梅花形曲面玻璃幕墻設(shè)計(jì)

    無(wú)錫新區(qū)科技交流中心設(shè)計(jì)為梅花——無(wú)錫市市花，是一座富有時(shí)代感和科技特色的地標(biāo)性建筑，建筑面積約36000m2，主體為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，平面布置布置（如圖1所示），地下1層，地上3層，局部4層，屋面結(jié)構(gòu)層為鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)殼，其外層為平滑連續(xù)起伏的金屬表面，檐口標(biāo)高最矮處為129.m，最高處為31.2m。梅花形建筑立面的底部2層向內(nèi)收進(jìn)，3層鋼平臺(tái)（9m標(biāo)高處）沿建筑周邊挑出約5m作為景觀走廊。建筑主體外立面是夾板式點(diǎn)支玻璃幕墻，采用無(wú)孔的Low-E中空玻璃：厚度10+12A+10mm，弧形彎鋼化。晶瑩剔透的梅花形體點(diǎn)支式玻璃幕墻展開面積近10000m2。

    二、幕墻支承體系的方案設(shè)計(jì)

    針對(duì)梅花形曲面玻璃幕墻的工程特點(diǎn)，對(duì)支承結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行了4個(gè)設(shè)計(jì)方案比較。設(shè)計(jì)過(guò)程中先后共提出過(guò)4種傳力體系設(shè)計(jì)方案：方案一為拉索吊掛體系；方案二為桁架吊掛體系；方案三為鋼柱支承體系；方案四為剛性挑梁支承體系。綜合對(duì)比分析建筑效果、結(jié)構(gòu)傳力、幕墻變形、施工難度和工程造價(jià)5項(xiàng)主要內(nèi)容，最終幕墻支承結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)選擇建筑效果簡(jiǎn)潔大方的剛性挑梁支承體系（如圖2所示）：景觀走廊以上的幕墻豎向荷載傳遞給37根懸挑的牛腿梁，部分荷載由194根鋼管柱（Φ203×16）傳遞給地下室頂板；水平荷載由組合鋼柱和鋼管柱有效地傳遞給混凝土結(jié)構(gòu)。將景觀走廊鋼平臺(tái)的徑向挑梁設(shè)計(jì)成“剛”性，選用I1000×300×30×16焊接工字形型鋼，同時(shí)將根部節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)為“剛”性，選用H600×300×25×16的H型鋼短柱澆筑到主體混凝土圓柱內(nèi)，作為特殊的預(yù)埋件，如圖3所示：

    梅花形曲面玻璃幕墻的支承體系為超靜定結(jié)構(gòu)，景觀走廊的懸挑鋼梁和其下方的鋼管柱是重要的受力構(gòu)件，其變形將影響整個(gè)體系的受力和變形，由于懸挑梁和鋼管柱沿梅花形周邊布置，簡(jiǎn)化的平面計(jì)算模型無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)算各構(gòu)件的受力和變形，因此，采用SAP2000有限元分析軟件建立空間三維模型進(jìn)行整體分析。荷載組合考慮7種主要控制工況進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算與剛度驗(yàn)算。為了確保梅花形玻璃幕墻的結(jié)構(gòu)體系空間穩(wěn)定，在景觀走廊上空的混凝土環(huán)梁處設(shè)置水平鋼結(jié)構(gòu)支撐ZC1和ZC2（如圖4所示），由于“梅花”的花瓣尖端附近結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，因此在該處采取密布水平支撐的構(gòu)造措施。

    梅花形玻璃幕墻的面板體系設(shè)計(jì)主要考慮因素和相應(yīng)的選擇：

    1. 考慮建筑效果的通透性，選擇無(wú)框的點(diǎn)支式玻璃面板體系，玻璃基本分格尺寸設(shè)計(jì)為b×h=1680mm×2400mm。

    2. 考慮建筑節(jié)能，設(shè)計(jì)選擇中空Low-E玻璃，根據(jù)熱工計(jì)算和力學(xué)計(jì)算，玻璃截面尺寸選擇為10+12a+10mm。

    3. 慮節(jié)材性和加工性，玻璃的固定形式采用夾板式。中空玻璃無(wú)須鉆孔，可以節(jié)能節(jié)材，降低造價(jià)。

    4. 考慮“梅花”造型的逼真，設(shè)計(jì)采用弧形彎鋼化中空玻璃以便與建筑外輪廓弧線吻合；同時(shí)考慮合理降低工程造價(jià)，在保證不影響視覺(jué)效果、保證弧線平滑過(guò)渡的前提下，部分采用平直玻璃。其選用原則為：弧線的矢高δ與弦長(zhǎng)L的比值δ/L≥0.01時(shí)，選用弧形彎鋼化玻璃；δ/L<0.01時(shí)，選用平直玻璃。根據(jù)實(shí)物放樣確定，在“梅花”的每個(gè)花瓣尖端約40m范圍內(nèi)采用弧形彎鋼化玻璃（如圖5所示），其他部位選用平直玻璃。

    5．考慮中空玻璃沿弧形輪廓線安裝，玻璃之間的夾角會(huì)發(fā)生變化，且玻璃面板在水平荷載作用下應(yīng)能夾板中產(chǎn)生轉(zhuǎn)大的轉(zhuǎn)動(dòng)以釋放彎曲應(yīng)力，在不銹鋼夾板中巧妙地設(shè)計(jì)了球鉸裝置（如圖6所示）：其主要配件有前后夾頭、前后夾板和緊固螺栓，后夾板的尾部安裝在支撐結(jié)構(gòu)上，緊固螺栓將前、后夾板緊固在一起，前后夾頭為兩個(gè)同心的半球體，鉸接在夾板上。

    依據(jù)規(guī)范GB/T21086-2007的相關(guān)規(guī)定，梅花形玻璃幕墻的空氣滲透性能設(shè)計(jì)為3級(jí)要求，雨水滲漏性能亦設(shè)計(jì)為3級(jí)。大面的幕墻較容易保證氣密性和水密性，幕墻的上口封邊是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，既要保證幕墻的物理性能達(dá)到國(guó)家規(guī)范要求，又要達(dá)到建筑立面的美觀要求。通過(guò)多方案對(duì)比分析，設(shè)計(jì)的防水系統(tǒng)構(gòu)造包括：不銹鋼天溝、2㎜厚鋁板防水層、風(fēng)琴板防水膠條等構(gòu)件。雙曲面的蜂窩鋁板外包幕墻封口節(jié)點(diǎn)，使金屬屋面與玻璃幕墻自然過(guò)渡，確保建筑造型美觀，如圖7所示：

    通過(guò)對(duì)梅花形曲面玻璃幕墻的精心設(shè)計(jì)，選擇了合理的結(jié)構(gòu)支承體系，保證了結(jié)構(gòu)體系的簡(jiǎn)潔和安全；恰當(dāng)?shù)夭贾没⌒螐濅摶�中空玻璃和平直玻璃，既保證了幕墻的平滑過(guò)渡和美觀性的要求，又具有良好的經(jīng)濟(jì)性；巧妙的封口節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，確保了幕墻的物理性能，又滿足了建筑造型的美觀要求。