1 前 言
大跨空間的幕墻結(jié)構(gòu)多見于大型博覽建筑、交通、文化、體育類建筑等，也常見于一些高層建筑的入口門廳或通高中庭。幕墻大跨空間的結(jié)構(gòu)體系多以鋼結(jié)構(gòu)為主，且常常直接暴露于人視覺范圍，因此在滿足結(jié)構(gòu)安全的前提下，結(jié)構(gòu)體系亦需滿足建筑的美感。在此類建筑設(shè)計(jì)中，幕墻設(shè)計(jì)扮演著非常重要的角色。幕墻結(jié)構(gòu)選型、構(gòu)造設(shè)計(jì)更是重中之重!對整個(gè)建筑表皮的效果起著關(guān)鍵性的控制作用。本文以典型的大跨空間幕墻——“中國西部國際博覽城”交通大廳18 58米玻璃幕墻系統(tǒng)設(shè)計(jì)為例，對此類大跨空間玻璃幕墻設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)選型、計(jì)算方法、設(shè)計(jì)要點(diǎn)、幕墻構(gòu)造進(jìn)行闡述，分析如何在保證結(jié)構(gòu)安全的前提下，實(shí)現(xiàn)大跨空間玻璃幕墻的通透性。
2 工程概況
中國西部國際博覽城位于成都市天府新區(qū)核心區(qū)，總建筑面積約57萬平米，其中幕墻面積約19萬平米，是目前我國中西部地區(qū)最大的博覽建筑。交通大廳靠主廣場一側(cè)的大跨空間玻璃幕墻系統(tǒng)為本項(xiàng)目幕墻設(shè)計(jì)重難點(diǎn)之一，空間豎向跨度最大58米，橫向主體結(jié)構(gòu)柱距約18米，建筑效果要求盡量通透，為建筑內(nèi)外空間的“對話”創(chuàng)造有利條件(圖1，2)。
圖1交通大廳大跨空間玻璃幕墻整體外視效果圖
圖2 交通大廳大跨空間玻璃幕墻豎剖效果圖
3 幕墻系統(tǒng)解析
3.1幕墻支撐鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
幕墻結(jié)構(gòu)利用主體結(jié)構(gòu)“梅花柱”的側(cè)向剛度，選擇“水平鋼桁架+豎向吊桿”體系。鋼桁架水平跨度約18米，豎向間距6米;幕墻水平荷載由水平鋼桁架承擔(dān)并傳遞給兩側(cè)的主體結(jié)構(gòu)柱(梅花柱)，幕墻體系不設(shè)置豎向抗風(fēng)柱;幕墻自重由前端吊桿承擔(dān)，后端設(shè)置平衡吊桿(圖3～7)。
圖3 交通大廳大跨空間玻璃幕墻支撐結(jié)構(gòu)叁維示意圖1
圖4 交通大廳大跨空間玻璃幕墻支撐結(jié)構(gòu)叁維示意圖2
圖5玻璃幕墻支撐結(jié)構(gòu)豎剖節(jié)點(diǎn)圖
圖6玻璃幕墻支撐結(jié)構(gòu)橫剖節(jié)點(diǎn)圖
圖7玻璃幕墻支撐結(jié)構(gòu)與土建柱連接橫剖節(jié)點(diǎn)圖
本項(xiàng)目幕墻支撐鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有以下四個(gè)技術(shù)難點(diǎn)：
(1)由于主體屋頂鋼網(wǎng)架在此部位懸挑較大，鋼網(wǎng)架在屋面荷載作用下會產(chǎn)生上、下擺動位移，給豎向拉桿造成不利影響(甚至被拉斷)，常規(guī)幕墻構(gòu)造無法適應(yīng)屋面的震顫效應(yīng)。因此需要在屋面網(wǎng)架與豎向拉桿的連接處設(shè)置彈簧(圖8)，以緩沖和補(bǔ)償豎向拉桿的內(nèi)力，保證幕墻結(jié)構(gòu)體系的安全。
(2)彈簧固定于屋面網(wǎng)架內(nèi)。由于屋面網(wǎng)架為弱邊界，受載后會產(chǎn)生一定的豎向位移，因此彈簧的根端應(yīng)再次設(shè)置彈簧支座模擬屋面網(wǎng)架的剛度。2組彈簧串聯(lián)進(jìn)行兩次迭代，給計(jì)算分析工作帶來不小的挑戰(zhàn)。
(3)水平桁架側(cè)向剛度較弱，前后端拉桿應(yīng)根據(jù)計(jì)算需要，設(shè)置一定的預(yù)張力，以保證結(jié)構(gòu)體系的穩(wěn)定。拉桿預(yù)張力和彈簧剛度應(yīng)進(jìn)行反復(fù)試算，保證在各種工況下，拉桿不應(yīng)受壓失穩(wěn)。
(4)由于預(yù)應(yīng)力拉桿的邊界相對較弱，在施工過程中有預(yù)應(yīng)力損失，因此應(yīng)進(jìn)行施工過程模擬分析。
圖8玻璃幕墻支撐結(jié)構(gòu)頂部彈簧構(gòu)造節(jié)點(diǎn)圖
3.2幕墻構(gòu)造節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)
玻璃面板采用超白中空鋼化夾膠叁銀LOW-E玻璃，面板分格1.8(寬) 3米(高)，板塊采用豎向T形鋁合金立柱（詞條“立柱”由行業(yè)大百科提供）、無橫梁的固定方式;水平荷載由豎向T形鋁合金立柱承擔(dān)，玻璃面板的自重荷載由設(shè)置在T形立柱位置的高強(qiáng)度鋁合金托板承擔(dān)。玻璃面板橫向無龍骨，為避免全隱框構(gòu)造僅依靠硅酮結(jié)構(gòu)膠（詞條“硅酮結(jié)構(gòu)膠”由行業(yè)大百科提供）受力問題，本項(xiàng)目在玻璃“十字縫”位置設(shè)置85 85mm的不銹鋼夾板作為二次安全富余度考慮，充分保證了幕墻體系的安全性及通透性(圖9～11)。
圖9玻璃幕墻典型大樣圖
圖10玻璃幕墻標(biāo)準(zhǔn)橫剖節(jié)點(diǎn)圖
圖11玻璃幕墻標(biāo)準(zhǔn)豎剖節(jié)點(diǎn)圖
4 幕墻荷載計(jì)算及組合
幕墻主要考慮以下荷載工況及組合：
4.1 恒載
恒荷載包括幕墻結(jié)構(gòu)體系及玻璃及其附屬構(gòu)件等的自重，玻璃采用10+12A+(8+1.52PVB+8mm)中空夾膠鋼化玻璃。由于玻璃自重構(gòu)成的面荷載標(biāo)準(zhǔn)值約為0.67kN/m2，考慮到其它附屬構(gòu)件，取玻璃幕墻自重面荷載標(biāo)準(zhǔn)值取0.847kN/m2(鋼結(jié)構(gòu)自重由軟件自動加載)。
4.2 風(fēng)荷載
風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值Wk= 該結(jié)構(gòu)所處地區(qū)地面粗糙度類別為B類，基本風(fēng)壓W0=0.3kN/m2，陣風(fēng)系數(shù)、風(fēng)荷載局部體型系數(shù)、風(fēng)壓高度變化系數(shù)按照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范（詞條“建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范”由行業(yè)大百科提供）》(GB50009-2012)取值。
4.3 溫度作用
溫度作用分別按照升溫30℃、降溫30℃考慮(注：拉索（詞條“拉索”由行業(yè)大百科提供）張拉時(shí)環(huán)境溫度按15度考慮)。
4.4 地震作用
所處地區(qū)抗震設(shè)防烈度7度，設(shè)計(jì)基本加速度取0.10g，設(shè)計(jì)地震分組為第叁組。依據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011-2010)計(jì)算，考慮水平地震荷載（詞條“地震荷載”由行業(yè)大百科提供）作用，水平地震為非控制可變荷載。
4.5 荷載組合
a 承載能力極限狀態(tài)
工況1：1.2×預(yù)+1.35×恒+1.4×0.6×風(fēng)(+)+1.4×0.6×溫(-)+1.3×0.5×地震(+);
工況2：1.2×預(yù)+1.35×恒+1.4×0.6×風(fēng)(-)+1.4×0.6×溫(-)+1.3×0.5×地震(-);
工況3：1.2×預(yù)+1.2×恒+1.4×風(fēng)(+)+1.4×0.6×溫(-)+1.3×0.5×地震(+);
工況4：1.2×預(yù)+1.2×恒+1.4×風(fēng)(-)+1.4×0.6×溫(-)+1.3×0.5×地震(-);
工況5：1.2×預(yù)+1.2×恒+1.4×溫(-)+1.4×0.6×風(fēng)(+)+1.3×0.5×地震(+);
工況6：1.2×預(yù)+1.2×恒+1.4×溫(-)+1.4×0.6×風(fēng)(-)+1.3×0.5×地震(-);
工況7：1.2 預(yù)+1.2 恒+1.4 風(fēng)(+)+1.4* 0.6 溫(+)+1.3* 0.5 地震(+);
工況8：1.2 預(yù)+1.2 恒+1.4 風(fēng)(-)+1.4* 0.6 溫(+)+1.3* 0.5 地震(-);
工況9：1.2 預(yù)+1.2 恒+1.4 溫(+)+1.4* 0.6 風(fēng)(+)+1.3* 0.5 地震(+);
工況10：1.2 預(yù)+1.2 恒+1.4 溫(+)+1.4* 0.6 風(fēng)(-)+1.3* 0.5 地震(-)
b正常使用極限狀態(tài)
位移工況1：1.0×預(yù)+1.0×恒;
位移工況2：1.0×預(yù)+1.0×恒+1.0×風(fēng)(+)+0.6×溫(+)+0.5×地震(+);
位移工況3：1.0×預(yù)+1.0×恒+1.0×風(fēng)(-)+0.6×溫(+)+0.5×地震(-);
位移工況4：1.0×預(yù)+1.0×恒+1.0×溫(+)+0.6×風(fēng)(+)+0.5×地震(+);
位移工況5：1.0×預(yù)+1.0×恒+1.0×溫(+)+0.6×風(fēng)(-)+0.5×地震(-);
(注：預(yù)指預(yù)應(yīng)力，恒為恒載，風(fēng)(+)指正風(fēng)壓所產(chǎn)生的風(fēng)荷載作用，溫(-)指降溫對結(jié)構(gòu)的作用，其余類推)。
此外，在預(yù)應(yīng)力作用下，分別建立了恒載、正風(fēng)壓、負(fù)風(fēng)壓、升溫及降溫等獨(dú)立的荷載工況(均為荷載標(biāo)準(zhǔn)值);并分別考慮了承載能力極限狀態(tài)下各種荷載組合的包絡(luò)組合，以及正常使用極限狀態(tài)下各種荷載組合的包絡(luò)組合。任何工況組合下，均不得使預(yù)應(yīng)力拉桿的內(nèi)力為零或者受壓而煺出工作，進(jìn)而使水平鋼桁架失穩(wěn)。另外，豎向拉桿的頂端支座應(yīng)充分考慮對屋頂鋼結(jié)構(gòu)變形位移的模擬。
5 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析
5.1 結(jié)構(gòu)承載力驗(yàn)算
經(jīng)計(jì)算分析，鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果詳見圖12,13。
圖12水平鋼桁架應(yīng)力云圖
圖13水平鋼桁架承載力計(jì)算結(jié)果匯總
不銹鋼吊桿最小軸力計(jì)算結(jié)果詳見圖14～17。
圖14Φ36承重吊桿(高區(qū))最小軸力圖
圖15Φ30承重吊桿(低區(qū))最小軸力圖
圖16Φ27平衡吊桿最小軸力圖
圖17吊桿最小軸力值匯總
不銹鋼吊桿最大軸力計(jì)算結(jié)果詳見圖18～21。
圖18Φ36承重吊桿(高區(qū))最大軸力圖
圖19Φ30承重吊桿(低區(qū))最大軸力圖
<
圖20Φ27平衡吊桿最大軸力圖
圖21吊桿最大軸力值匯總
不銹鋼吊桿施工模擬分析，計(jì)算結(jié)果詳見圖22～25。
圖22Φ36承重吊桿張拉完成后的軸力圖
圖23Φ30承重吊桿張拉完成后的軸力圖
圖24Φ27平衡吊桿張拉完成后的軸力圖
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圖25吊桿張拉完成后軸力值匯總
5.2 結(jié)構(gòu)剛度驗(yàn)算
經(jīng)計(jì)算分析，鋼結(jié)構(gòu)位移計(jì)算結(jié)果詳見圖26,27。
圖26鋼結(jié)構(gòu)位移圖
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圖27 鋼結(jié)構(gòu)位移結(jié)果匯總
6 項(xiàng)目竣工實(shí)景展示
圖28 玻璃幕墻實(shí)景1
圖29 玻璃幕墻實(shí)景2
圖30 玻璃幕墻實(shí)景3
圖31 玻璃幕墻實(shí)景4
圖32 玻璃幕墻實(shí)景5
圖33 玻璃幕墻實(shí)景6
圖34 玻璃幕墻實(shí)景7
7 結(jié)語
中國西部國際博覽城大跨空間玻璃幕墻工程，充分實(shí)現(xiàn)了大跨空間幕墻的通透性，項(xiàng)目于2016年7月投入使用，達(dá)到了預(yù)期的建筑效果。對于此類幕墻工程的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、幕墻構(gòu)造設(shè)計(jì)均應(yīng)立足項(xiàng)目本身，綜合考慮建筑效果、主體結(jié)構(gòu)條件、工程造價(jià)、社會影響力等因素，確定幕墻結(jié)構(gòu)形式和構(gòu)造。同時(shí)，幕墻設(shè)計(jì)工作盡早介入，加強(qiáng)和建筑、結(jié)構(gòu)等專業(yè)的協(xié)作。幕墻表皮是實(shí)現(xiàn)“建筑之美”的關(guān)鍵要素，各設(shè)計(jì)專業(yè)應(yīng)團(tuán)隊(duì)協(xié)作、合理分析，堅(jiān)持大膽創(chuàng)新與扎實(shí)工作相結(jié)合的工作態(tài)度，是實(shí)現(xiàn)精品幕墻工程設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。本工程大跨空間玻璃幕墻的成功實(shí)現(xiàn)，正是這種設(shè)計(jì)方法與工作態(tài)度的體現(xiàn)。
[參考文獻(xiàn)]
[1]中國建筑科學(xué)研究院.建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范GB 50009-2012[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社. 2012
[2]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)GB 50017-2017[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社. 2017
[3]中國建筑科學(xué)研究院.索結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程JGJ 257-2012[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社. 2012
