北京长安中心 曲面单向柔性索结构玻璃幕墙！

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   北京长安中心 曲面单向柔性索结构玻璃幕墙                                                

                                                                 －－－－王德勤

1、工程概况
　　北京长安中心位于北京市西城区南闹市口大街，建筑面积为188210m2，地下三层，地上十四层，檐高54.85m，结构类型为钢筋混泥土筏板基础，框架剪力墙结构。 幕墙立面是不规则双曲面幕墙与两侧直立面幕墙以及顶部采光顶组合而成。
　　幕墙结构构造特点：北立面入口两侧各采用一榀36.18m高的空间弯曲三角钢管桁架立柱，在立柱上部架设一榀24m跨度的空间弧形三角钢管桁架横梁；从地面往上7.9m布置第一道鱼尾式水平拉索桁架，然后依次每隔6.9m布置三道鱼尾式水平拉索桁架，拉索材质为高强铝包钢绞线；竖向从上至下每隔适当距离布置单根不锈钢拉索，拉索上、下两端分别与三角钢管桁架横梁以及地面土建结构相连接，中间贯穿水平拉索桁架；采光顶靠近土建结构处同样布置有一道空间三角钢管桁架横梁以整个幕墙结构自成体系，从而将幕墙结构产生的附加内力消耗在结构自身内部，只将水平风荷载以及竖向自重、地震荷载等传递给土建结构。可以看出，本方案结构布置合理，传力路径清晰；所用杆件较少，大多为钢索，通透性好，索系造型优美，视觉效果良好，体现了本工程的新颖性和独创性。
　　1．1、索结构的设计思路
　　建筑物北立面主入口采用结构形式新颖的大面积大跨度的柔索玻璃幕墙。结构由横向水平钢索桁架与竖向单索以及轻型钢结构组合形成承受幕墙荷载的索网结构,索网结构可靠的固定在主体建筑结构上。结构标高为36.430，共十一层，在三、五、七、九层布置水平索桁架，其水平跨度为24m，竖向单索最大垂直跨度为8m，幕墙结构的受力特征为竖向单索首先承受水平风荷载，再传递给横向水平钢索桁架，由横向水平钢索桁架交给轻型钢结构，最后传递到地面或者建筑主体结构。
　　对于水平索桁架：三层选用两根同时受力的?准30铝包钢绞线，五层选用两根同时受力的?准32铝包钢绞线，七层选用两根同时受力的?准34铝包钢绞线，九层选用两根同时受力的?准34铝包钢绞线；竖索选用?准22不锈钢钢绞线。
　　1．2、幕墙结构的受力特征及力的传递途径：
　　水平荷载作用在玻璃上，通过连接件传递给竖向单索，竖向单索对将水平力传递给水平鱼尾式索桁架上，水平索桁架又通过斜向撑杆和边部节点将水平力传递给建主体结构。
　　由于主体结构的每一层楼板只能承担水平力，不能承担竖向荷载，所以我们在顶部钢桁架与主体结构连接处设置了铰接机构，又在每一层楼板与钢结构连接处设置了可竖向滑动机构，使幕墙的竖向力传递到地面。
　　a.重力荷载：幕墙自重→索网夹具→钢索拉力→建筑主体结构→建筑基础→地面
　　b.风荷载：风荷载→玻璃面板→索网夹具→幕墙竖向索→水平索桁架→水平斜向撑杆→建筑主体结构→建筑基础
　　c.地震荷：地震荷载→玻璃面板→索网夹具→幕墙索网→建筑主体结构→建筑基础→地面  
　　d.钢索预拉力和温度、施工活荷载： 钢索预拉力→幕墙钢桁架→建筑主体结构→建筑基础→地面  
　　1．3、结构计算：
　　由于本工程的结构新颖独特性，受力、传力较为复杂，我们对支承结构做了整体计算，并对受力和传力的各项节点都进行了计算分析，特别是对连接节点处，大到钢桁架的脚座支点，小到耳板、钢轴销都全面进行了受力分析和详细的计算，特别是对索桁架和钢桁支承系统采用有限元计算程序Ansys8.0进行整体建模计算的同时又对关键节点处建实体模型，进行受力计算，确保本工程的安全性。
　　正风压标准值作用下结构计算
　　1．4、玻璃计算
　　玻璃计算采用有限元计算程序Ansys8.0，计算玻璃强度时荷载根据夹胶玻璃的内外片厚度将设计值进行分配，计算厚度各取分片玻璃的原厚度。计算玻璃挠度时荷载取全部标准荷载，计算厚度取折算厚度。
　　（1）外片玻璃强度计算
　　作用在玻璃面上的设计荷载为2.70KN/m2，（取最不利情况下荷载，即负风压情况下），分配在外片上的荷载1.785 KN/m2，计算厚度取10mm。
　　玻璃的最大应力为67.669 N/mm2，小于规范的84 N/mm2，验算通过。
　　（2）内片玻璃强度计算
　　作用在玻璃面上的设计荷载为2.70KN/m2，（取最不利情况下荷载，即负风压情况下），分配在内片上的荷载0.914 KN/m2，计算厚度取8mm。
　　玻璃的最大应力为54.14 N/mm2，小于规范的84 N/mm2，验算通过。
　　（3）玻璃挠度计算
　　作用在玻璃面上的标准荷载为1.946KN/m2，（取最不利情况下荷载，即负风压情况下），计算时全部作用在玻璃上，计算厚度取折算厚度11.47mm。玻璃最大挠度36.565mm，小于2301/60＝38.35mm，通过.
　　2、节点设计
　　由于本项工程的外形是采用不规则的双曲面体，支承结构又是不对称的鱼尾式索桁架和竖向单索结构，再加上主体结构只能承担水平荷载不能承受竖向力，这就要求每个节点够造都要适应结构性能的要求，下面介绍几个特殊节点的设计：
　　2．1、索桁架斜向水平撑杆的设计：按着够造的要求，每榀水平索桁架都有两根斜向水平撑杆作为主要承压杆件，将幕墙的大部分水平荷载传递给主体结构，但由于撑杆的轴心线与索桁架的受力索及联系杆的轴心线在一个平面上，必然有相交的问题，我们采取了在撑杆与索杆相交处开孔和局部加强的办法解决了这一够造上的难题，如图：
　　2．2、在处理竖向三角桁架的底部节点时，充分的考虑到结构的够造要求和美观性在角柱上采用了有造形的铸钢件。如图：
　　2．3、竖向索的顶部节点比较复杂，由于受力变形的要求钢索与钢桁架的连接节点必须能够在钢索受水平荷载变位时自由转动，同时又要能吸收索材料的轴向长度误差和安装误差。我们在此处安装了球形脚支座和误差调节器，如图：
　　2．4、由于水平索桁架的钢索内力极大，在设计时采用了双索同时受力的方案。为了解决双拉索与杆的在工作状态时能牢固连接又能相对位移，设计了特殊节点，如图：
　　
　　
　　2．5、玻璃与竖向索连接节点采用了标准的单向单索爪件和浮头式驳接头。如图：
　　2．6、预埋件的处理：
　　由于本工程的特殊性，水平索桁架的主受力索和斜向水平撑杆传递给主体结构的支座反力极大，水平前索的预拉力为358KN，后索的预拉力为798KN，在最大荷载时后索的内力为1080KN，斜向撑杆的压力为495KN，所以对在主体结构上的预埋件的受力提出了很高的要求。我们根据严格的计算和现场的实际情况，在每一榀水平索桁架连接的楼板处设置了整体预埋钢架，确保幕墙在受最大荷载时的安全度。如图：
　　3、主要材料选用
　　本工程幕墙形式新颖，建筑功能和建筑艺术要求高，因此在材料选用上予以特别考虑，确保幕墙性能达到设计要求。
　　3．1、幕墙玻璃的选用：
　　玻璃种类采用10(FT)+1.52PVB+8(FT)钢化夹胶玻璃，钢化玻璃均进行二次热处理（均质处）。由于本工程的外立面是由多片平板玻璃拼成的一个不规则的双曲面体形，所以每片玻璃的外形尺寸都不一致，玻璃分割的基本尺寸为1710mm×1725mm，我们在下料过程中采用了CAD三维图辅助和现场放样相结合的办法确保每片玻璃的尺寸精度。由于整体立面是双曲形的，用平板玻璃进行折线安装时玻璃必然会有一个角翘起，为了不让翘起部分影响视觉效果，在玻璃分片尽可能的采用外形尺寸的变化来保证翘起度的一致，并对每一个玻璃接缝都进行三维图模型校核。如图：
　　3．2、结构钢材：
　　由于索结构的支座反力是由边部的钢结构承担的，考虑到结构的安全性和经济性在选材时，大部分钢结构材料的材质为Q235-B，对于主要受力柱和顶部的曲线三角桁架采用了材质为20号钢的厚壁无缝钢管，特别在受力最大的曲线钢管立柱的上半部分采用了壁厚为20mm的无缝钢管，同时又对主要受力点进行了局部加强。
　　由于边部钢结构支撑桁架是由直径不同的圆形钢管拼接成形的，大部分节点为焊接刚性节点，为保证曲形钢架在成形后安全可靠尺寸精准，对每一个相贯线切口都采用了五轴相贯线切割机自动切割成形保证了相贯对口的准确性和焊口坡度。
　　3．3、钢索的选用：
　　竖向钢索采用直径为22.5mm的不锈钢绞线，不锈钢钢丝材质采用304奥氏体不锈钢。类型为1x61，每根钢丝的直径为2.5mm。不锈钢拉索的性能参数要求如下：
　　弹性模量：E=（1.3+0.1）X105 MPa
　　屈服强度：fy=1450 MPa
　　横向水平拉索采用高强铝包钢绞线。钢索直径24―36mm.类型为1x61,每根钢丝的直径3.78mm，外包铝的厚度不小于钢索直径的10%。铝包钢绞线的性能参数要求如下：
　　弹性模量：E=(1.5±0.1) X105 MPa
　　屈服强度：fy=1670 Mpa
　　线膨胀系数：α=1.3X10-5
　　3．4、密封胶材料
　　本工程硅酮耐候密封胶采用广州白云化工实业有限公司生产的SS911超高性能硅酮耐候密封胶， 伸缩及剪切变形变位位移能力δ=50%，颜色为灰色。 采用能适应大变位的超高性能胶主要是考虑以下几点内容：
　　（1）、本工程幕墙结构形式为单向单索受力，单索在受水平荷载时允许变形量是按L/50取值的，属于大变形的柔性结构支承体系。所以在受水平荷载时胶缝的变形大。
　　（2）.玻璃面板的支承形式为穿孔点支式，在风荷载标准值作用下，点支撑玻璃面板的挠度限值宜按支承点长边边长的1/60.幕墙立面最大典型玻璃分格2100mmX1731mm，支承点长边边长1880m。立面玻璃允许的最大挠度：f=1880/60=31.3mm；对玻璃面板短边密封胶产生的挤压或者伸长变S=0.47X2=0.94mm<15X50%=7.5mm
　　（3）、玻璃幕墙为异形双曲面，在每片平板玻璃上都有一个翘起角，在变形时加大了剪切力。
　　（4）、幕墙玻璃的温差为80℃，温度荷载作用下玻璃长边的伸长，立面玻璃与侧面玻璃最大长边为2100mm： ΔL=α.L. ΔT=1.0X10-5X2100X80=1.68mm<7.5X50%=3.75mm。立面玻璃与侧面玻璃之间采用硅酮结构密封胶连接。分析幕墙结构模型程序计算结果,垂直于幕墙平面玻璃与玻璃之间的最大位移差达到4.8mm,即要求玻璃缝之间的硅酮密封胶最大剪切能力必须满足要求.因此选用普通硅酮密封胶其伸缩及剪切变形能力只有25%(即3.8mm)左右,不能满足工程要求.而采用超高性能硅酮结构密封胶和超高性能硅酮密封胶其伸缩及剪切变形能力达到50%(即7.5mm),才能够满足工程要求.
　　4、施工过程控制
　　4．1、用全站仪校核施工定位点的精度并修正。
　　传统的经纬仪+钢尺测量法，是目前钢结构安装及校正测量所采用的普遍方法，其原理简单、直观，容易被大多数人所接受，但细部放线工作较多，工作量较大，对现场的通视条件要求较高，工程耗费大量的人力、物力，而且效率较低。在高新技术日益发展的今天，全站仪和计算机得到了广泛的应用，运用接口技术使二者相连，建立一套完整的全站仪实时测绘系统，对施工定位点的精度测量校正。
　　运用全站仪、反射贴片对已安装完成的构件进行三维坐标实测，运用全站仪数据采集器、接口技术使全站仪和计算机二者相联，在计算机上建立准确的钢构件三维立体图，并以此作为玻璃下单的依据。
　　4.2、控制点的确定
　　a）主控点的确定：
　　为测量准确、方便、直观，采用内控法。设定11轴、20轴与P轴的交点为东、西楼的内主控点，15轴17轴与P轴的交点为外主控点，在主控点位置上设置主控点标志。
　　b）边缘控制点的确定
　　选取幕墙边缘外形定位关键点作为边缘控制点。
　　c) 控制单元及精度控制点的确定：
　　为减少安装尺寸的积累误差，有利于安装精度的控制与检测，将幕墙分成多个控制单元，每个单元以九宫格的形式划分九宫格的边缘四个光点就是每个九宫格中九片玻璃的尺寸精度控制点。从测量放线到结构安装调整，玻璃安装调整定位都应按每个单元来进行尺寸控制。
　　4．3、水平索桁架的张拉施工
　　（1）张拉工作平台
　　各层张拉工作平台利用工作施工脚手架上铺设木板搭设而成。平台高度与索水平标高相同，在平台上设定水平正负索五个定位定型点的位置，各定位点由在地面上放样确定的各层水平坐标通过激光铅锤仪指向定位点给出。
　　（2）水平索的布设
　　将水平索吊送到施工平台后展开，使索通过平台上相应各定位点后两个端部与端部连接耳板初步连接固定。
　　安装正负索之间各平行的连接杆并初步固定。平行连接杆正负索上的连接位置由计算确定，并在地面上放样给出的各层水平坐标通过激光铅锤仪指向定位点给出。
　　使用定力矩扳手初步张拉前、后索，使索的预应力达到设计值的20%。
　　调节各平行连接杆的长度，调节量由施工指导手册给出，该值为计算得出的调节值。使得前、后索预应力达到设计值的80% 。调节时各平行连接杆应同时进行并分次逐级进行，并注意观测外部正索各定位点及支撑钢结构体系的变化情况。
　　调节各平行连接杆的两端使之到达设计的定位坐标位置，
　　（3）、竖向索的布设
　　牵引竖向索通过各相应得水平索上的连接点并初步固定。同步施加各竖向索的预应力达到设计值的20%。调节各连接点的定位位置。观测个水平索内力的变化。
　　同步施加各竖向索的预应力达到设计值的80%。调节各连接点的定位位置使之达到设计精度。
　　（4）、索网系统得调节
　　施加预应力使水平索的预应力达到设计值，即100%；施加预应力使竖向索的预应力达到设计值，即100%；调节各连接点的定位位置使之达到设计精度并锁定。使用索内力检测仪进行72小时索内力监测，记录各索的内力变化及最终预应力。
　　结语
　　本文通过以上几个部分的介绍将这项特殊工程从设计到施工过程中碰到的问题和解决方案作了初步的介绍。由于篇幅的关系在文章中没有单独对水平索桁架的静力加载试验作过多的介绍。索结构玻璃幕墙因特性越来越受到建筑师的青睐，但在设计和施工中每项工程都有它的个体性，必须在安全度上严格把关，确保这一新型的幕墙能健康发展。
　　
　　参考文献
　　1、《长安中心玻璃幕墙计算书》
　　2、《建筑幕墙工程手册》赵西安
　　3、《索结构玻璃幕墙用钢索桁架的设计与质量控制》 王德勤
　　4、《索结构点驳接玻璃用钢索结构形式及材料选用探讨》 王德勤

鑫森淼焱垚

好也，能否配些图片精确讲解啊。

Jenny

最好能把施工图、节点计算书上传一下！！那样就更好了！ 我很喜欢听王老师讲课！！

zckai

此工程是深圳三鑫施工的

小虫

http://www.wall21.cn/tecforum_details_36806.aspx   关于这个工程更详细的介绍  配有大量的图片