特殊的考虑。

　　但该项目由于条件所限，又要实现双层索结构的简洁支承，支撑结构体型就会出现前后两根受力所的布置体型不对称的现象(如图3.5~3.8)这样就会出现在玻璃面板受平面外荷载的作用下，正负压所给予预应力索结构的前索和后索受力不均。这将引起索结构两端部的支撑杆产生不相同的应力。

　　在实际工程中，如不能充分考虑到这种情况，可能会出现在受到较大荷载冲击时，在撑杆上出现永久变。这将会对幕墙的面板和支撑结构都会产生安全性的影响。在充分分析了该预应力索结构支撑体系的受力状态和体型特点后，利用有限元计算软件作进一步分析。用增加受力部位的安全储备来适应该异形玻璃幕墙的抗风压变形的安全度;加强支撑杆件的刚度和节点的连接强度，使之有足够的安全储备能力来解决这一难题。

　　由于本工程的预应力空间索结构体型复杂，前期设计无风洞实验数据，因此对风荷载安全系数适当放大是必要且合理的。经综合评估决定将风荷载安全系数提高1.3倍进行受力分析。

　　经过有限元软件计算模拟，直径为22mm的索内最大轴力为150.074kN;直径为16mm索内的最大轴力为76.899kN;直径为14mm的拉杆最大轴力为48.634kN，均满足强度设计要求。在该提高承载力安全储备的设计工况下，索结构体系依然满足安全需求，不会出现局部或整体失稳损坏。

4、连接节点方案设计及工作原理分析

　　在折线玻璃之间的连接节点设计时，我们结合该项目的特点，在保证斜面锯齿状玻璃幕墙面板外形要求的同时，要确保玻璃幕墙各项物理性能的实现。

　　这种具有挑战性的节点设计，是在充分考虑了其特殊性和幕墙工作状态时受力变化的情况下进行的。使玻璃连接节点在工作状态下既能固定、连接玻璃面板，又能利用其可转动和可变位构造来消除各种不利的应力。以此来确保这种异形外围护结构的整体安全性。

　　在锯齿状折线玻璃的连续阴阳角部位，结合短边玻璃的尺寸在节点设计时采用了可变的双头连接节点。(如图4.1)这种节点既能适应玻璃之间角度的变化，又能满足上下斜面玻璃之间的连接。

　　由于该项目从幕墙的支承结构到玻璃面板的外形固定，都是非常具有挑战性的设计。所以，我们要在安全的大标题下，多设想一些不利因素来推演其安全性能。假设局部横索退出工作或存在不平衡外荷载时，节点仍然可有效传递荷载。

　　利用有限元分析软件进行计算模拟分析两种不同工况，一种为正常使用承载力极限状态分析，另一种为考虑一侧拉索失效或受力不均匀极端承载力工况分析。通过两种工况分析结果对比可知，由于圆管牛腿尺寸大，外侧布置起加劲肋作用封口板(如图4.2)，因此局部强度会成为结构的控制指标，牛腿根部的应力相对较小。有很大的安全储备。

5、索结构的安装精度控制方法解析

　　预应力的形成对索结构的刚度具有重要影响，在索结构内施加预应力是施工的重要环节。索结构施工过程应与设计考虑的荷载工况一致，在施工工作中，现场施工数据与设计数据全程进行核对，采用专有设备对拉索安装时的垂度、拱度偏差、索力变化、结构变形进行实时观测。

　　该工程项目的预应力索结构在安装时施加预应力的难点在透明区域的鱼尾双索支承体系;由于这部分索桁架为非对称索，双索的内应力不同。随着索内应力的变化索桁架的体型也会产生变化。所以对这部分索结构的初始预应力精度要求极高。现场采用了索力测力仪器和液压指标双向控制(如图5.1、2)

　　在施工阶段首先采用BIM技术对这一区域做整体模型对施工阶段的多个工况进行模拟。确保索结构内力和平衡位置均能实现理想的建筑外形。索结构在初始状态的平衡位置，是实现幕墙设计形态的关键问题。通过监测索结构目标点，与计算模型位置坐标进行对比分析，适当调整索预应力大小，以满足建筑外观设计要求。

　　索结构的状态一般定义为三种。零状态是指无预应力、自重及外部荷载的索构件。初始状态是指结构在预应力、自重作用下的平衡状态。工作状态是指结构在外部荷载作用下所达到的平衡状态。在索结构的施工过程中主要是对前两种进行控制和实现，往往是在预应力形成中设置多种工况，将实际预应力指标与设计给出的设计指标相对应，同时对索桁架的外形进行尺寸控制。(如图5.2)

　　该项目的索结构安装顺序按照先竖索后横索的进行，竖索除了需要连接两端的耳板外还需要通过6个支撑杆，通过在索支撑杆内部设计了可供竖索通过同时又能固定定位的万向球铰结构，竖索能在三维空间上自由转动，一方面满足了竖索倾斜75度的布置需求，另一方面在空间上确保竖索的直线度。横向双索交叉鱼尾布置，在预应力施加过程中容易带动横索撑杆发生偏转，现场采用两台全站仪监测对撑杆的位置进行及时纠偏，直至预应力施加完毕。

　　在索结构安装完成后，对索桁架的整体稳定性进行了局部配重检测。与此同时对索桁架的外形尺寸做精确测量，用测量数据与设计计算模型进行合模。确保了异形立面整体尺寸精度，为玻璃面板的顺利安装打下基础。

　　由于幕墙的支承结构安装精度高，各种连接节点的设计与加工到位。在连接节点和玻璃面板安装时没有遇到太大的困难。斜面玻璃在安装时采用的是多组曲臂升降车、汽车吊、玻璃专用真空吸盘等智能安装设备。(如图5.3、4)在设计与施工过程中我多次到现场与设计、现场施工安装人员、现场管理人员进行技术交流。确定关键点，及时解决施工过程中出现的问题，使这个具有超大难题的异形幕墙项目顺利的完成(如图5.5、6)。

6、结束语

　　近年来，各种异型玻璃幕墙和双曲面造型的外围护结构，越来越多的应用在国内外大型建筑中。我们应该看到，这些异型外围护结构在现代建筑上的应用确实能够展示新材料、新工艺、新技术的蓬勃发展。在为建筑增彩的同时也给我们幕墙人带来了思考。我们如何能在确保安全的情况下保证建筑物的美学效果;如何能在建筑师的启发下使得建筑幕墙这个能展示建筑美学效果的媒介与每个建筑的个性融为一体。

参考文献

[1] 王德勤，双层索结构支承在玻璃幕墙的应用分析，《建筑幕墙》，2022年，第1期

[2] 《索结构技术规程》，中华人民共和国行业标准, JGJ 257-2012

[3] 王启兵，南昌市民中心-锯齿状斜拉索杆混合结构点支式玻璃幕墙的创新，《幕墙设计》，2020年，第5期

[4] 王德勤，点支式弧形玻璃幕墙设计与施工技术，《2010年全国铝门窗幕墙行业论文集》

作者：王德勤

作者单位：北京德宏幕墙技术科研中心

来源：2024论文集

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