預(yù)應(yīng)力雙向單層拉索幕墻技術(shù)在建筑外飾設(shè)計(jì)上的應(yīng)用

程玉英

上海竹園工程管理有限公司 上海 200127

隨著現(xiàn)代建筑技術(shù)的不斷發(fā)展，建筑的美觀性也越來越受到人們的青睞，幕墻在建筑工程中的應(yīng)用也越來越廣泛。玻璃幕墻的結(jié)構(gòu)形式也由單一的框架式向多元化發(fā)展，出現(xiàn)了肋玻結(jié)構(gòu)形式、鋼桁架結(jié)構(gòu)形式、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)形式、索桁架結(jié)構(gòu)形式等等。而其中以預(yù)應(yīng)力拉索或拉桿作為支撐結(jié)構(gòu)的玻璃幕墻，以其簡潔、通透的特點(diǎn)在國內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用[1]。

單層拉索幕墻是點(diǎn)支式玻璃幕墻體系的一種重要類型，可分為單向索網(wǎng)和雙向索網(wǎng)。預(yù)應(yīng)力雙向單層拉索幕墻由豎向受力索和橫向穩(wěn)定索組成，對于玻璃幕墻來說，是一種全新的受力體系。

單層拉索幕墻結(jié)構(gòu)以其自身的柔性大、質(zhì)量輕、阻尼小、自振頻率低[2]等特點(diǎn)開始不斷地被應(yīng)用于實(shí)際當(dāng)中，代表著大尺度幕墻結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢[3]。本文介紹了上海國際金融中心項(xiàng)目大面積采用的拉索幕墻系統(tǒng)，供其他類似項(xiàng)目參考。

1 項(xiàng)目概況

上海國際金融中心項(xiàng)目（下稱“國金項(xiàng)目”）位于浦東新區(qū)竹園公園商貿(mào)區(qū)內(nèi)，項(xiàng)目主體建筑包括3棟超高辦公樓及連通3棟塔樓的廊橋。

外幕墻采用預(yù)應(yīng)力雙向單層拉索幕墻，立面效果晶瑩剔透（圖1）。拉索幕墻總體量約為26 000 m2，主要位于各塔樓立面的中間部位。國金項(xiàng)目3棟塔樓拉索幕墻的水平寬度均為24 m。高度方向分低區(qū)和高區(qū)：低區(qū)均為40.0 m；高區(qū)則根據(jù)塔樓高度的不同而不同，最高達(dá)117.5 m，創(chuàng)目前行業(yè)內(nèi)預(yù)應(yīng)力雙向單層拉索幕墻之最。

圖1 上海國際金融中心項(xiàng)目

2 預(yù)應(yīng)力雙向單層拉索幕墻的結(jié)構(gòu)形式和特點(diǎn)

本工程中拉索幕墻結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力拉緊索網(wǎng)以組成穩(wěn)定的表面系統(tǒng)，主要的支承結(jié)構(gòu)體系為施加預(yù)應(yīng)力后的正交布置拉索。

拉索固定于兩側(cè)鋼立柱和上下結(jié)構(gòu)梁上，形成在外荷載作用下具有必要剛度和形狀穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。通過對柔性的拉索施加預(yù)應(yīng)力，使預(yù)應(yīng)力和內(nèi)力在體系內(nèi)實(shí)現(xiàn)自平衡，克服了單索剛度低、穩(wěn)定性差、非對稱荷載作用下變形比較大的缺點(diǎn)。

幕墻表面材料選用10 mm＋1.52 SGP＋10 mm＋16 Ar＋10 mm＋1.52 PVB＋10 mm的全鋼化中空雙夾膠Low-E超白玻璃。玻璃外側(cè)比內(nèi)側(cè)能抵擋更大風(fēng)壓，外側(cè)夾膠玻璃采用高性能SGP夾膠片用于提高承載力。采用均質(zhì)熱浸處理技術(shù)，降低玻璃的自爆率。玻璃中空腔體內(nèi)充入氬氣，提高熱工效能。

采用夾持式無孔點(diǎn)支承玻璃幕墻體系（圖2），駁接件（包括夾具和夾邊式駁接頭）通過玻璃間的縫隙夾持玻璃，利用摩擦力傳遞荷載。在玻璃板和駁接件間設(shè)置橡膠墊片，保證節(jié)點(diǎn)處能發(fā)生一定程度的轉(zhuǎn)動，且防止玻璃與駁接件的金屬件直接接觸造成玻璃的破損。采用該幕墻體系的建筑通透性好，可以避免采用點(diǎn)爪式夾具時(shí)，在玻璃上面鉆孔引起的漏氣、破壞Low-E膜、影響美觀等一系列問題。

圖2 無孔點(diǎn)支撐玻璃幕墻的固定效果

3 預(yù)應(yīng)力雙向單層拉索幕墻的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

本工程中拉索幕墻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要涉及拉索幕墻結(jié)構(gòu)荷載的取值、索網(wǎng)受力模式及拉索截面的確定、拉索幕墻系統(tǒng)中開啟窗和門的構(gòu)造設(shè)計(jì)、拉索固定后的微調(diào)等方面，具體分析如下。

3.1 拉索幕墻結(jié)構(gòu)荷載取值

拉索幕墻設(shè)計(jì)的首要工作是結(jié)構(gòu)計(jì)算，基礎(chǔ)為荷載取值原則。由于國內(nèi)沒有專門的拉索幕墻規(guī)范可以參照，因此，在確定風(fēng)荷載的計(jì)算值時(shí)，綜合了GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》、JGJ 257—2012《索結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》和項(xiàng)目風(fēng)洞測試報(bào)告，并從安全方面考慮，取其三者中的較大值。

3.2 索網(wǎng)受力模式確定

根據(jù)洞口水平向?yàn)槎踢?、豎直向?yàn)殚L邊，且洞口水平寬度尺寸遠(yuǎn)小于垂直高度距離的情況，采用橫向短邊承受風(fēng)荷載、豎向長索承受重力的受力模式。拉索上下間距2.5 m，大多數(shù)層高5 m，一個(gè)樓層有2根水平拉索。由于采用短邊受力，跨度較小，因此可以大幅度減少預(yù)應(yīng)力，減小主索截面，達(dá)到既經(jīng)濟(jì)合理又輕巧美觀的效果[4-6]。

3.3 拉索截面確定

確定索網(wǎng)受力模式后，根據(jù)荷載情況和邊界條件確定基礎(chǔ)性力學(xué)數(shù)據(jù)，通過允許變形值計(jì)算出預(yù)應(yīng)力，得出軸拉力后，反推拉索截面的大小。

拉索的材質(zhì)采用高釩碳鋼，與傳統(tǒng)不銹鋼材質(zhì)相比，其破斷力大為提高，拉索的直徑可降低20%左右。

借助Strand7軟件進(jìn)行拉索截面計(jì)算，得到可滿足要求的下列結(jié)果：橫向采用φ55 mm高強(qiáng)度（破斷拉力為3075 kN）的高釩碳鋼拉索，實(shí)際取值為φ59 mm；豎向分別采用φ28 mm（高區(qū)，破斷拉力為713 kN）和φ20 mm（低區(qū)）的高釩碳鋼拉索。

3.4 索網(wǎng)變形問題處理

3.4.1 重力引起的索網(wǎng)變形問題

在設(shè)計(jì)構(gòu)造上，為抵消一部分由重力產(chǎn)生的變形，拉索頂部水平主體結(jié)構(gòu)鋼梁在加工時(shí)進(jìn)行局部起拱處理，待拉索幕墻全部安裝完成后，加載的玻璃重力與梁的起拱變形相抵消，解決了夾具在高度方向的變形公差問題。

3.4.2 索網(wǎng)張拉完成后的松弛問題

國金項(xiàng)目拉索的一端增加直徑154 mm、長度400 mm左右的調(diào)節(jié)端，通過調(diào)節(jié)端螺紋的旋進(jìn)或旋出實(shí)現(xiàn)微調(diào)（圖3），消除張拉完成后索網(wǎng)的微量松弛位移。調(diào)節(jié)端的零件需要設(shè)計(jì)到極限小，以減小對整個(gè)拉索幕墻通透效果的影響，調(diào)節(jié)端最終固定于兩端的鋼立柱或主體結(jié)構(gòu)上。

圖3 帶調(diào)節(jié)端的索頭

本項(xiàng)目若不設(shè)調(diào)節(jié)端，雖立面效果會更通透，但對施工、安裝的要求更高，需一次精準(zhǔn)到位，且安裝完成后，一旦主體結(jié)構(gòu)有微量變形，只能重新張拉索網(wǎng)，否則將造成拉索松弛、變形過大而使玻璃面板之間產(chǎn)生擠壓破碎的后果。因此，調(diào)節(jié)端的設(shè)置是非常有必要的[7-8]。

3.5 拉索幕墻中開啟窗和門的實(shí)現(xiàn)

由于拉索幕墻結(jié)構(gòu)支撐件少，構(gòu)造難度較高，故通常情況下不設(shè)開啟窗和門。本項(xiàng)目通過特制的鋼質(zhì)轉(zhuǎn)接件，實(shí)現(xiàn)了在拉索幕墻上連續(xù)可開啟窗和門的設(shè)置。

3.5.1 拉索幕墻中開啟窗的構(gòu)造設(shè)計(jì)

1）開啟窗框的固定。國金項(xiàng)目拉索幕墻設(shè)計(jì)中有大量整排開啟窗（圖4），垂直向有6樘連續(xù)開啟窗，窗高約800 mm；水平向?yàn)?4樘，寬度約1 500 mm。開啟窗框采用鋁框，構(gòu)造上無法實(shí)現(xiàn)與拉索之間的直接固定。本項(xiàng)目在開窗部位截?cái)嘭Q向拉索，把每段厚20 mm、長約2.5 m的2塊鋼板豎向依次固定于垂直方向拉索上。采用特制鋼質(zhì)轉(zhuǎn)接頭，一端連接豎向拉索索頭，另一端夾住鋼板。開啟窗框轉(zhuǎn)接件與鋼板之間用螺絲或焊接固定（圖5），解決了開啟窗框的支撐固定問題。

圖4 拉索幕墻開啟窗效果

圖5 拉索幕墻開啟窗構(gòu)造大樣

2）索網(wǎng)與窗框的同步變形。豎向連續(xù)開啟窗跨越橫索的部位，需解決開啟窗框與橫索的同步變形問題。用特制鋼轉(zhuǎn)接件通過φ35 mm銷軸分別與上、下端窗框鋼板連接，把固定橫索的索夾固定于轉(zhuǎn)接件上，確保轉(zhuǎn)接件與橫索相對轉(zhuǎn)動，保持窗邊的橫索在24 m跨度內(nèi)連續(xù)不間斷，實(shí)現(xiàn)開啟窗框與橫索、豎索之間的同步變形，確保了拉索幕墻的整體安全性和水密性。同時(shí)考慮到窗扇位于高處，只能借助設(shè)備采用自動開窗的形式。

3.5.2 拉索幕墻中門的構(gòu)造設(shè)計(jì)

1）首層旋轉(zhuǎn)門和平開門的構(gòu)造設(shè)計(jì)。國金項(xiàng)目拉索幕墻落地，首層主入口處需設(shè)門。首層以旋轉(zhuǎn)門和平開門為主。拉索幕墻的變形位移量約為100 mm，經(jīng)常啟閉的門誤差最多為2 mm，所以拉索幕墻不能與門直接相連接。采用在門上端增加大鋼梁，把拉索和門分為上下2個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，分別解決拉索和門的構(gòu)造及變形差異問題。在旋轉(zhuǎn)門頂部增加大鋼梁，梁上端用于固定拉索，下端用于固定門框或地彈簧天地門軸，以此來解決首層所有門及門框的固定問題。

2）獨(dú)立單扇門的設(shè)計(jì)。采用拉索封邊鋁框與門框之間的相對滑移構(gòu)造，解決門框和拉索之間的變形不同步問題。高區(qū)拉索幕墻的出入口為平衡易推門，即平開門，高約2.5 m、寬約1.5 m，恰為一個(gè)玻璃分格。采用厚20 mm、寬550 mm的鋼板組成門框，鑲嵌于拉索幕墻的一個(gè)分格單元內(nèi)。門框頂部拉索夾具固定住鋁合金邊框，邊框與門框之間采用2道密封膠條封閉，確保拉索幕墻與門框之間能相對伸縮且位移量大于100 mm。門框與底部主體結(jié)構(gòu)之間單獨(dú)固定，與索網(wǎng)完全脫離，索網(wǎng)的變形不受門框的影響，門框兼有雨棚功能。

4 結(jié)語

上海國際金融中心項(xiàng)目拉索幕墻的結(jié)構(gòu)索網(wǎng)體系由正交單層索組成，具有穩(wěn)定性好、變形小等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了拉索幕墻上連續(xù)可開啟窗和門的設(shè)置，其外觀更加通透、簡潔，深受建筑師的青睞。預(yù)應(yīng)力雙向單層拉索幕墻的使用，使得像國金項(xiàng)目這種大空間、大跨度的高難度拉索幕墻得以實(shí)現(xiàn)并成為建筑藝術(shù)佳品，具有廣闊的應(yīng)用前景。