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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。項目在幕墻的設計、施工到管理的全生命周期，均采用BIM技術，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，結合本項目設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構的玻璃幕墻設計思路和方案進行了剖析，以供廣大幕墻行業(yè)內(nèi)的工程技術人員探討或借鑒。
關鍵詞：幕墻設計，大跨度，鋼立柱，玻璃肋，組合結構，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，幕墻形式和結構體系不斷創(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，本文結合前海國際會議中心項目立面幕墻構造特點，詳細介紹了一種鋼立柱與玻璃肋組合結構的玻璃幕墻系統(tǒng)，以期對廣大行業(yè)內(nèi)技術人員有所裨益。
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。”
其建筑設計靈感取自嶺南傳統(tǒng)建筑形態(tài)，將“薄紗”作為設計理念，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構的玻璃幕墻系統(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構玻璃幕墻設計
立面玻璃幕墻是建筑的立面周圈圍護結構，建筑設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、不設置橫梁是幕墻設計的難點之一，要兼顧簡潔的幕墻效果，同時滿足幕墻結構的安全;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，通過科學的結構計算和合理的節(jié)點設計，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構玻璃幕墻節(jié)點詳圖
設計方案中，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構的幕墻系統(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：一是支承結構部分，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構梁。面板(鋼化中空玻璃)承受的風荷載、地震荷載由結構膠傳遞給玻璃肋，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構梁。
3.4面板設計
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支承結構設計
考慮單一玻璃肋要滿足跨層13m的結構受力要求，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，幕墻設計把玻璃肋和鋼板立柱結合起來，設計出新型的鋼立柱與玻璃肋組合結構形式，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構示意圖
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構，玻璃肋可以適當分段，每段玻璃肋和鋼立柱之間設置兩顆銷軸固定。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，從而增加了整個結構體系的安全性。
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造，鋼立柱豎向位移量包括主體結構的層間壓縮量，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，主體結構層間變形量：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)玻璃肋是單肋設計，依據(jù)《玻璃幕墻工程技術規(guī)范（詞條“玻璃幕墻工程技術規(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，騎縫式設計增加了硅酮結構膠的寬度，面板所受荷載通過結構膠傳遞到組合立柱;
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縫打結構膠，保證玻璃伸縮即可，更加簡潔透明。
4 、結語
隨著建筑行業(yè)的高速發(fā)展，作為建筑外圍護結構的幕墻產(chǎn)品在功能、結構、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，綜合考慮其建筑設計風格、建筑設計思想和整體性，通過精心設計，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構體系，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計及構造進行了詳細的經(jīng)驗分析，希望給大家?guī)硪恍﹨⒖純r值。
參考文獻
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[5] 民用建筑設計統(tǒng)一標準(GB 50352-2019)
作者單位：深圳市方大建科集團有限公司
