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提要：本文所介紹的是一種異型預應力空間索結構支承的折線斜面玻璃幕墻。其特點是，索結構支承的連續折疊成鋸齒狀的斜面點式玻璃幕墻，墻面傾角達75°。支承結構采用索桿混合體系。由于結構立面排布既有傾斜又有轉折，平面整體既有圓弧也有鋸齒。結構設計復雜、施工難度極大。在本文內容中，重點介紹了玻璃面板之間的關鍵連接節點技術和該玻璃幕墻的支承系統，預應力魚尾式雙層不對稱索結構的相關技術，并對設計與施工的難點和關鍵點進行了解析。
關鍵詞：鋸齒狀折線斜面玻璃幕墻，空間索結構，魚尾式雙層不對稱索結構。
1、引言
當今的建筑造型已經呈現多元化的發展方向，建筑設計已不滿足于中規中矩的建筑形式，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在我們面前。 建筑的外圍護，包括幕墻和屋面部分的外飾層能很好地作為建筑設計思想的載體，展示著建筑藝術的魅力。異形空間索結構支承點支式玻璃幕墻體系，在實現建筑空間造型中起到重要的作用，已經在多個項目中大范圍的得到應用，特別是對異形立面能夠完美實現其空間效果，包括雙曲面、自由曲面、折疊鋸齒形狀、斜面幕墻等。空間索結構支承系統以他靈活多變的造型能力越來越多的應用在國內外大型重要建筑中。(圖1.1)
近年來，由于建筑幕墻的設計方法和技術手段有了不斷提高，BIM技術和計算機三維設計軟件的應用，已經完全可以滿足異形建筑外圍護的造型設計需要。 特別是各種支承結構和構造形式在建筑幕墻中的應用使得建筑幕墻這個能表達建筑藝術魅力的媒介更加靈活，充滿活力。
如何更好的實現建筑創意，在將建筑的語言表達的更加透徹的同時，還能保證幕墻的各項物理指標和使用性能，這已經是許多幕墻公司和幕墻設計師（詞條“幕墻設計師”由行業大百科提供）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，建筑立面產生了強烈的節奏感。(圖2.1~2.2)
在項目中，玻璃幕墻面為折線的曲面外維護。在建筑中有兩個區域。一個是不透明的，是在玻璃與室內空間之間有一層結構墻體，將內外分割，使得內外的視線阻隔，形成一種特殊的視覺效果。另一個是透明通透的，是用高透明的超白玻璃做的外圍護結構，以輕盈、造型美觀的空間預應力索結構作為支承結構的玻璃幕墻。
3、索結構方案選型設計解析
為了在更好地實現建筑效果的同時，能有效地實現建筑外維護的功能，確保各項物理性能指標的實現。我在通透的部位采用了構造新穎、造型美觀的水平布置魚尾式雙層預應力索結構點支式玻璃幕墻;在非通透的部位，利用中部的主體結構墻布置了水平支撐桿。以此來承受幕墻的水平荷載(風荷載)，使這部分的玻璃幕墻支撐結構做到了極簡的形式;在幕墻的面內，用一根直徑12mm的豎向拉桿解決了幕墻結構受力體系的穩定性。
在這里值得一提的是，原建筑設計方案在通透的玻璃幕墻部位，幕墻結構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構體。由于豎索跨度大導致拉索對主體結構梁的支座反力（詞條“支座反力”由行業大百科提供）大，且存在室內觀感較差以及工程造價高等一系列問題。因此對玻璃幕墻的支承結構進行優化設計。最初的方案是豎向單索加橫向單索的結構形式和橫向魚腹雙索加豎向單索的結構形式。(如圖3.1~3.2)
上面兩種方案在進行結構可行性受力分析時，其穩定性與支座反力均不能滿足結構設計要求。
由于當時工期很緊，施工現場已經開始了主體支撐結構的制作安裝。在這種情況下，我親自到現場觀察了已經完成的結構情況。根據實際完成的主體結構支點構造，在現場勾畫了玻璃幕墻支承結構的草圖，初步確定了這片具有挑戰性和異形玻璃幕墻開創性的“鋸齒形狀斜面點式玻璃幕墻”的索結構支承方案。(如圖3.3.a~3.3.c)
接下來就是對這種非常具有挑戰性的空間索結構進行結構穩定性、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)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稱魚尾雙層索體系。該體系方案的優點是，在室內空間占比較小、索桁架自身平面外穩定性好、對邊緣支承結構的支座反力較小，結構體型簡潔明快，裝飾效果好。該方案，能同時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。
此項方案，經嚴格的整體建模計算，對其穩定性和節點受力給出了明確的技術指標。最終采用豎向φ16單索主要承擔玻璃面板的重力荷載;結構柱間設置水平魚尾φ22雙索(如圖3.4.b)支承，來抵抗水平風荷載及地震荷載，空間扭轉力矩由水平向φ14穩定拉桿承擔，通過組合索結構體系完全滿足了設計要求。
在非通透部位(非透視區)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玻璃幕墻的支承體系和整體傳力系統的設計提出了更高的要求。
在非透明區域的設計中，最終采用豎向φ16單索主要承擔幕墻的重力荷載，在玻璃節點處與結構構造墻之間設置水平∅89×6mm的支撐桿，以此來抵抗水平荷載及地震作用。在玻璃面板內側設置φ14mm的水平向穩定拉桿。建立非透明區域結構計算模型，對其進行各種荷載的受力計算。(如圖3.4a~c)
在該項目中，由于面面板玻璃的體型所限，索結構支撐體系要能有效的工作，這就要求在正負風壓的作用下，雙層索系中的索力變化是可控的。與此同時，玻璃幕墻的平面外變形應控制在規范的要求1/200
在常規的預應力索結構設計中，雙層索系最好是對稱布置(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壓或負風壓作用時，其平面外的變形是均衡的。在方向相反的兩個水平荷載作用時，其幕墻平面外的變形的絕對值也是一致的。這樣對連接玻璃與結構之間的連接節點的適應影響能力無需進行特殊的考慮。
但該項目由于條件所限，又要實現雙層索結構的簡潔支承，支撐結構體型就會出現前后兩根受力所的布置體型不對稱的現象(如圖3.5~3.8)這樣就會出現在玻璃面板受平面外荷載的作用下，正負壓所給予預應力索結構的前索和后索受力不均。這將引起索結構兩端部的支撐桿產生不相同的應力。
在實際工程中，如不能充分考慮到這種情況，可能會出現在受到較大荷載沖擊時，在撐桿上出現永久變。這將會對幕墻的面板和支撐結構都會產生安全性的影響。在充分分析了該預應力索結構支撐體系的受力狀態和體型特點后，利用有限元（詞條“有限元”由行業大百科提供）計算軟件作進一步分析。用增加受力部位的安全儲備來適應該異形玻璃幕墻的抗風壓變形的安全度;加強支撐桿件的剛度和節點的連接強度，使之有足夠的安全儲備能力來解決這一難題。
由于本工程的預應力空間索結構體型復雜，前期設計無風洞實驗數據，因此對風荷載安全系數適當放大是必要且合理的。經綜合評估決定將風荷載安全系數提高1.3倍進行受力分析。
經過有限元軟件計算模擬，直徑為22mm的索內最大軸力為150.074kN;直徑為16mm索內的最大軸力為76.899kN;直徑為14mm的拉桿最大軸力為48.634kN，均滿足強度設計要求。在該提高承載力安全儲備的設計工況下，索結構體系依然滿足安全需求，不會出現局部或整體失穩損壞。
4、連接節點方案設計及工作原理分析
在折線玻璃之間的連接節點設計時，我們結合該項目的特點，在保證斜面鋸齒狀玻璃幕墻面板外形要求的同時，要確保玻璃幕墻各項物理性能的實現。
這種具有挑戰性的節點設計，是在充分考慮了其特殊性和幕墻工作狀態時受力變化的情況下進行的。使玻璃連接節點在工作狀態下既能固定、連接玻璃面板，又能利用其可轉動和可變位構造來消除各種不利的應力。以此來確保這種異形外圍護結構的整體安全性。
在鋸齒狀折線玻璃的連續陰陽角（詞條“陰陽角”由行業大百科提供）部位，結合短邊玻璃的尺寸在節點設計時采用了可變的雙頭連接節點。(如圖4.1)這種節點既能適應玻璃之間角度的變化，又能滿足上下斜面玻璃之間的連接。
由于該項目從幕墻的支承結構到玻璃面板的外形固定，都是非常具有挑戰性的設計。所以，我們要在安全的大標題下，多設想一些不利因素來推演其安全性能。假設局部橫索退出工作或存在不平衡外荷載時，節點仍然可有效傳遞荷載。
利用有限元分析軟件進行計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分析，另一種為考慮一側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果對比可知，由于圓管牛腿尺寸大，外側布置起加勁肋作用封口板(如圖4.2)，因此局部強度會成為結構的控制指標，牛腿根部的應力相對較小。有很大的安全儲備。
5、索結構的安裝精度控制方法解析
預應力的形成對索結構的剛度具有重要影響，在索結構內施加預應力是施工的重要環節。索結構施工過程應與設計考慮的荷載工況一致，在施工工作中，現場施工數據與設計數據全程進行核對，采用專有設備對拉索安裝時的垂度、拱度偏差、索力變化、結構變形進行實時觀測。
該工程項目的預應力索結構在安裝時施加預應力的難點在透明區域的魚尾雙索支承體系;由于這部分索桁架為非對稱索，雙索的內應力不同。隨著索內應力的變化索桁架的體型也會產生變化。所以對這部分索結構的初始預應力精度要求極高。現場采用了索力測力儀器和液壓指標雙向控制(如圖5.1、2)
在施工階段首先采用BIM技術對這一區域做整體模型對施工階段的多個工況進行模擬。確保索結構內力和平衡位置均能實現理想的建筑外形。索結構在初始狀態的平衡位置，是實現幕墻設計形態的關鍵問題。通過監測索結構目標點，與計算模型位置坐標進行對比分析，適當調整索預應力大小，以滿足建筑外觀設計要求。
索結構的狀態一般定義為三種。零狀態是指無預應力、自重及外部荷載的索構件。初始狀態是指結構在預應力、自重作用下的平衡狀態。工作狀態是指結構在外部荷載作用下所達到的平衡狀態。在索結構的施工過程中主要是對前兩種進行控制和實現，往往是在預應力形成中設置多種工況，將實際預應力指標與設計給出的設計指標相對應，同時對索桁架的外形進行尺寸控制。(如圖5.2)
該項目的索結構安裝順序按照先豎索后橫索的進行，豎索除了需要連接兩端的耳板外還需要通過6個支撐桿，通過在索支撐桿內部設計了可供豎索通過同時又能固定定位的萬向球鉸結構，豎索能在三維空間上自由轉動，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，在預應力施加過程中容易帶動橫索撐桿發生偏轉，現場采用兩臺全站儀監測對撐桿的位置進行及時糾偏，直至預應力施加完畢。
在索結構安裝完成后，對索桁架的整體穩定性進行了局部配重檢測。與此同時對索桁架的外形尺寸做精確測量，用測量數據與設計計算模型進行合模。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。
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由于幕墻的支承結構安裝精度高，各種連接節點的設計與加工到位。在連接節點和玻璃面板安裝時沒有遇到太大的困難。斜面玻璃在安裝時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備。(如圖5.3、4)在設計與施工過程中我多次到現場與設計、現場施工安裝人員、現場管理人員進行技術交流。確定關鍵點，及時解決施工過程中出現的問題，使這個具有超大難題的異形幕墻項目順利的完成(如圖5.5、6)。
6、 結束語
近年來，各種異型玻璃幕墻和雙曲面造型的外圍護結構，越來越多的應用在國內外大型建筑中。我們應該看到，這些異型外圍護結構在現代建筑上的應用確實能夠展示新材料、新工藝、新技術的蓬勃發展。在為建筑增彩的同時也給我們幕墻人帶來了思考。我們如何能在確保安全的情況下保證建筑物的美學效果;如何能在建筑師的啟發下使得建筑幕墻這個能展示建筑美學效果的媒介與每個建筑的個性融為一體。
參考文獻
[1] 王德勤，雙層索結構支承在玻璃幕墻的應用分析，《建筑幕墻》，2022年，第1期
[2] 《索結構技術規程》 ，中華人民共和國行業標準, JGJ 257-2012
[3] 王啟兵， 南昌市民中心-鋸齒狀斜拉索桿混合結構點支式玻璃幕墻的創新，《幕墻設計》，2020年，第5期
[4] 王德勤，點支式弧形玻璃幕墻設計與施工技術，《2010年全國鋁門窗幕墻行業論文集》
作者：王德勤
作者單位：北京德宏幕墻技術科研中心
