大跨度幕墻結(jié)構(gòu)形式的選擇

蔡宏陽 建研科技股份有限公司

梁云東 中國建筑科學(xué)研究院有限公司

1 概述

建筑幕墻在我國已經(jīng)發(fā)展了幾十年，常規(guī)幕墻結(jié)構(gòu)的技術(shù)已非常成熟，在各大工程中得到了廣泛的應(yīng)用。隨著經(jīng)濟的發(fā)展、生活水平的提高以及審美觀念的提升，常規(guī)幕墻結(jié)構(gòu)形式已經(jīng)不能完全滿足業(yè)主和建筑師的需求，隨之出現(xiàn)了非常規(guī)的大跨度幕墻結(jié)構(gòu)形式，而大跨度的幕墻結(jié)構(gòu)形式并不是一般常規(guī)幕墻結(jié)構(gòu)的簡單延長和截面的加大就可以的滿足的，往往需要更高難度的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造設(shè)計，對幕墻設(shè)計師的要求也會更高。本文給出了一些適合大跨度幕墻的結(jié)構(gòu)形式，分析其特點并給出其典型的節(jié)點構(gòu)造，以及實際工程應(yīng)用案例，供涉及大跨度幕墻結(jié)構(gòu)形式時選擇參照。

2 大跨度幕墻結(jié)構(gòu)形式

常規(guī)幕墻的跨度一般情況下為一個層高的高度，支撐結(jié)構(gòu)多為鋁結(jié)構(gòu)或鋼結(jié)構(gòu)形式。而大跨度幕墻一般超過一個層高，有些大跨度已經(jīng)達到十幾米甚至幾十米。大跨度幕墻結(jié)構(gòu)形式需根據(jù)工程的造型、跨度、主體結(jié)構(gòu)剛度、支承情況、荷載大小、建筑功能、視覺效果、面板分格、室內(nèi)人員視線要求和安全防護要求等因素綜合分析確定，可從下列常見形式中選用。

（1）單截面梁式支承結(jié)構(gòu)形式，可采用簡支梁、懸臂梁、連續(xù)梁等形式；

（2）桁架支承結(jié)構(gòu)形式，可采用平面桁架、立體桁架、空腹桁架等形式；

（3）索支承結(jié)構(gòu)形式，可采用單向豎索、平面索網(wǎng)、曲面索網(wǎng)等形式；

（4）索桿支承結(jié)構(gòu)形式，可采用索桁架、自平衡索桁架、張弦結(jié)構(gòu)等形式；

（5）玻璃支承結(jié)構(gòu)形式；

（6）除1~5款外，大跨度幕墻支承結(jié)構(gòu)形式還可采用網(wǎng)殼、網(wǎng)架、拱等形式。

上述常見的大跨度幕墻結(jié)構(gòu)形式都有其不同的特點、節(jié)點構(gòu)造以及高跨比和撓度限值，具體分析如下。

2.1 單截面梁式支承結(jié)構(gòu)形式

單截面梁式支承結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、對主體結(jié)構(gòu)的作用力很小、制作與安裝相對都比較簡單且成本預(yù)算較低；缺點是不適宜特別大的跨度，跨度過大會由于耗鋼量過大而不經(jīng)濟，同時截面高度過大需考慮側(cè)向穩(wěn)定的問題。其截面形式可采用方管、圓管、T型和板肋截面等。由于此種結(jié)構(gòu)形式室內(nèi)占用空間小，輕盈、簡潔、美觀備受建筑師的青睞。其截面高度與跨度存在一定的關(guān)系，建議單截面梁式構(gòu)件截面高度一般可取跨度的1/15~1/20。跨度不大于4500mm時，撓度容許值宜取其跨度的1/180；跨度大于4500mm且不大于7000mm時，撓度容許值宜取其跨度的1/250+7mm；跨度大于7000mm時，撓度容許值宜取其跨度的1/200。

單截面梁式支承結(jié)構(gòu)形式的典型節(jié)點構(gòu)造如圖1所示。

單截面梁式支承結(jié)構(gòu)形式計算簡便，工程應(yīng)用廣，典型工程實例如圖2、圖3、圖4所示。

2.2 桁架支承結(jié)構(gòu)形式

桁架支承結(jié)構(gòu)形式是格構(gòu)化的一種梁式結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)剛度較大，與單截面梁式幕墻結(jié)構(gòu)形式相比，同樣的材料用量可實現(xiàn)更大的抗彎強度，從而適應(yīng)更大的跨度，該形式多用于跨度較大的場館類項目上。缺點是桿件數(shù)量較多，通透性會受到影響且室內(nèi)占用空間較多。實際工程中采用坐地式下端鉸接較多，應(yīng)特別注意上端與主體結(jié)構(gòu)的連接構(gòu)造，需考慮適應(yīng)主體結(jié)構(gòu)的變形且不能承受主體結(jié)構(gòu)傳遞的荷載。桁架高度一般可取跨度的1/12~1/16，撓度容許值宜取其跨度的1/400。

桁架支承結(jié)構(gòu)形式典型節(jié)點構(gòu)造如圖5所示。

桁架支承結(jié)構(gòu)形式結(jié)構(gòu)布置靈活，工程應(yīng)用范圍非常廣，典型工程實例如圖6所示。

2.3 索支承結(jié)構(gòu)形式

索支承結(jié)構(gòu)形式根據(jù)索是否可見可分為明索、隱索和型材隱索幾種。索結(jié)構(gòu)優(yōu)點為結(jié)構(gòu)簡潔、通透性好，幾乎不占用室內(nèi)空間；缺點為剛度較差，對主體結(jié)構(gòu)拉力非常大，主體結(jié)構(gòu)在設(shè)計時應(yīng)嚴(yán)格考慮此作用，一般不適宜大面積采用。由于其受力復(fù)雜，有時需進行找形和施工模擬分析，給幕墻設(shè)計師帶來了非常大的挑戰(zhàn)。

索結(jié)構(gòu)幕墻看似簡單，實際上需要嚴(yán)格的工程管控、細節(jié)處理才能確保質(zhì)量，近年來，應(yīng)用索幕墻的項目越來越多，以下常見的一些問題需特別注意。

（1）夾具壓塊邊距過小，玻璃受力不合理，玻璃邊角部容易產(chǎn)生集中應(yīng)力，導(dǎo)致玻璃破壞。

（2）豎向索為主結(jié)構(gòu)應(yīng)置于后端，橫向索在前端，自重荷載主要由橫索承擔(dān)，違背了單層索網(wǎng)中橫索直拉時不承受重力荷載的原則。

（3）在單索夾具方面，重心過遠對于構(gòu)造的安全性有損害，包括建筑師希望的藝術(shù)節(jié)點，都應(yīng)該慎重處理，確保構(gòu)造安全。

（4）當(dāng)索幕墻受力變形時，整幅幕墻角部玻璃將向兩個不同方向變形，可采用將邊緣、角部設(shè)計成滑動、轉(zhuǎn)動的組合，適應(yīng)索的動態(tài)移位，釋放應(yīng)力。

索結(jié)構(gòu)撓度控制較之前兩種大跨度幕墻結(jié)構(gòu)形式有所不同，而且平面和曲面也有一定的差別。單層平面索網(wǎng)或單索幕墻撓度容許值宜取其跨度的1/45；曲面索網(wǎng)、雙層索系玻璃幕墻及雙層索系玻璃采光頂撓度容許值宜取其跨度的1/200。

索支承結(jié)構(gòu)形式典型節(jié)點構(gòu)造如圖7、圖8所示。

索支承結(jié)構(gòu)形式實際應(yīng)用項目較多，典型工程實例如圖9~圖12所示。

2.4 索桿支承結(jié)構(gòu)形式

索桿支承結(jié)構(gòu)形式承載力較高，結(jié)構(gòu)剛度較大，通透性好；索桁架對結(jié)構(gòu)拉力較大，主體結(jié)構(gòu)在設(shè)計時應(yīng)考慮到此作用；自平衡索桁架和張弦結(jié)構(gòu)對主體結(jié)構(gòu)的作用力較小。索桁架矢高宜取跨度的1/10~1/20；張弦拱的垂度宜取跨度的1/10~1/14；索桁架和張弦結(jié)構(gòu)玻璃采光頂撓度容許值宜取其跨度的1/200。

索桿支承結(jié)構(gòu)形式典型節(jié)點構(gòu)造如圖13所示。

索桿支承結(jié)構(gòu)形式實際應(yīng)用項目如圖14、圖15、圖16所示。

2.5 玻璃支承結(jié)構(gòu)形式

玻璃支承結(jié)構(gòu)形式一般是以玻璃作為支撐的結(jié)構(gòu)形式。較常見的全玻幕墻是玻璃支承結(jié)構(gòu)的一種表現(xiàn)形式，但常規(guī)的全玻幕墻一般跨度不大，依據(jù)現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)即可完成設(shè)計工作。本文所提到的適應(yīng)大跨度幕墻形式的玻璃結(jié)構(gòu)是一種超出全玻幕墻之外的玻璃結(jié)構(gòu)形式，通常為坐地式的安裝，玻璃面板及玻璃肋一般采用夾層玻璃的形式?？煞譃闊o肋玻璃結(jié)構(gòu)、有肋玻璃結(jié)構(gòu)和互為支撐玻璃結(jié)構(gòu)三種形式，這種結(jié)構(gòu)形式新穎、通透。隨著玻璃生產(chǎn)加工工藝的進步，這種結(jié)構(gòu)形式的幕墻的體量、跨度也越來越大，涌現(xiàn)出一批國內(nèi)外知名的幕墻項目。但這種結(jié)構(gòu)形式設(shè)計和施工技術(shù)難度都較高，且現(xiàn)階段暫時沒有可參照的國家標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計時需進行充分的結(jié)構(gòu)分析和實驗以及專家論證。

玻璃結(jié)構(gòu)分析時，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)類型、材料性能和受力特點、開裂可能造成的災(zāi)害情況來選擇線性、非線性或試驗分析方法。對于需要進行防倒塌專項設(shè)計的玻璃結(jié)構(gòu)，應(yīng)采用數(shù)值模擬仿真或試驗分析方法對其進行整體作用效應(yīng)分析。對于關(guān)鍵受力的玻璃構(gòu)件或節(jié)點，應(yīng)采用數(shù)值模擬仿真或試驗方法對其進行局部作用效應(yīng)分析。

面外受彎構(gòu)件的容許撓度取其跨度的1/200。

玻璃支承結(jié)構(gòu)形式典型節(jié)點構(gòu)造如圖17所示。

玻璃支承結(jié)構(gòu)形式實際應(yīng)用項目如圖18~圖22所示。

2.6 其它支承結(jié)構(gòu)形式

其它支承結(jié)構(gòu)形式一般是以網(wǎng)殼、網(wǎng)架、拱等為主要形式，應(yīng)用在采光頂項目中為多，參照現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)并借助有限元分析一般可實現(xiàn)。網(wǎng)架高跨比可取1/10~1/18；球面網(wǎng)殼的跨矢比不宜小于1/7；圓柱面網(wǎng)殼的矢高可取寬度的1/3~1/6；橢圓拋物面網(wǎng)殼每個方向的矢高可取短向跨度的1/6~1/9。網(wǎng)架、桁架、雙層網(wǎng)殼的撓度限值宜取其跨度的1/250；拱架、單層網(wǎng)殼撓度限值宜取其跨度的1/400。

3 結(jié)論及建議

通過對常見大跨度幕墻結(jié)構(gòu)形式的介紹及其節(jié)點構(gòu)造和相應(yīng)實際案例的分享，可得出如下結(jié)論。

①大跨度幕墻可選擇的結(jié)構(gòu)形式多種多樣，并不限于本文所介紹的幾種結(jié)構(gòu)形式，實際工程中應(yīng)根據(jù)業(yè)主和建筑師的要求進行選取。

②大跨度幕墻結(jié)構(gòu)形式不同，構(gòu)造也不同，所采用的撓度限制不同，適用的高度也不相同。需根據(jù)具體項目實際情況選取適合的幕墻形式，并根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)形式進行不同的撓度限制控制。

③大跨度幕墻結(jié)構(gòu)較之常規(guī)幕墻結(jié)構(gòu)復(fù)雜很多，依據(jù)現(xiàn)行規(guī)范有些問題不能完全解決，需借助有限元軟件進行充分的結(jié)構(gòu)分析，甚至需要經(jīng)過專家論證。

④不同形式的大跨度幕墻結(jié)構(gòu)特點不同、受力模型不同，應(yīng)特別關(guān)注其專項的設(shè)計要點和注意事項。

本文重點介紹了幾種常見的適合大跨度幕墻的結(jié)構(gòu)形式，給出了每種結(jié)構(gòu)形式的典型節(jié)點構(gòu)造和應(yīng)用案例，供技術(shù)人員參考。選用時需根據(jù)實際項目的具體情況進行分析，并結(jié)合其特殊的使用要求、使用條件和注意事項選擇合適的幕墻結(jié)構(gòu)形式?，F(xiàn)行規(guī)范沒有具體規(guī)定的結(jié)構(gòu)形式要進行充分的研究，經(jīng)濟性和結(jié)構(gòu)冗余度的問題需要重點考慮。

互為支撐玻璃結(jié)構(gòu)形式為一種小眾新穎的結(jié)構(gòu)形式，工程應(yīng)用案例還不多。在高度超高時，為防止極端情況出現(xiàn)，建議采取“主體結(jié)構(gòu)抗震縫”概念，形成多個分區(qū)，避免一片玻璃失效導(dǎo)致連鎖破壞的情況發(fā)生，每區(qū)段邊緣設(shè)置有效支撐結(jié)構(gòu)。玻璃面板夾角越大，體系荷載作用響應(yīng)越大。夾角過大時，體系受力接近于對邊支承的簡支板，應(yīng)充分考慮強度和穩(wěn)定性驗算，控制玻璃面板夾角不宜過大。另外，超大板塊玻璃的運輸、施工安裝問題需進行充分的受力分析，同時也應(yīng)考慮玻璃面板的更換和維修問題。