無橫梁明框玻璃幕墻系統(tǒng)在鐵路站房中的應用

孫士良

（中鐵建設集團有限公司北京中鐵裝飾工程有限公司，北京 100040）

1 設計方案選擇

1.1 無橫梁明框玻璃幕墻系統(tǒng)

無橫梁明框玻璃幕墻系統(tǒng)的主要特征為：由托板代替標準明框玻璃幕墻系統(tǒng)的橫梁承擔玻璃自質(zhì)量，并傳遞給豎向龍骨。針對北京朝陽站幕墻系統(tǒng)項目，在設計方案中，可采用10 mm 厚Q345B 鋼托板（見圖1），通過焊接的方式固定在豎向鋼龍骨上，鋁扣座通過打釘?shù)姆绞脚c鋼立柱連接，玻璃板塊安裝在相鄰2個鋼托板上，鋼托板設置柔性墊片，并通過鋁合金壓板固定，最后外扣裝飾扣蓋。標準橫剖節(jié)點、縱剖節(jié)點示意分別見圖2、圖3。

1.2 標準明框玻璃幕墻系統(tǒng)

圖1 鋼托板示意圖

圖3 無橫梁明框玻璃幕墻系統(tǒng)標準縱剖節(jié)點示意圖

標準明框玻璃幕墻系統(tǒng)分格尺寸玻璃面板配置與無橫梁明框方案相同，但橫龍骨采用矩形鋼橫梁（見圖4），橫梁承擔玻璃自重并分擔水平荷載。

圖4 標準明框玻璃幕墻系統(tǒng)標準縱剖節(jié)點示意圖

標準明框玻璃幕墻系統(tǒng)（見圖5）增加了橫向支撐，進一步增加了結(jié)構(gòu)的安全性。但由于室內(nèi)增加了橫梁，室內(nèi)外橫龍骨外露可見，通透效果大大降低。

圖5 標準明框玻璃幕墻系統(tǒng)效果圖

通過對2種方案的安全性、美觀性及經(jīng)濟適用性等方面進行綜合對比，得出無橫梁明框玻璃幕墻系統(tǒng)不僅簡潔明快、線條流暢，通透效果極佳，并且更節(jié)能環(huán)保、經(jīng)濟適用，更符合“暢通融合、綠色溫馨、經(jīng)濟藝術、智能便捷”的新時代智能客站精品工程的文化理念。

2 項目概況

北京朝陽站位于北京市朝陽區(qū)星火東路，是京哈高鐵的始發(fā)站，是連通東三省至京津冀地區(qū)的交通動脈。站場規(guī)模為7 臺15 線，站房規(guī)模為18.3 萬m2，雨棚區(qū)面積6.2 萬m2，建筑分為地上2 層，地下1 層，局部設置商業(yè)夾層；屋面最高處可達46.3 m，檐口高度37.0 m，屋架采用鋼筋混凝土柱加空間鋼桁架結(jié)構(gòu)體系［1］。北京朝陽站的無橫梁明框玻璃幕墻位于站房的東西南北4個建筑立面，其中主要集中在中央站房的南北東3 個立面的10 m 層以上及西站房的24 m 層以上部分，幕墻總面積達15 000 m2。龍骨形式采用鋼龍骨外露的做法，主龍骨采用焊接鋼矩管，表面進行氟碳噴涂處理。北立面10～24 m 高度處采用規(guī)格為400 mm×250 mm×12 mm 的焊接鋼立柱，24 m 以上部分則采用260 mm×125 mm×12 mm 的焊接鋼龍骨（見圖6）。東立面和南立面等沒有金屬屋面的幕墻立柱采用300 mm×150 mm×12 mm 的焊接鋼龍骨。3 個立面外露扣蓋統(tǒng)一為125 mm，整體外觀寬窄一致，效果輕盈美觀。

圖6 北立面焊接鋼立柱與鋼龍骨

北京朝陽站站房工程的無橫梁明框玻璃幕墻系統(tǒng)采用HS8+1.52Pvb+HS8Low-E+12A+HS8+1.52Pvb+HS8 超白半鋼化夾層中空雙銀Low-E 鍍膜玻璃，更加突出了幕墻的通透性和美觀性（見圖7），符合原設計初衷。且無橫梁系統(tǒng)的用鋼量大大降低，更符合節(jié)能環(huán)保的設計理念。

圖7 無橫梁明框玻璃幕墻系統(tǒng)效果圖

北京朝陽站無橫梁玻璃幕墻項目的重難點在于鋼托板支撐的2點受力體系能否滿足受力需求，保證長期的穩(wěn)定和安全性能。如果能夠在設計階段進行合理優(yōu)化、科學創(chuàng)新，施工過程中通過樣板引路加以熟練運用，就可以在滿足建筑外觀及物理性能的基礎上，做到簡潔明快、線條流暢、分格清晰、造型獨特，充分體現(xiàn)新時代智能客站精品工程的時尚風格與現(xiàn)代氣息。

3 設計分析

3.1 玻璃強度、撓度校核

3.1.1 基本參數(shù)

（1）分格尺寸：2 000 mm（寬）×2 780 mm（高）；

（2）玻璃配置：雙夾膠中空玻璃，第1 片—第4 片均為8 mm鋼化玻璃；

（3）駁接形式：對邊簡支。

3.1.2 玻璃強度校核

建筑結(jié)構(gòu)設計時，對不同荷載應采用不同的代表值［2］。單片玻璃在垂直于玻璃幕墻平面的風荷載和地震力作用下，玻璃截面最大應力應符合下列規(guī)定：最大應力標準值可考慮幾何非線性的有限元方法計算，也可按以下公式計算：

式中：σwk、σEk分別為風荷載、地震力作用下玻璃截面的最大應力標準值，N/mm2；wk、qEk分別為垂直于玻璃幕墻平面的風荷載、地震力作用標準值，N/mm2；a 為矩形玻璃板材短邊邊長，mm；t 為玻璃的厚度，mm；E 為玻璃的彈性模量，N/mm2；m 為彎矩系數(shù)；η 為折減系數(shù)；θ為參數(shù)［3］。

則第1片玻璃產(chǎn)生的最大應力為：

可見，玻璃強度滿足要求（fg為玻璃強度設計值）。

同理，按照式（4）計算第2 片—第4 片玻璃產(chǎn)生的最大應力，計算結(jié)果均為26.386 N/mm2，玻璃強度均滿足要求。

3.1.3 雙夾膠中空玻璃撓度校核

雙夾膠中空玻璃產(chǎn)生的最大撓度為：

式中：df為在風荷載標準值作用下?lián)隙茸畲笾?；?為撓度系數(shù)；wk為垂直于玻璃平面的風荷載標準值，N/mm2；D 為玻璃的剛度；df（min）為風荷載標準值作用下的玻璃撓度限值。

經(jīng)計算，雙夾膠中空玻璃撓度滿足要求。

3.2 鋼托板及玻璃強度校核

采用大型有限元軟件ANSYS 進行計算，選用Solid95 單元（3 維20 節(jié)點實體單元）建模分析，玻璃中部最大應力為185.017 N/mm2，小于310.000 N/mm2，滿足要求（見圖8）。

圖8 ANSYS建模計算應力云圖

通過計算機軟件建模分析，雙夾膠中空玻璃每片玻璃產(chǎn)生的最大應力為26.386 N/mm2≤84.000 N/mm2，玻璃強度滿足規(guī)范要求。

在設計組合下，玻璃產(chǎn)生的最大撓度為24.020 mm≤33.333 mm，變形量滿足規(guī)范要求。

4 施工工藝流程及重難點分析

4.1 施工工藝流程

根據(jù)玻璃幕墻的分格尺寸和圖紙要求進行精準放線及定位，參照圖紙對所放定位線進行復核無誤后，方可進行龍骨施工。

玻璃幕墻10～24 m部分鋼結(jié)構(gòu)立柱下口通過栓接的方式固定在預埋鋼板上，上口則采用滿焊連接的形式固定在鋼結(jié)構(gòu)箱梁上。梁柱連接節(jié)點可采用栓焊混合連接、螺栓連接、焊接連接、端板連接、頂?shù)捉卿撨B接等構(gòu)造［4］。24 m以上部分焊接鋼立柱下端通過6 mm厚L 形鍍鋅鋼板轉(zhuǎn)接固定在24 m 的鋼結(jié)構(gòu)箱梁上，轉(zhuǎn)接件與焊接鋼立柱通過螺栓連接。幕墻及其連接件應具有足夠的承載力、剛度和相對于主體結(jié)構(gòu)的位移能力［5］。鋼龍骨上口通過20 號槽鋼與14 號槽鋼2 次轉(zhuǎn)接，與建筑屋面鋼結(jié)構(gòu)桁架進行栓接，槽鋼轉(zhuǎn)接件開長圓孔，防止鋼結(jié)構(gòu)桁架下沉，荷載通過鋼立柱向下傳導造成玻璃大面積自爆。鋼立柱安裝完成后放出標高線，根據(jù)圖紙要求對鋼托板進行定位。玻璃鋼托板通過四面圍焊固定在焊接鋼立柱上，U形鋼件則與鋼立柱兩面焊接，待滿焊完成清除焊渣，檢查焊角高度及焊縫質(zhì)量滿足要求即可進行氟碳噴涂施工。

待鋼龍骨面漆施工完成，將鋁合金底座扣坐在U 形鋼件上，每間距300 mm 打釘固定。鋁合金扣座安裝完成即可安裝玻璃。

玻璃通過機械吊裝方式進行安裝，玻璃板塊安裝在相鄰的2個鋼托板之間，玻璃托板設置柔性墊塊，玻璃通過鋁合金壓板安裝固定。幕墻玻璃安裝完成后，安裝鋁合金扣蓋并打膠清理。

4.2 工程重難點分析

北京朝陽站玻璃幕墻結(jié)構(gòu)支撐采用無橫梁的整體支撐受力體系，具有豎向承載構(gòu)件受力集中，承受風荷載、地震荷載及自重荷載，結(jié)構(gòu)受力復雜等特點，對玻璃及托板的應力變化影響較大。考慮到站房人流密集和旅客安全，既要保證幕墻結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定，避免后期玻璃破損造成維修困難，又要保證室內(nèi)良好的通透性，因此在設計階段，鋼托板的形式、焊接強度及玻璃受力方式等成為影響結(jié)構(gòu)安全與施工質(zhì)量的重要因素；在施工過程中，玻璃鋼托板的焊接質(zhì)量把控則是保證幕墻結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定的重點工作。

5 結(jié)束語

無橫梁明框玻璃幕墻系統(tǒng)在設計上取消了傳統(tǒng)橫梁，極大地提高了玻璃幕墻的通透性及室內(nèi)效果。該系統(tǒng)在北京朝陽站站房的運用，在保證建筑外觀和物理性能的基礎上，節(jié)約了大量材料，且托板組件可方便玻璃幕墻的安裝，針對局部玻璃面板能夠?qū)嵤┛焖儆行У牟鹧b，操作簡單、穩(wěn)定可靠，為玻璃安裝及維修更換節(jié)約了大量時間。在鐵路部門信息數(shù)據(jù)具有明顯空間分布特征的背景下［6］，為新時代智能客站文化性與藝術性的提升提供了便捷條件。

北京朝陽站站房工程無橫梁明框玻璃幕墻系統(tǒng)的設計與施工實踐，解決了玻璃在無傳統(tǒng)橫梁支撐條件下的受力穩(wěn)定性，降低了玻璃在人群密集站房環(huán)境中的破損風險，提高了玻璃幕墻整體安全性能。