國(guó)家電網(wǎng)科研產(chǎn)業(yè)基地高層索網(wǎng)玻璃幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

廖樹(shù)建

（上海鴻棟幕墻裝飾有限公司，上海 201514）

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目概述

本項(xiàng)目為國(guó)家電網(wǎng)公司智能電網(wǎng)科研產(chǎn)業(yè)（南京）基地的幕墻工程建設(shè)項(xiàng)目，幕墻結(jié)構(gòu)整體采用框架剪力墻結(jié)構(gòu)。幕墻尺寸規(guī)模較大，整體高度為98.5m，總面積為4.63萬(wàn)m2，工程總造價(jià)為6439萬(wàn)元。就所涉及的幕墻子系統(tǒng)而言，整體工程涵蓋塔樓豎明橫隱式單元幕墻、索網(wǎng)結(jié)構(gòu)點(diǎn)式玻璃幕墻、肋支撐點(diǎn)式玻璃幕墻、開(kāi)放式干掛洞石幕墻、全隱框玻璃幕墻、明框玻璃幕墻、鋁單板幕墻、鋼結(jié)構(gòu)玻璃雨蓬、鋁合金格柵、鋁合金玻璃欄桿和地彈門(mén)系統(tǒng)等，項(xiàng)目?jī)?nèi)容之多、質(zhì)量把控之嚴(yán)，都對(duì)設(shè)計(jì)施工團(tuán)隊(duì)的組織架構(gòu)、前期設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)管理提出了極高的要求[1]。

1.2 工程建設(shè)流程

工程的總體流程包括組織架構(gòu)制定、前期現(xiàn)場(chǎng)勘驗(yàn)、深化設(shè)計(jì)及圖紙加工、主體結(jié)構(gòu)材料的工藝設(shè)計(jì)、材料的制備及預(yù)張拉、材料的質(zhì)量把控及驗(yàn)收、入場(chǎng)前期準(zhǔn)備及平臺(tái)搭建、幕墻結(jié)構(gòu)拉索的安裝、玻璃的安裝以及各類(lèi)載荷及應(yīng)力的仿真計(jì)算等。

本論文主要討論的是從幕墻工程子系統(tǒng)中的高層建筑索網(wǎng)玻璃幕墻（用于南立面主樓）的難點(diǎn)分析、圖紙?jiān)O(shè)計(jì)、材料加工、施工安裝、節(jié)點(diǎn)優(yōu)化等內(nèi)容入手，探索出一套施工效率高、創(chuàng)新程度高、結(jié)構(gòu)安全性高、視覺(jué)效果好的高層索網(wǎng)幕墻整體解決方案。

2 高層索網(wǎng)玻璃幕墻設(shè)計(jì)難點(diǎn)

南立面主樓的高層索網(wǎng)玻璃幕墻設(shè)計(jì)難點(diǎn)主要可以從施工概述、性能標(biāo)準(zhǔn)、材料選擇、深化設(shè)計(jì)等方面來(lái)闡述：

2.1 施工概述

本案所涉及的單層索網(wǎng)幕墻用于主樓南立面，最大施工標(biāo)高到57.3m，索網(wǎng)幕墻面積約1600m2，尺寸為寬度27m，高度60m，覆蓋南立面的6～9軸間。拉索的設(shè)置方式覆蓋1～12層，在五層、九層增設(shè)拉索桁架，將豎向索分成三段：1～5層所需豎向索長(zhǎng)約21m，共17根，橫向索27m根，共7根；5～9層的豎向索長(zhǎng)約16.4m，共需豎向索17根，橫向索7根；9～12層的豎向索長(zhǎng)約15m，共需豎向索17根，橫向索6根。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

本項(xiàng)目嚴(yán)格遵循如《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》（102-2003）及其他相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)技術(shù)規(guī)范，同時(shí)還需滿足甲方所制定的更高需求，具體如下：項(xiàng)目所涉的玻璃幕墻要能夠承受Wo=0.40kN/m2的風(fēng)壓，承受0.65kN/m2的雪壓，抗震設(shè)防烈度為7度，主體安全結(jié)構(gòu)為二級(jí)，同時(shí)對(duì)氣密性能、水密性能、保溫性能、隔聲性能、平面內(nèi)變形性能等都有著嚴(yán)苛的要求；

2.3 材料選擇

高層索網(wǎng)玻璃幕墻所涉及的主要材料包括10Low-E+12A+10鋼化中空玻璃（均質(zhì)熱處理），幕墻鋼桁架和拉索耳板采用Q345B及Q235B鋼材，鋁板選用3003-H24型氟碳噴涂處理的鋁板，碳鋼拉索采用高釩碳鋼M28拉索，配備高釩碳鋼夾具、不銹鋼玻璃肋夾板及SUS316不銹鋼接駁材質(zhì)；

2.4 深化設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)前期的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，得到所需制備的拉索玻璃幕墻的尺寸：因此幕墻面積較大，這對(duì)于拉索應(yīng)力的分布和形變的控制提出了很高的要求，需用通過(guò)深化設(shè)計(jì)來(lái)優(yōu)化，具體體現(xiàn)在采用新的拉索工藝，應(yīng)用新的拉索和夾具材料，最終通過(guò)仿真驗(yàn)證之后進(jìn)行材料的制備、進(jìn)場(chǎng)和安裝。

3 高層索網(wǎng)玻璃幕墻設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)體系構(gòu)建

高層索網(wǎng)玻璃幕墻主體結(jié)構(gòu)面積約1600m2，寬27m2，高60m2，為規(guī)則的矩形平面。在結(jié)構(gòu)體系上，鑒于本案的撓度控制難度大于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度控制，所以本幕墻為撓度控制結(jié)構(gòu)體系。在受力體系上，考慮到由于主體結(jié)構(gòu)的特征，單層索網(wǎng)幕墻受力體系應(yīng)為橫向拉索和豎向拉索共同抵抗風(fēng)載的方式，其中橫向拉索傳遞給主體結(jié)構(gòu)的拉力相對(duì)偏小。撓度控制結(jié)構(gòu)體系的技術(shù)指標(biāo)為索網(wǎng)體系的撓度變形控制小于1/50；上部桁架梁的撓度變形控制小于1/400。

3.2 選型設(shè)計(jì)

本案中橫向拉索和豎向拉索的選材均采用GALFAN材質(zhì)，即高釩拉索[2]。高釩拉索是一種鋅、鋁和稀土混合合金涂料，作用于鋼材的防腐增強(qiáng)，其中鋅所占比例為95%以上，其顯著特征是能夠克服環(huán)境因素帶來(lái)的電化學(xué)鋼索腐蝕，且延展性和可變性能力亦較強(qiáng)，具有良好的機(jī)械性能。豎向采用管徑φ28的高釩拉索，橫向則為φ22。其中豎向φ28高釩拉索的抗拉強(qiáng)度等級(jí)達(dá)到1670MPa，拉索最小破斷力為668kN，其強(qiáng)度和硬度與原方案中的而SUS316不銹鋼φ32直徑的豎向拉索相當(dāng)，豎向索與桁架連接采用三角鏈接的方式，具有可靠的安全性能和耐久性能。由此觀之，替換后的機(jī)械性能、抗腐蝕性能和經(jīng)濟(jì)效益都得到了良好的保障。

3.3 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)及優(yōu)化

高層索網(wǎng)玻璃幕墻主體結(jié)構(gòu)由多層豎向及橫向拉索構(gòu)成，初期的設(shè)計(jì)方案中，豎向拉索采用三段式體系，其優(yōu)勢(shì)在于三段拉索能夠減小中間拉索的應(yīng)力形變，一定程度上增強(qiáng)結(jié)構(gòu)體系的穩(wěn)定性。三段式的豎向拉索缺陷特征也較為明顯，即將三段拉索分段之后，拉索的預(yù)應(yīng)力無(wú)法得到統(tǒng)一的調(diào)節(jié)，且交界處容易產(chǎn)生明顯的壓力差，導(dǎo)致此處玻璃容易受應(yīng)力影響而破裂。

優(yōu)化后的方案則是直接布置了60m通長(zhǎng)的豎向拉索，解決了豎向索預(yù)應(yīng)力施加難的問(wèn)題，且便于后期預(yù)應(yīng)力調(diào)節(jié)和檢查。同時(shí)，團(tuán)隊(duì)還設(shè)計(jì)非標(biāo)準(zhǔn)夾具，利用20m和40m標(biāo)高位置主體鋼桁架，固定豎向拉索，從而有力地解決豎向拉索中間變形過(guò)大問(wèn)題，從而確定了如下的拉索張拉施工方案：

3.3.1 拉索結(jié)構(gòu)幕墻預(yù)實(shí)驗(yàn)

首先針對(duì)幕墻的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)性能（抗風(fēng)壓性能、水密性、氣密性、地震位移等進(jìn)行檢測(cè)）；對(duì)拉索結(jié)構(gòu)的承載靜力按照1.5倍設(shè)計(jì)值的大小檢測(cè)；進(jìn)行鋼索破壞力的檢測(cè)；對(duì)連接機(jī)構(gòu)的機(jī)械強(qiáng)度進(jìn)行鑒定；對(duì)材料的物化性能進(jìn)行試驗(yàn)。

3.3.2 安裝方案

豎向拉索：鑒于本案中最長(zhǎng)的豎向拉索φ32約60m，重約378.6kg，因此采用1t拉力的電動(dòng)葫蘆，從下向上拉設(shè)鋼索直至頂部與耳板進(jìn)行連接。

橫向拉索：橫向拉索的安裝采用人工方案，即利用腳手架操作平臺(tái)上，人工抬搬安裝到位，兩端耳板連接完成安裝。

3.3.3 不銹鋼玻璃夾具安裝

本案創(chuàng)新使用了一套不銹鋼玻璃夾具系統(tǒng)，即在兩塊玻璃的縫隙之間用夾具直接將玻璃邊緣夾住，不僅避免了在玻璃上開(kāi)孔產(chǎn)生應(yīng)力集中的安全隱患，同時(shí)提升了安裝精度，有利于施工的維護(hù)與調(diào)節(jié)，從經(jīng)濟(jì)效益而言，不銹鋼玻璃夾具的使用同時(shí)也節(jié)約了玻璃開(kāi)孔的生產(chǎn)成本，提高施工的效率和可靠性。

夾具的安裝工序在豎向和橫向索安裝完成之后，這樣可以有效避免索網(wǎng)張拉完成后無(wú)法進(jìn)行夾具安裝的問(wèn)題。玻璃夾具與索的連接，其固定螺栓無(wú)須完全緊固（達(dá)到一半的緊固程度即可），這樣可以有效規(guī)避索網(wǎng)在張拉過(guò)程中的拉伸變化對(duì)拉索造成的應(yīng)力損傷。

3.3.4 預(yù)應(yīng)力張拉

預(yù)應(yīng)力張拉是拉索體系安裝的重要環(huán)節(jié)。預(yù)應(yīng)力張拉的核心要素是使得預(yù)應(yīng)力分布均勻，從而減少拉索對(duì)主體鋼結(jié)構(gòu)的影響，提高整個(gè)體系的穩(wěn)定性。拉索在張拉之前，根據(jù)設(shè)計(jì)方案節(jié)點(diǎn)，先安裝與橫向索和豎向索固定連接的不銹鋼支撐桿，不銹桿支撐與拉索的固定使用螺栓固定方式，固定牢固度約為30%，等拉索的三級(jí)張拉完成后再調(diào)整固定；預(yù)應(yīng)力張拉環(huán)節(jié)在單層雙向索網(wǎng)系統(tǒng)的橫向和豎向索網(wǎng)全部安裝完成后進(jìn)行。對(duì)于預(yù)應(yīng)力張拉的測(cè)試，單層雙向索網(wǎng)系統(tǒng)的測(cè)試選用液壓式張拉儀，該張拉儀配的液壓器，張拉壓緊裝置，壓力測(cè)試顯示儀等，能夠方便快捷得出張拉的結(jié)果，有助于施工效率的提升，具體的張拉和測(cè)量過(guò)程如下，分為三級(jí)：

第一級(jí)：當(dāng)橫向索和豎向索全部安裝到位后，跟隨計(jì)劃進(jìn)行拉索張拉，采用專(zhuān)用工具將索拉直，并使用有拉力傳感器的液壓張拉儀進(jìn)行第一級(jí)張拉（施加預(yù)應(yīng)力按最終預(yù)應(yīng)力值的50%），從兩端向中部逐條張拉，誤差控制在5%的范圍內(nèi)。

第二級(jí)：中部節(jié)點(diǎn)空間定位尺寸基本到位后進(jìn)行第二級(jí)張拉（施加到最終預(yù)應(yīng)力值的85%）。從兩端向中部逐條張拉，索的張拉過(guò)程必須檢查不銹鋼支撐桿連接橫豎索對(duì)其的影響，保證主體結(jié)構(gòu)的安全性能，誤差控制在5%的范圍內(nèi)，張拉完成24h之后檢查各邊部節(jié)點(diǎn)和中部節(jié)點(diǎn)以及邊緣支承結(jié)構(gòu)。

第三級(jí)：當(dāng)確定各節(jié)點(diǎn)和邊部支承結(jié)構(gòu)無(wú)異常情況后，進(jìn)行第三級(jí)張拉（施加到最終預(yù)應(yīng)力值的100%），之后進(jìn)行尺寸精度測(cè)量調(diào)整（消除橫、豎索的相互干擾）鎖緊各節(jié)點(diǎn)的連接機(jī)構(gòu)。第三級(jí)張拉完成72h后再進(jìn)行尺寸復(fù)合，采用高精度的索內(nèi)力測(cè)定儀對(duì)索內(nèi)應(yīng)力進(jìn)行檢測(cè)，確認(rèn)內(nèi)力均衡后方可進(jìn)行下一道安裝工序。

預(yù)應(yīng)力的張拉過(guò)程中需要考慮溫度、節(jié)點(diǎn)隨應(yīng)力的定位精準(zhǔn)度、測(cè)量?jī)x器的標(biāo)定、支撐結(jié)構(gòu)的形變情況以及張拉完畢后的卸載速度（卸載速度應(yīng)小于等于10kN/min）等關(guān)鍵因素，確保預(yù)應(yīng)力張拉過(guò)程對(duì)拉索本身和支撐結(jié)不帶來(lái)?yè)p傷。

3.3.5 玻璃安裝

完成上述拉索安裝和預(yù)應(yīng)力張拉后，即進(jìn)行配重檢測(cè)和玻璃安裝，其中配重量為玻璃自身重力荷載的1.2倍，通過(guò)逐級(jí)增加的方式減小形變和應(yīng)力集中現(xiàn)象，保證配種檢測(cè)完成后，節(jié)點(diǎn)位移量低于2mm。玻璃的安裝方案為點(diǎn)支式，從下向上逐層進(jìn)行，一邊拆除配重，一邊安裝玻璃板塊，每層安裝完畢后以“橫平、豎直、面平”的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢查，同時(shí)核驗(yàn)?zāi)z縫大小。待玻璃敷設(shè)完成后進(jìn)行嵌縫注膠，通過(guò)酮硅膠進(jìn)行注膠，加強(qiáng)玻璃接縫的吻合度和機(jī)械應(yīng)力。

4 設(shè)計(jì)效果

從整體的設(shè)計(jì)效果而言，通過(guò)上述方案，本工程實(shí)現(xiàn)了大面積的高層雙向索網(wǎng)玻璃幕墻的安裝，制備了歸正矩形形貌的拉索玻璃幕墻，從視覺(jué)效果而言達(dá)到了甲方的設(shè)計(jì)需求。從工程技術(shù)而言，由于采用了新工藝、新材料替代了傳統(tǒng)方案，在保證索網(wǎng)幕墻的機(jī)械強(qiáng)度的同時(shí)，減輕了拉索的自重，節(jié)約了的材料的制備成本，提升了拉索的抗電化學(xué)腐蝕性能。從工程質(zhì)量管理而言，本案對(duì)于拉索安裝細(xì)節(jié)的注意事項(xiàng)把控到位，同時(shí)應(yīng)用創(chuàng)新的不銹鋼玻璃夾具提升了施工的效率和精準(zhǔn)度，有效地消除了質(zhì)量安全隱患，達(dá)到了超越預(yù)期的設(shè)計(jì)效果，最終獲得了南京市的“金陵杯”優(yōu)質(zhì)工程設(shè)計(jì)。

5 結(jié)論

南京市國(guó)家電網(wǎng)科研產(chǎn)業(yè)基地高層索網(wǎng)玻璃幕墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝優(yōu)化項(xiàng)目的順利交付，促進(jìn)了新材料、新工藝和新方案的工程應(yīng)用，展示了基于工程質(zhì)量的創(chuàng)新突破對(duì)工程帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益和質(zhì)量效益雙重優(yōu)勢(shì)，為今后的相關(guān)建設(shè)項(xiàng)目提供了技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。