大跨度雙曲面玻璃幕墻設(shè)計(jì)

梁民忠

摘要：本文結(jié)合多個(gè)工程實(shí)例對(duì)大跨度雙曲面玻璃幕墻的設(shè)計(jì)幾個(gè)方面進(jìn)行闡述，包括具有代表性的上海中國(guó)航海博物館大跨度雙曲面玻璃幕墻設(shè)計(jì)中的技術(shù)難題、常用的模擬分析計(jì)算典型杭州大劇院屋頂設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)材料等。

關(guān)鍵詞：大跨度；雙曲面；玻璃幕墻；設(shè)計(jì)分析

Abstract: This paper combining multiple engineering example hyperboloid of long glass curtain wall design several aspects, including the typical Shanghai China maritime museum big span hypoid glass curtain wall design of technical problems, commonly used simulation analysis and calculation typical roof design and structure of hangzhou grand theatre material etc.

Key words: Big span; Hypoid; Glass curtain wall; Design analysis

中圖分類號(hào)：S611文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：

引言

由支承結(jié)構(gòu)體系和玻璃所組成的，能夠相對(duì)于主體結(jié)構(gòu)具有一定的唯一能力且不分擔(dān)主體結(jié)構(gòu)受到作用力的起到在建筑外圍維護(hù)的玻璃幕墻越來(lái)越廣泛的應(yīng)用于大跨度建筑之中。玻璃幕墻的結(jié)構(gòu)形式隨著工藝的不斷進(jìn)步發(fā)生著多元化的發(fā)展，其中雙曲面的結(jié)構(gòu)形式憑借其優(yōu)越的綜合性能受到了眾多設(shè)計(jì)的偏愛(ài)。本文針對(duì)大跨度雙曲面玻璃幕墻設(shè)計(jì)幾個(gè)方面解決的關(guān)鍵問(wèn)題，結(jié)合具體的工程實(shí)例分別剖析，為相關(guān)設(shè)計(jì)項(xiàng)目提供參考。

大跨度雙曲面超預(yù)應(yīng)力玻璃幕墻技術(shù)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)難題

上海市的博物館形象標(biāo)志形象工程中國(guó)航海博物館建筑外形效果為中央帆體大跨度，形似兩片風(fēng)帆，具有新穎、宏偉且富于視覺(jué)沖擊力。從空間角度看，其帆頁(yè)面裝飾工程所用玻璃幕墻采用立面大跨度雙曲面的預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)形式，空間弧度變化較大，寬度上下不等。該玻璃幕墻設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的很多技術(shù)難題都是具有很強(qiáng)的典型代表性，對(duì)其的攻克對(duì)于整個(gè)大跨度雙曲面玻璃幕墻設(shè)計(jì)項(xiàng)目技術(shù)方面來(lái)講都具有很好的意義。

立面上的大跨度雙曲面加上超預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)需要，使得該項(xiàng)目的玻璃幕墻設(shè)計(jì)存在多方面的技術(shù)難題。超預(yù)應(yīng)力索網(wǎng)一方面需要成為玻璃幕墻支承的系統(tǒng)，另一方面要聯(lián)系起兩片帆頁(yè)的鋼結(jié)構(gòu)使其成為整體結(jié)構(gòu)，這就要求鋼索的形狀設(shè)計(jì)滿足工程中的玻璃幕墻安裝誤差精度要求，并且設(shè)計(jì)要使得其中始終存在預(yù)張拉應(yīng)力。要實(shí)現(xiàn)上述的設(shè)計(jì)目標(biāo)，就要綜合考慮航海博物館結(jié)構(gòu)的特征和施工可能會(huì)出現(xiàn)的問(wèn)題，注意幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)。首先，設(shè)計(jì)所用的計(jì)算模型不一定能夠毫無(wú)偏差的反應(yīng)真實(shí)的結(jié)構(gòu)，工程不可避免會(huì)有材料性能和制作安裝等方面的離散和偏異，而且該結(jié)構(gòu)復(fù)雜，施工中長(zhǎng)期的內(nèi)力及形狀波動(dòng)在設(shè)計(jì)中必須充分考慮。針對(duì)這個(gè)難題，玻璃幕墻設(shè)計(jì)方采用雙控制設(shè)計(jì)理論計(jì)算方法對(duì)位移及索力進(jìn)行分析計(jì)算，除了建立模型進(jìn)行分析之外，通過(guò)理論計(jì)算調(diào)和力與形狀之間的設(shè)計(jì)差異。其次，索端的預(yù)埋件設(shè)計(jì)存在難點(diǎn)，曲面索網(wǎng)結(jié)構(gòu)的中央帆體各個(gè)預(yù)埋件的定位設(shè)計(jì)精度要求非常高，因施工中可以控制的誤差僅能保證2cm，設(shè)計(jì)要盡量避免狹長(zhǎng)空間出現(xiàn)錯(cuò)亂，減少索網(wǎng)支撐點(diǎn)和幕墻的分格點(diǎn)測(cè)定難度。再次是索網(wǎng)形態(tài)的控制要實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)化處理，三維空間的大跨度集合完成雙曲面形態(tài)既需要保證拱形的曲率設(shè)計(jì)要求又要保證帆體內(nèi)彎曲效果。此外大跨度雙曲面玻璃幕墻的預(yù)應(yīng)力要充分給予設(shè)計(jì)控制，該項(xiàng)目初步設(shè)計(jì)為18根豎索56根橫索控制預(yù)應(yīng)力，技術(shù)設(shè)計(jì)階段要考慮施加預(yù)應(yīng)力順序和步驟可能造成的索力值影響，施工保證率情況。另外各玻璃面板間的連接設(shè)計(jì)也至關(guān)重要且是設(shè)計(jì)難點(diǎn)，柔性鋼索結(jié)構(gòu)和剛性玻璃面板的結(jié)合使得其連接設(shè)計(jì)需要角度和定位的嚴(yán)格準(zhǔn)確精度。

解決了幾個(gè)設(shè)計(jì)技術(shù)難題并不代表航海博物館的玻璃幕墻設(shè)計(jì)達(dá)到了高規(guī)格的設(shè)計(jì)要求，要保證最終的設(shè)計(jì)能夠順利施工，得到良好的工程效果，必須模擬施工過(guò)程進(jìn)行前期計(jì)算指導(dǎo)。在充分分析大跨度雙曲面玻璃幕墻的索力相關(guān)性和設(shè)計(jì)難題之后，使用有限單元法分析計(jì)算軟件建立克服障礙后的超預(yù)應(yīng)力玻璃幕墻計(jì)算機(jī)模型對(duì)張拉方式、張拉順序、受力特點(diǎn)、位移控制、預(yù)應(yīng)力控制和綜合性能全面進(jìn)行模擬分析，準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)存在的設(shè)計(jì)瑕疵，使用更好的設(shè)計(jì)技術(shù)手段使其完美化。

大跨度雙曲面屋頂設(shè)計(jì)通過(guò)模擬分析計(jì)算技術(shù)運(yùn)用

圖1 杭州大劇院建筑設(shè)計(jì)效果圖

上圖1所示杭州大劇院具有新穎獨(dú)特的外觀造型，倒置的大跨度雙曲面屋頂玻璃幕墻同橢球屋頂交錯(cuò)布局，形成大劇院整體外輪廓的設(shè)計(jì)效果。由于杭州地區(qū)的地理位置特點(diǎn)和該玻璃幕墻設(shè)計(jì)項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)特色，使得本設(shè)計(jì)抗風(fēng)模擬分析計(jì)算成為必須，該項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)研究工作由浙江大學(xué)的土木工程系建立風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ屯瓿裳芯?。該?xiàng)目通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)去尋找大跨度雙曲面玻璃幕墻幾個(gè)重要的設(shè)計(jì)參數(shù)，是該領(lǐng)域較為先進(jìn)的研究方向。

技術(shù)人員通過(guò)完成1：200的剛性模型制作構(gòu)建了閉口式的大試驗(yàn)段，長(zhǎng)度10m，截面的尺寸寬為3m、高為2m。對(duì)于小試驗(yàn)段非別采用了開(kāi)口和閉口兩種不同的形式，長(zhǎng)為9m，截面的尺寸寬為1.2m、高為2m，模擬分析風(fēng)洞采用46m/s最高風(fēng)速。采用尖塔、粗糙元和擋板形式的風(fēng)洞模擬技術(shù)，能夠匹配各個(gè)試驗(yàn)段所模擬出的同縮尺模型在不同地形地貌及大氣邊界氣流條件下的情況。經(jīng)過(guò)分析比較，考慮到大跨度雙曲面屋頂結(jié)構(gòu)的尺寸，最終確定采用風(fēng)洞大試驗(yàn)段形式的模擬方式。風(fēng)速的測(cè)量系統(tǒng)之中，參考風(fēng)速采用微壓計(jì)和皮托管進(jìn)行測(cè)量及監(jiān)控，使用兩套測(cè)量系統(tǒng)并行測(cè)試。使用了A/D板、個(gè)人計(jì)算機(jī)、自主編制的軟件和風(fēng)速儀所組成系統(tǒng)測(cè)量和調(diào)試大氣邊界層處的風(fēng)場(chǎng)模擬環(huán)境。另一套記錄測(cè)量及數(shù)據(jù)處理的系統(tǒng)由A/D數(shù)據(jù)采集面板、個(gè)人計(jì)算機(jī)、機(jī)械掃描設(shè)備和信號(hào)采集及相關(guān)數(shù)據(jù)處理的軟件系統(tǒng)所組成。

按照方案設(shè)計(jì)和初步設(shè)計(jì)得出建筑設(shè)計(jì)圖紙幾何要求，使用有機(jī)玻璃進(jìn)行模型制作，采用1:200的縮比尺寸，總的模型高度大概0.23m，縱方向長(zhǎng)度0.85m，橫方向的長(zhǎng)度0.68m，按照?qǐng)D1效果模型制作。該模型最大的阻塞比都不大于6%，滿足了風(fēng)洞試驗(yàn)的要求，所以試驗(yàn)中所得到無(wú)量綱的參數(shù)能夠直接在建筑物實(shí)體中應(yīng)用。按照對(duì)稱性的要求，使用大跨度雙曲面屋頂和橢球屋頂玻璃幕墻一半進(jìn)行測(cè)點(diǎn)布置，在雙曲面屋頂?shù)谋砻嫣幉贾?27個(gè)測(cè)點(diǎn)，玻璃幕墻表面處布置103個(gè)測(cè)點(diǎn)，雨篷的上下表面處分別布置32個(gè)測(cè)點(diǎn)，入口處的圓臺(tái)上布置88個(gè)測(cè)點(diǎn)，總共布置測(cè)點(diǎn)382個(gè)。各個(gè)測(cè)點(diǎn)依據(jù)具體的尺寸要求使用外徑1.6mm不銹鋼的鋼管進(jìn)行埋設(shè)，測(cè)壓管在建筑物表面垂直設(shè)置，測(cè)壓管的一端同模型的表面要齊平，不允許有凹凸。地面粗糙度選用0.12的指數(shù)，采取50年一遇基本風(fēng)壓值0.45kN/m2，平均風(fēng)速取26.8m/s，風(fēng)洞口及粗糙單元實(shí)現(xiàn)剖面風(fēng)速及湍流模型模擬。

經(jīng)過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)的模擬分析，經(jīng)過(guò)計(jì)算得到了大跨度雙曲面玻璃幕墻處平均風(fēng)壓系數(shù)在0.51至0.543之間，風(fēng)壓值在0.489 kN/m2至0.521kN/m2之間；雙曲面屋頂最不利的風(fēng)向角為1800、600和00；脈動(dòng)風(fēng)壓最大正向風(fēng)壓系數(shù)在1.002到1.146之間。對(duì)模型全面分析，確定該大跨度玻璃幕墻的設(shè)計(jì)采用最大正風(fēng)壓0.521 kN/m2，最大負(fù)風(fēng)壓值-1.261 kN/m2，對(duì)1800、1350、1050、600和00進(jìn)行二次設(shè)計(jì)驗(yàn)算。

大跨度雙曲面玻璃幕墻結(jié)構(gòu)形式和材料等的設(shè)計(jì)分析

規(guī)劃建造在北京市中心街道的北京天文館新館總的建筑面積為22000平方米，將成為我國(guó)綜合性的大型天文館。建筑項(xiàng)目中國(guó)航天建筑設(shè)計(jì)研究院同美國(guó)王弄極建筑師事務(wù)所聯(lián)合完成建筑設(shè)計(jì)任務(wù)，該項(xiàng)目馬鞍形的玻璃幕墻通道項(xiàng)目采用大跨度的雙曲面玻璃形式，較為復(fù)雜。建筑物的中間部位設(shè)置曲面鋼結(jié)構(gòu)組成的用360塊尺寸不同規(guī)格不一樣的支撐體系的雙曲面玻璃幕墻完成馬鞍形的玻璃通道拼接，空間上形成大跨度體型。該建筑結(jié)構(gòu)在建筑結(jié)構(gòu)上具有特色，是大跨度雙曲面玻璃幕墻的通性之一，對(duì)其采用獨(dú)特的材料處理，保證了玻璃幕墻的性能要求。

設(shè)計(jì)之中按照工程項(xiàng)目的特點(diǎn)發(fā)明使用了新型節(jié)點(diǎn)處理方法來(lái)解決這一系列的技術(shù)難題，針對(duì)該工程的技術(shù)特殊節(jié)點(diǎn)形式分別采用了可協(xié)調(diào)式的轉(zhuǎn)角支承爪狀構(gòu)件、雙接頭連接的駁接接頭和雙層的玻璃定位夾等措施。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮到大跨度雙曲面玻璃幕墻的空間變化和形體上的復(fù)雜，采用了專用的3D軟件建模，準(zhǔn)確的確定了曲面的位置及結(jié)構(gòu)空間參數(shù)設(shè)置，保證所完成施工圖紙?jiān)O(shè)計(jì)及工藝精確程度。為了達(dá)到建筑設(shè)計(jì)所要得到的立面通道效果，設(shè)計(jì)中采用9m的變截面形式水平玻璃肋支承結(jié)構(gòu)支撐大跨度玻璃幕墻，通過(guò)橫向的玻璃肋和鋼方通組合形式結(jié)構(gòu)支撐橫向線條立面的玻璃，在平面穩(wěn)定處為保證玻璃肋效果首次采用12mm直徑鋼拉桿。玻璃肋選用25.52mm雙鋼化的夾膠玻璃，連接也采用了不銹鋼夾板，多途徑的保證安全、穩(wěn)定和可靠。設(shè)計(jì)采用了大型通用有限元軟件ANSYS完成了整體的計(jì)算和玻璃幕墻多方面的性能模擬驗(yàn)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)結(jié)構(gòu)細(xì)部進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，保證了北京天文館新館大跨度的雙曲面玻璃幕墻的安全、效果和耐久。

結(jié)語(yǔ)

玻璃幕墻的結(jié)構(gòu)形式隨著工藝的不斷進(jìn)步發(fā)生著多元化的發(fā)展，其中雙曲面的結(jié)構(gòu)形式憑借其優(yōu)越的綜合性能受到了眾多設(shè)計(jì)的偏愛(ài)。文章通過(guò)結(jié)合多個(gè)工程實(shí)例分析大跨度雙曲面玻璃幕墻的設(shè)計(jì)幾個(gè)方面，如可采取計(jì)算軟件建立克服障礙后的超預(yù)應(yīng)力玻璃幕墻計(jì)算機(jī)模型對(duì)張拉方式進(jìn)行模擬分析，能有效準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)存在的設(shè)計(jì)瑕疵，使用更好的設(shè)計(jì)技術(shù)手段使其完美化。

參考文獻(xiàn)：

[1] 齊曉劍，巫秉鋼，曾思成，等．首都國(guó)際機(jī)場(chǎng)3號(hào)航站樓內(nèi)幕墻設(shè)計(jì)及施工工藝[J]．建筑，2008，28（03）：118~119．

[2] 蔣鳳昌．點(diǎn)支式玻璃幕墻的結(jié)構(gòu)計(jì)算與優(yōu)化研究[D]．江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文，2008，27（07）：31~33．

[3] 謝思敏．梅花形曲面玻璃幕墻設(shè)計(jì)[J]．中國(guó)高新技術(shù)企業(yè)，2010，31（06）：57~58．