大跨度双曲面玻璃幕墙设计

梁民忠

摘要：本文结合多个工程实例对大跨度双曲面玻璃幕墙的设计几个方面进行阐述，包括具有代表性的上海中国航海博物馆大跨度双曲面玻璃幕墙设计中的技术难题、常用的模拟分析计算典型杭州大剧院屋顶设计及结构材料等。

关键词：大跨度；双曲面；玻璃幕墙；设计分析

Abstract: This paper combining multiple engineering example hyperboloid of long glass curtain wall design several aspects, including the typical Shanghai China maritime museum big span hypoid glass curtain wall design of technical problems, commonly used simulation analysis and calculation typical roof design and structure of hangzhou grand theatre material etc.

Key words: Big span; Hypoid; Glass curtain wall; Design analysis

中图分类号：S611文献标识码：A 文章编号：

引言

由支承结构体系和玻璃所组成的，能够相对于主体结构具有一定的唯一能力且不分担主体结构受到作用力的起到在建筑外围维护的玻璃幕墙越来越广泛的应用于大跨度建筑之中。玻璃幕墙的结构形式随着工艺的不断进步发生着多元化的发展，其中双曲面的结构形式凭借其优越的综合性能受到了众多设计的偏爱。本文针对大跨度双曲面玻璃幕墙设计几个方面解决的关键问题，结合具体的工程实例分别剖析，为相关设计项目提供参考。

大跨度双曲面超预应力玻璃幕墙技术设计中的关键技术难题

上海市的博物馆形象标志形象工程中国航海博物馆建筑外形效果为中央帆体大跨度，形似两片风帆，具有新颖、宏伟且富于视觉冲击力。从空间角度看，其帆页面装饰工程所用玻璃幕墙采用立面大跨度双曲面的预应力结构形式，空间弧度变化较大，宽度上下不等。该玻璃幕墙设计中出现的很多技术难题都是具有很强的典型代表性，对其的攻克对于整个大跨度双曲面玻璃幕墙设计项目技术方面来讲都具有很好的意义。

立面上的大跨度双曲面加上超预应力设计需要，使得该项目的玻璃幕墙设计存在多方面的技术难题。超预应力索网一方面需要成为玻璃幕墙支承的系统，另一方面要联系起两片帆页的钢结构使其成为整体结构，这就要求钢索的形状设计满足工程中的玻璃幕墙安装误差精度要求，并且设计要使得其中始终存在预张拉应力。要实现上述的设计目标，就要综合考虑航海博物馆结构的特征和施工可能会出现的问题，注意几个关键技术点。首先，设计所用的计算模型不一定能够毫无偏差的反应真实的结构，工程不可避免会有材料性能和制作安装等方面的离散和偏异，而且该结构复杂，施工中长期的内力及形状波动在设计中必须充分考虑。针对这个难题，玻璃幕墙设计方采用双控制设计理论计算方法对位移及索力进行分析计算，除了建立模型进行分析之外，通过理论计算调和力与形状之间的设计差异。其次，索端的预埋件设计存在难点，曲面索网结构的中央帆体各个预埋件的定位设计精度要求非常高，因施工中可以控制的误差仅能保证2cm，设计要尽量避免狭长空间出现错乱，减少索网支撑点和幕墙的分格点测定难度。再次是索网形态的控制要实现设计的简化处理，三维空间的大跨度集合完成双曲面形态既需要保证拱形的曲率设计要求又要保证帆体内弯曲效果。此外大跨度双曲面玻璃幕墙的预应力要充分给予设计控制，该项目初步设计为18根竖索56根横索控制预应力，技术设计阶段要考虑施加预应力顺序和步骤可能造成的索力值影响，施工保证率情况。另外各玻璃面板间的连接设计也至关重要且是设计难点，柔性钢索结构和刚性玻璃面板的结合使得其连接设计需要角度和定位的严格准确精度。

解决了几个设计技术难题并不代表航海博物馆的玻璃幕墙设计达到了高规格的设计要求，要保证最终的设计能够顺利施工，得到良好的工程效果，必须模拟施工过程进行前期计算指导。在充分分析大跨度双曲面玻璃幕墙的索力相关性和设计难题之后，使用有限单元法分析计算软件建立克服障碍后的超预应力玻璃幕墙计算机模型对张拉方式、张拉顺序、受力特点、位移控制、预应力控制和综合性能全面进行模拟分析，准确发现存在的设计瑕疵，使用更好的设计技术手段使其完美化。

大跨度双曲面屋顶设计通过模拟分析计算技术运用

图1 杭州大剧院建筑设计效果图

上图1所示杭州大剧院具有新颖独特的外观造型，倒置的大跨度双曲面屋顶玻璃幕墙同椭球屋顶交错布局，形成大剧院整体外轮廓的设计效果。由于杭州地区的地理位置特点和该玻璃幕墙设计项目的结构特色，使得本设计抗风模拟分析计算成为必须，该项目实验研究工作由浙江大学的土木工程系建立风洞试验模型完成研究。该项目通过风洞试验去寻找大跨度双曲面玻璃幕墙几个重要的设计参数，是该领域较为先进的研究方向。

技术人员通过完成1：200的刚性模型制作构建了闭口式的大试验段，长度10m，截面的尺寸宽为3m、高为2m。对于小试验段非别采用了开口和闭口两种不同的形式，长为9m，截面的尺寸宽为1.2m、高为2m，模拟分析风洞采用46m/s最高风速。采用尖塔、粗糙元和挡板形式的风洞模拟技术，能够匹配各个试验段所模拟出的同缩尺模型在不同地形地貌及大气边界气流条件下的情况。经过分析比较，考虑到大跨度双曲面屋顶结构的尺寸，最终确定采用风洞大试验段形式的模拟方式。风速的测量系统之中，参考风速采用微压计和皮托管进行测量及监控，使用两套测量系统并行测试。使用了A/D板、个人计算机、自主编制的软件和风速仪所组成系统测量和调试大气边界层处的风场模拟环境。另一套记录测量及数据处理的系统由A/D数据采集面板、个人计算机、机械扫描设备和信号采集及相关数据处理的软件系统所组成。

按照方案设计和初步设计得出建筑设计图纸几何要求，使用有机玻璃进行模型制作，采用1:200的缩比尺寸，总的模型高度大概0.23m，纵方向长度0.85m，横方向的长度0.68m，按照图1效果模型制作。该模型最大的阻塞比都不大于6%，满足了风洞试验的要求，所以试验中所得到无量纲的参数能够直接在建筑物实体中应用。按照对称性的要求，使用大跨度雙曲面屋顶和椭球屋顶玻璃幕墙一半进行测点布置，在双曲面屋顶的表面处布置127个测点，玻璃幕墙表面处布置103个测点，雨篷的上下表面处分别布置32个测点，入口处的圆台上布置88个测点，总共布置测点382个。各个测点依据具体的尺寸要求使用外径1.6mm不锈钢的钢管进行埋设，测压管在建筑物表面垂直设置，测压管的一端同模型的表面要齐平，不允许有凹凸。地面粗糙度选用0.12的指数，采取50年一遇基本风压值0.45kN/m2，平均风速取26.8m/s，风洞口及粗糙单元实现剖面风速及湍流模型模拟。

经过风洞试验的模拟分析，经过计算得到了大跨度双曲面玻璃幕墙处平均风压系数在0.51至0.543之间，风压值在0.489 kN/m2至0.521kN/m2之间；双曲面屋顶最不利的风向角为1800、600和00；脉动风压最大正向风压系数在1.002到1.146之间。对模型全面分析，确定该大跨度玻璃幕墙的设计采用最大正风压0.521 kN/m2，最大负风压值-1.261 kN/m2，对1800、1350、1050、600和00进行二次设计验算。

大跨度双曲面玻璃幕墙结构形式和材料等的设计分析

规划建造在北京市中心街道的北京天文馆新馆总的建筑面积为22000平方米，将成为我国综合性的大型天文馆。建筑项目中国航天建筑设计研究院同美国王弄极建筑师事务所联合完成建筑设计任务，该项目马鞍形的玻璃幕墙通道项目采用大跨度的双曲面玻璃形式，较为复杂。建筑物的中间部位设置曲面钢结构组成的用360块尺寸不同规格不一样的支撑体系的双曲面玻璃幕墙完成马鞍形的玻璃通道拼接，空间上形成大跨度体型。该建筑结构在建筑结构上具有特色，是大跨度双曲面玻璃幕墙的通性之一，对其采用独特的材料处理，保证了玻璃幕墙的性能要求。

设计之中按照工程项目的特点发明使用了新型节点处理方法来解决这一系列的技术难题，针对该工程的技术特殊节点形式分别采用了可协调式的转角支承爪状构件、双接头连接的驳接接头和双层的玻璃定位夹等措施。结构设计过程中考虑到大跨度双曲面玻璃幕墙的空间变化和形体上的复杂，采用了专用的3D软件建模，准确的确定了曲面的位置及结构空间参数设置，保证所完成施工图纸设计及工艺精确程度。为了达到建筑设计所要得到的立面通道效果，设计中采用9m的变截面形式水平玻璃肋支承结构支撑大跨度玻璃幕墙，通过横向的玻璃肋和钢方通组合形式结构支撑横向线条立面的玻璃，在平面稳定处为保证玻璃肋效果首次采用12mm直径钢拉杆。玻璃肋选用25.52mm双钢化的夹胶玻璃，连接也采用了不锈钢夹板，多途径的保证安全、稳定和可靠。设计采用了大型通用有限元软件ANSYS完成了整体的计算和玻璃幕墙多方面的性能模拟验算，根据计算结果对结构细部进行适当的调整，保證了北京天文馆新馆大跨度的双曲面玻璃幕墙的安全、效果和耐久。

结语

玻璃幕墙的结构形式随着工艺的不断进步发生着多元化的发展，其中双曲面的结构形式凭借其优越的综合性能受到了众多设计的偏爱。文章通过结合多个工程实例分析大跨度双曲面玻璃幕墙的设计几个方面，如可采取计算软件建立克服障碍后的超预应力玻璃幕墙计算机模型对张拉方式进行模拟分析，能有效准确发现存在的设计瑕疵，使用更好的设计技术手段使其完美化。

参考文献：

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