超大面積弧面單層單向點(diǎn)支式拉索幕墻施工技術(shù)

張振禮 汪 濤 佘清雅

1. 上海建工二建集團(tuán)有限公司 上海 200080；2. 南昌市城鄉(xiāng)建設(shè)綜合行政執(zhí)法支隊(duì) 江西 南昌 330000

1 工程概況

南昌綠地國(guó)際博覽中心位于南昌市九龍湖新城起步區(qū)綠地國(guó)際博覽城核心地段，是國(guó)際先進(jìn)的第三代會(huì)展中心，對(duì)加大市場(chǎng)化運(yùn)作力度，推進(jìn)會(huì)展產(chǎn)業(yè)與區(qū)域旅游產(chǎn)業(yè)緊密結(jié)合，助力打造南昌核心增長(zhǎng)點(diǎn)有著重要意義。建筑立面應(yīng)用大面積的框架金屬幕墻和拉索玻璃幕墻構(gòu)成強(qiáng)烈虛實(shí)對(duì)比，增強(qiáng)了室內(nèi)外公共空間的聯(lián)系，雍容大氣、風(fēng)采多姿。

項(xiàng)目幕墻系統(tǒng)總面積達(dá)3萬(wàn) m2，由前廳拉索幕墻系統(tǒng)、金屬板幕墻系統(tǒng)和框架玻璃幕墻系統(tǒng)等組成，其中前廳拉索幕墻面積約1.8萬(wàn) m2，高度約27 m，總延長(zhǎng)米約670 m。

結(jié)合展館A～G這7個(gè)連續(xù)獨(dú)立結(jié)構(gòu)分區(qū)，前廳拉索幕墻由變形縫劃分為5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)段和2個(gè)山墻轉(zhuǎn)角組合段（圖1），共7個(gè)施工段。

圖1 拉索幕墻平面分布

2 設(shè)計(jì)概況

2.1 系統(tǒng)特征

傳統(tǒng)拉索幕墻多采用交叉索網(wǎng)系統(tǒng)，本工程拉索幕墻在傳統(tǒng)雙層、單層交叉索網(wǎng)幕墻的基礎(chǔ)上，為實(shí)現(xiàn)建筑效果的極致通透和輕盈美觀，針對(duì)幕墻面積超大、高度超高、立面為曲面的特點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，取消橫向拉索設(shè)置，通過(guò)不同直徑的豎向鋼索組成單層單向點(diǎn)支拉索幕墻體系體系，幕墻結(jié)構(gòu)僅由豎向鋼索承受，通過(guò)拉索張拉后的預(yù)應(yīng)力滿足幕墻的抗風(fēng)和自重承載需求[1-3]。該系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

1）構(gòu)造設(shè)計(jì)應(yīng)消除索結(jié)構(gòu)在幕墻自重下的變形影響，保證幕墻系統(tǒng)在任何荷載組合作用下，拉索均處于受拉狀態(tài)。

2）拉索的規(guī)格設(shè)計(jì)科學(xué)，拉索最小破斷拉力滿足實(shí)際需要。

3）拉索跨度大，拉索拉力大，對(duì)拉索拉力大小控制精準(zhǔn)，幕墻玻璃安裝質(zhì)量高。

4）幕墻玻璃安裝簡(jiǎn)便，大大改善了柔性支承體系上的幕墻拼縫的質(zhì)量感觀效果。

2.2 結(jié)構(gòu)體系

本工程拉索幕墻標(biāo)準(zhǔn)區(qū)段橫向跨度89.43 m，由變形縫分隔，包括36根豎向鋼索。端部山墻轉(zhuǎn)角連接段最大連續(xù)長(zhǎng)度94.87 m。

本工程拉索幕墻豎向鋼索長(zhǎng)約28 m，上端固定鋼梁和下端基礎(chǔ)及埋件應(yīng)根據(jù)拉索設(shè)計(jì)施加的預(yù)應(yīng)力，保證拉索預(yù)應(yīng)力施加后的穩(wěn)定性。上端連接在屋蓋鋼結(jié)構(gòu)桁架上（圖2），與鋼結(jié)構(gòu)屋蓋形成一個(gè)整體，下端連接在混凝土基座之上（圖3），基礎(chǔ)自重大，整體性好，拉索埋件設(shè)置合適，同時(shí)將張拉端設(shè)置在下部基礎(chǔ)端，便于施工，安全易操作。

圖2 拉索幕墻上端固定節(jié)點(diǎn)

圖3 拉索幕墻下端固定節(jié)點(diǎn)

豎向拉索選用φ38 mm高釩索，拉索標(biāo)準(zhǔn)側(cè)向間距2.484 m，變形縫處1.15 m，橫向依靠玻璃面板提供剛度和支撐。玻璃面板板材（括號(hào)內(nèi)為山墻轉(zhuǎn)角段）選用TP10（12）＋12Ar＋TP10（12）超白中空鋼化雙銀Low-E玻璃，標(biāo)準(zhǔn)玻璃面板尺寸2 484 mm×1 937.5 mm，因弧面曲率較小，由直線段玻璃分格擬合圓弧拼裝而成，連續(xù)拼接夾角約179.5°。面板間采用中性硅酮結(jié)構(gòu)密封膠密封。面板固定采用定制不銹鋼球鉸式固定夾具（圖4），玻璃與夾具間采用EPDM三元乙丙橡膠墊片過(guò)渡連接，夾具固定轉(zhuǎn)向靈活，避免緊固受力時(shí)夾具轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)玻璃面板產(chǎn)生不利影響。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)不銹鋼夾具連接節(jié)點(diǎn)

端頭轉(zhuǎn)角部位考慮到外部荷載作用下邊緣構(gòu)件的應(yīng)力集中，豎向拉索根據(jù)受力計(jì)算調(diào)整為φ45 mm、φ65 mm高釩索，夾具間局部增設(shè)橫向不銹鋼彈簧阻尼拉桿（圖5），用以抑制風(fēng)振反應(yīng)，控制轉(zhuǎn)角區(qū)域的側(cè)向位移和位移速度，確保幕墻結(jié)構(gòu)安全。

圖5 轉(zhuǎn)角部位幕墻連接節(jié)點(diǎn)

3 重難點(diǎn)分析及針對(duì)措施

3.1 系統(tǒng)性能無(wú)經(jīng)驗(yàn)可循

本工程超大面積超高單層單向拉索幕墻體系應(yīng)用在國(guó)內(nèi)外尚屬罕見(jiàn)，一般情況單向拉索不適合應(yīng)用于大面積幕墻立面，高度不宜大于15 m。單層單向預(yù)應(yīng)力鋼索不僅需要承受幕墻玻璃的豎向荷載，還需要承受風(fēng)荷載等水平荷載，和玻璃板材及板材間結(jié)構(gòu)膠共同形成幕墻結(jié)構(gòu)體系總體剛度，國(guó)內(nèi)外尚無(wú)此類成熟應(yīng)用，因此需要通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證該幕墻體系的各項(xiàng)性能是否滿足要求。

3.2 施工工期緊、任務(wù)重

本工程工期緊、任務(wù)重，需要科學(xué)劃分前廳幕墻施工段和施工部署，合理布置幕墻材料運(yùn)輸、堆放和安裝施工場(chǎng)地，分段施工，為后續(xù)工種施工盡快讓出工作面。

3.3 測(cè)量精度要求高

本工程立面造型呈內(nèi)凹外凸的弧面造型，測(cè)量放線工作量大且精度要求高，且需要考慮屋蓋鋼桁架結(jié)構(gòu)施工變形及溫度變形影響，需要通過(guò)過(guò)程檢測(cè)數(shù)據(jù)指導(dǎo)幕墻設(shè)計(jì)和施工，正確調(diào)整施工預(yù)控值。

為保障測(cè)量精度和及時(shí)性，項(xiàng)目成立獨(dú)立測(cè)量團(tuán)隊(duì)，配置高精度的測(cè)量?jī)x器徠卡0.5秒級(jí)TS30全站儀，確保工程實(shí)施精度需求；過(guò)程中強(qiáng)化對(duì)屋蓋鋼桁架結(jié)構(gòu)體系的動(dòng)態(tài)跟蹤監(jiān)測(cè)；結(jié)合施工氣候、氣象條件選擇合適測(cè)量時(shí)間，避免鋼結(jié)構(gòu)因溫度變化影響測(cè)量精度。

3.4 拉索安裝施工難度高

安裝施工過(guò)程中，由于前場(chǎng)為連續(xù)等曲率凹弧面造型，拉索最終成形形狀既需要滿足幕墻安裝的精度要求，還需要保證預(yù)應(yīng)力張拉過(guò)程中多工況狀態(tài)下的張拉力平衡，使玻璃面板始終保持垂直不變。

受鋼桁架屋面結(jié)構(gòu)體系構(gòu)造設(shè)置及變形影響，標(biāo)準(zhǔn)區(qū)段拉索安裝自兩側(cè)向中間同步對(duì)稱安裝。拉索連續(xù)對(duì)稱張拉過(guò)程中，后期拉索張拉造成上端鋼構(gòu)件變形，會(huì)減小先期相鄰已完成張拉拉索的索力，同時(shí)上端受力鋼梁的應(yīng)力重分布會(huì)對(duì)同區(qū)段其他已張拉拉索造成不利影響，因此需要對(duì)張拉過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)計(jì)算分析和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并采取如下針對(duì)性措施：

1）結(jié)合計(jì)算分析優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)區(qū)段張拉順序，通過(guò)跳拉等措施減小索力相互影響。

2）分級(jí)張拉過(guò)程中強(qiáng)化索力變化監(jiān)測(cè)和分析，總結(jié)索力相互影響的變化規(guī)律，動(dòng)態(tài)調(diào)整張拉方案，控制索力變化偏差值不大于3%。

3）分級(jí)張拉完成后，系統(tǒng)檢測(cè)分區(qū)所有拉索索力，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)要求進(jìn)行微調(diào)，保障拉索系統(tǒng)整體受力滿足要求。

4 幕墻性能試驗(yàn)

本工程單層單向拉索幕墻設(shè)計(jì)超過(guò)過(guò)往同類工程應(yīng)用極限，為驗(yàn)證幕墻體系的各項(xiàng)性能，經(jīng)對(duì)全國(guó)多家檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)研和溝通，最終確定委托湖北省建筑工程質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試中心進(jìn)行幕墻性能試驗(yàn)檢測(cè)。

結(jié)合本工程拉索幕墻應(yīng)用實(shí)際情況，為最大限度還原應(yīng)用實(shí)際狀況，確定試樣系統(tǒng)寬9 936 mm，高9 688 mm，由25塊標(biāo)準(zhǔn)玻璃分格和6根拉索組成，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)共制作2組試樣滿足試驗(yàn)檢測(cè)項(xiàng)目需求。依據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 15227進(jìn)行氣密性能、靜態(tài)水密性能、風(fēng)壓變形性能和平面內(nèi)變形性能檢測(cè)測(cè)試，再依據(jù)美標(biāo)ASTM E283、AAMA501.1/501.4、ASTM E330進(jìn)行氣密性能、動(dòng)態(tài)水密性能、層間側(cè)向位移性能、靜態(tài)水密性能和風(fēng)荷載下結(jié)構(gòu)安全性能檢測(cè)測(cè)試（圖6）。

圖6 幕墻性能測(cè)試實(shí)景

1）氣密性能國(guó)標(biāo)檢測(cè)幕墻整體部分透氣量在正負(fù)壓下均為0.3 m3/（m2·h），滿足國(guó)標(biāo)不大于0.5 m3/（m2·h）要求，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)4級(jí)要求。美標(biāo)兩次氣密性能測(cè)試幕墻固定透氣量分別為0.311、0.655 m3/（m2·h），滿足不大于1.08 m3/（m2·h）要求。

2）靜態(tài)水密性能測(cè)試（國(guó)標(biāo)）壓力在700 Pa時(shí)，2處玻璃夾具內(nèi)側(cè)出現(xiàn)水滴狀滲漏，1處膠縫內(nèi)側(cè)出現(xiàn)水滴狀滲漏，但未出現(xiàn)持續(xù)噴濺出試件界面或者持續(xù)流出試件界面的嚴(yán)重滲漏現(xiàn)象，達(dá)到國(guó)標(biāo)2級(jí)要求。靜態(tài)水密性能測(cè)試（美標(biāo)）結(jié)果與國(guó)標(biāo)類似，經(jīng)補(bǔ)膠復(fù)試后未滲水，符合要求。

3）動(dòng)態(tài)水密性能測(cè)試（美標(biāo)），1處玻璃夾具內(nèi)側(cè)出現(xiàn)水滴間斷滴落滲水，未連成線，經(jīng)夾具節(jié)點(diǎn)補(bǔ)膠復(fù)試后未滲水，符合要求。第二次動(dòng)態(tài)水密性能測(cè)試時(shí)未出現(xiàn)滲漏，符合要求。

4）風(fēng)壓變形性能測(cè)試（國(guó)標(biāo)）在1 000 Pa最大風(fēng)壓（負(fù)壓）時(shí)，拉索最大撓度149.9 mm＜容許撓度196.0 mm，玻璃最大撓度值40.5 mm＜容許撓度41.4 mm，抗風(fēng)壓變形測(cè)試符合要求。

5）層間側(cè)向位移性能測(cè)試（美標(biāo)），在液壓裝置推動(dòng)時(shí)間做側(cè)向?qū)娱g變形12 mm三次后，試件主要構(gòu)件及玻璃均未發(fā)生損壞，符合設(shè)計(jì)要求。

6）3次循環(huán)后平面內(nèi)變形性能測(cè)試（國(guó)標(biāo)）的平面位移量滿足標(biāo)準(zhǔn)2級(jí)性能要求。

7）美標(biāo)75%和150%風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)安全性能檢測(cè)，在對(duì)試件分別施加正負(fù)壓達(dá)到750 Pa和1 000 Pa時(shí)，試件主要構(gòu)件未出現(xiàn)損壞及明顯永久變形，試件未破壞，滿足設(shè)計(jì)要求。

5 總體技術(shù)路線及工藝流程

本工程超高單層單向拉索玻璃幕墻施工罕見(jiàn)，因此在設(shè)計(jì)階段需要考慮施工工藝流程和環(huán)境影響等各種不利因素進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)，過(guò)程中也應(yīng)強(qiáng)化設(shè)計(jì)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的跟進(jìn)指導(dǎo)和服務(wù)工作。同時(shí)在施工過(guò)程中應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況及時(shí)反饋設(shè)計(jì)，對(duì)施工方案尤其是張拉工藝進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，既要最大限度避免施工對(duì)屋蓋主體鋼結(jié)構(gòu)造成的不利影響，又需要保證幕墻體系施工與設(shè)計(jì)方案吻合。

針對(duì)本工程上端屋蓋鋼桁架體系分區(qū)獨(dú)立、同心弧向分布的特征，本工程標(biāo)準(zhǔn)區(qū)段拉索施工采用自兩端向中間、兩點(diǎn)對(duì)稱同步張拉、區(qū)段張拉完成后進(jìn)行玻璃安裝施工的總體施工技術(shù)路線。

方案階段通過(guò)仿真模擬計(jì)算，明確各區(qū)域拉索張拉預(yù)應(yīng)力，選擇相應(yīng)直徑拉索采用兩點(diǎn)同步張拉、單索分級(jí)張拉法施加預(yù)應(yīng)力以達(dá)到幕墻整體穩(wěn)定性要求。

6 拉索安裝施工要點(diǎn)

6.1 拉索預(yù)張拉

預(yù)應(yīng)力鋼索應(yīng)按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定在專業(yè)預(yù)應(yīng)力鋼索廠采用應(yīng)力下料，下料完成后應(yīng)對(duì)實(shí)際索長(zhǎng)進(jìn)行實(shí)測(cè)，索長(zhǎng)誤差需控制在±10 mm。為保證拉索的工作性能，在專業(yè)工廠內(nèi)應(yīng)進(jìn)行預(yù)張拉，消除拉索原有非彈性變形因素，保證其彈性工作性能要求，工廠內(nèi)預(yù)張拉次數(shù)不少于3次，張拉力為破斷力的45%～55%，持續(xù)時(shí)間不少于0.5 h，達(dá)到張拉時(shí)間后應(yīng)緩慢卸載。

6.2 拉索張拉分級(jí)

現(xiàn)場(chǎng)張拉施工前，應(yīng)以保障端部承載結(jié)構(gòu)構(gòu)件和拉索安全儲(chǔ)備，拉索過(guò)程受力不超過(guò)極限狀態(tài)設(shè)計(jì)值為原則，結(jié)合施工步驟計(jì)算各階段拉索目標(biāo)索力、結(jié)構(gòu)受力和索力變化數(shù)值，并匯集成表，確定過(guò)程階段張拉拉力控制值。

本工程以拉索設(shè)計(jì)索力分布為目標(biāo)值，方案階段確定按設(shè)計(jì)值30%、70%、105%實(shí)施三級(jí)張拉，張拉結(jié)束后對(duì)施工段內(nèi)所有拉索進(jìn)行檢測(cè)與微調(diào)。

后期受工程施工工期影響，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)將張拉方案調(diào)整為設(shè)計(jì)值60%、105%的二級(jí)張拉加檢測(cè)微調(diào)并獲得成功應(yīng)用，但山墻轉(zhuǎn)角施工段因構(gòu)造復(fù)雜，仍采用三級(jí)張拉方案確保工程實(shí)施質(zhì)量。

6.3 張拉設(shè)備操作要點(diǎn)

本工程下端拉索張拉設(shè)備選用已成熟的成套液壓張拉設(shè)施（圖7），實(shí)際施工前對(duì)張拉設(shè)施按照分級(jí)張拉方案進(jìn)行標(biāo)定，保證張拉施工質(zhì)量，便于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施操作。

圖7 拉索張拉設(shè)施及施工

張拉設(shè)備應(yīng)結(jié)合施工工藝要求對(duì)稱安裝，確保設(shè)施索孔形心與豎向拉索設(shè)計(jì)位置一致，杜絕張拉過(guò)程出現(xiàn)偏心現(xiàn)象。張拉施工應(yīng)嚴(yán)格遵循施工操作要求，強(qiáng)化索力變化檢測(cè)，嚴(yán)格控制加壓速度和分級(jí)目標(biāo)索力。

張拉施工過(guò)程中，為確保方案同步對(duì)稱張拉實(shí)施效果，在張拉施工分級(jí)的基礎(chǔ)上，對(duì)各級(jí)張拉過(guò)程按10%索力變化進(jìn)行細(xì)分過(guò)程控制分級(jí)，間隔停頓實(shí)時(shí)測(cè)量拉力變化和拉索伸長(zhǎng)量。

6.4 張拉過(guò)程索力監(jiān)測(cè)

拉索施工應(yīng)用多組索力動(dòng)測(cè)儀和配套液壓傳感器對(duì)分級(jí)張拉過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)檢測(cè)，張拉過(guò)程中通過(guò)動(dòng)測(cè)儀實(shí)時(shí)檢測(cè)索力變化并匯總階段成果，既用于對(duì)稱張拉過(guò)程中的控制和指導(dǎo)，又用于施工段內(nèi)索力影響變化的階段分析。

7 玻璃面板安裝施工

玻璃面板的安裝質(zhì)量是幕墻體系能否滿足設(shè)計(jì)建筑效果的關(guān)鍵，因此也應(yīng)嚴(yán)格控制玻璃安裝各個(gè)環(huán)節(jié)的施工質(zhì)量。本工程玻璃面板安裝采用吊車配合駁運(yùn)，吊籃施工，自上而下，從中間向兩端對(duì)稱推進(jìn)的施工方案，其過(guò)程控制要點(diǎn)如下：

1）玻璃板材水平駁運(yùn)和吊籃豎向吊運(yùn)過(guò)程中，均應(yīng)采取對(duì)應(yīng)的成品保護(hù)措施，避免板材及邊緣處出現(xiàn)破損。

2）吊籃豎向吊運(yùn)應(yīng)緩慢勻速，施工人員在吊籃內(nèi)用吸盤(pán)穩(wěn)定玻璃。

3）吊運(yùn)至安裝位置后，人工將玻璃推送至已安裝不銹鋼夾具處，先臨時(shí)固定下角，后臨時(shí)固定上角，夾具出現(xiàn)偏轉(zhuǎn)應(yīng)及時(shí)調(diào)整，當(dāng)板材四周間隙調(diào)整符合設(shè)計(jì)要求后，將不銹鋼六角螺栓緊固至設(shè)計(jì)值。

4）施工段整個(gè)區(qū)域施工完畢后，相關(guān)單位對(duì)板材固定、立面整體平整度進(jìn)行檢查驗(yàn)收后，方可進(jìn)行板材縫隙及夾具間隙處密封施工，密封用膠、施工工藝應(yīng)符合規(guī)范和設(shè)計(jì)要求。

8 結(jié)語(yǔ)

南昌綠地國(guó)際博覽中心單層單向點(diǎn)支式拉索幕墻體系結(jié)構(gòu)形式前衛(wèi)、新穎，超越傳統(tǒng)應(yīng)用限制。本工程通過(guò)科學(xué)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)驗(yàn)證、特制支撐夾具、規(guī)范張拉工藝等措施，實(shí)現(xiàn)了幕墻實(shí)施效果與設(shè)計(jì)方案的吻合和成功應(yīng)用，為后續(xù)在類似幕墻工程中的應(yīng)用積累了經(jīng)驗(yàn)。