国家速滑馆天坛轮廓玻璃幕墙容差设计与应用*

王自伟，李久林，张 怡，李向南，赵炳陶，朱富力，苏李渊，刘宇栋

(1.北京城建集团有限责任公司，北京 100088； 2.北京江河幕墙系统工程有限公司，北京 101300； 3.中国矿业大学，北京 100083)

1 工程概况

国家速滑馆位于北京市朝阳区奥林匹克公园西侧，国家网球中心南侧，是北京 2022 年冬奥会的标志性场馆之一，也是冬奥会北京赛区唯一新建比赛场馆。国家速滑馆天坛轮廓玻璃幕墙采用竖向幕墙索加竖向S形箱形钢梁龙骨的支撑结构。幕墙索间距4m，上端固定于顶部的钢结构环桁架上，下端固定于主体结构首层顶板外圈悬挑梁端。玻璃幕墙呈天坛轮廓，由1 440块单曲面玻璃、1 920块平板玻璃组成。曲面玻璃表面由22根“冰丝带”环绕，象征速滑运动的极限速度。

2 幕墙系统容差设计

在工业生产中，由于生产条件的限制，产品或过程的参数实际值与目标值之间往往存在一定偏差，这一偏差称为参数容差。从机械制造角度看，容差是指可被接受的几何形状或尺寸的变动范围；从统计角度看，容差是指某一指标的容许变动范围；从质量设计角度看，容差是可被接受的极限。在工程上，由于加工的构件尺寸有一定误差、施工过程产生一定的人为偏差、结构受力会产生一定程度的变形等原因，导致容差的产生。为保证施工精度及建筑物安全性，科学合理地进行容差设计十分必要。国家速滑馆幕墙系统造型新颖、结构复杂、安装精度要求较高、施工难度大，因此，必须提前对幕墙系统进行容差设计。

天坛轮廓玻璃幕墙采用纵向S形箱形钢梁与横向圆钢管通过牛腿连接在一起形成幕墙网壳结构体系。S形箱形钢梁通过支座与环形桁架或幕墙拉索固定。其中编号SLM-01～SLM-30的S形箱形钢梁与幕墙拉索、环形桁架和水泥支座相连，编号SLM31～SLM-40的S形箱形钢梁只与环形桁架和水泥支座相连。结构体系分别以长轴和短轴对称，如图1所示。幕墙系统容差设计主要包括对S形箱形钢梁与其相连结构之间进行合理的容差设计(结构容差设计)及对S形箱形钢梁与幕墙板块及幕墙板块之间进行合理的容差设计(幕墙体系内的容差设计)。

图1 S形箱形钢梁结构体系

2.1 结构容差设计

S形箱形钢梁与其相连结构之间在加工与安装过程中会产生一定偏差，因此，S形箱形钢梁与环形桁架的“板凳”和水泥支座的埋板相连时，需设计足够的容差空间。由于受力计算约束条件的限制，竖向S形箱形钢梁与竖向幕墙索的连接构造对拉索与S形箱形钢梁安装精度的要求非常高，即索中心必须在S形龙骨中心线方向上，两者之间的连接板箱体厚度为110mm，索头预留空间也为110mm，而矩形管提供的连接面宽度仅为126mm，两端仅有6.5mm宽的调整量。因此，速滑馆幕墙的S形箱形钢梁必须根据拉索实际定位设置，并且在张拉及屋面配重设置完成后才可根据现场实际情况下料加工，幕墙分割线必须与S形箱形钢梁中心重合才能满足建筑效果的要求。为提高施工效率，无拉索影响的S形箱形钢梁(编号SLM-31～SLM-40)可提前定制加工。

现场结构复测后，通过与原模型进行对比，得出如下容差设计方案。拉索节点在垂直方向(径向)的偏差可通过调整连接节点高度来抵消。水平方向偏差在70mm以内时，可通过扭转索具方向消除，如图2，3所示；若>70mm，则需通过调整索具位置或S形箱形钢梁龙骨位置来消除。若调整了S形箱形钢梁龙骨位置，为保证幕墙外皮形状不变，需重新调整模型，该S形箱形钢梁本身形状及相邻两跨的所有幕墙板块、“冰丝带”、铝板等材料的尺寸及形状全部会发生改变。

图2 幕墙拉索与弧形梁连接节点

图3 拉索连接点扭转70mm示意

幕墙内凹位置的冰丝带钢管与S形箱形钢梁通过可拆卸的片状牛腿连接。“冰丝带”钢管直径180mm，原设计牛腿宽度也为180mm，几乎无容差，对现场安装精度要求较高，不利于施工。因此，通过容差设计，对牛腿做 “大头”处理，用于调整“冰丝带”钢管安装偏差及S形箱形钢梁定位偏差，如图4所示。

图4 牛腿设计

2.2 幕墙体系内的容差设计

国家速滑馆具有独特的天坛轮廓幕墙，幕墙施工测量放线与板块精确安装定位难度大，且幕墙为单元式玻璃幕墙，每块弧形玻璃形状不标准(标准弧形玻璃展开为矩形)，加工难度较大，故玻璃幕墙在板块制作与安装过程中不可避免地产生一定程度的误差。因此，根据工程施工工艺特点，各构件、板块之间的间隙均进行容差设计。竖向胶缝宽度为20mm，以吸收水平方向上的结构位移及幕墙自身变形。横向装饰面板设计了±10mm的滑动空间，以吸收垂直方向上的尺寸偏差。幕墙竖向龙骨距S形箱形钢梁边缘16mm，可用于调整S形箱形钢梁安装偏差及幕墙定位偏差。“冰丝带”玻璃间预留10mm胶缝，以吸收位移及调整安装偏差，如图5所示。根据JGJ 102—2003《玻璃幕墙工程技术规范》进行幕墙系统变形计算。钢材线膨胀系数为1.2×10-5/℃，玻璃线膨胀系数为1.0×10-5/℃，工程考虑的年温差为80℃，钢材和玻璃管长度均为4m。在设计年温差下，钢材和玻璃向左、右2个方向伸长，计算得出钢材最大伸长量为3.84mm，玻璃最大伸长量为3.2mm，符合“冰丝带”玻璃间预留胶缝的容差设计。

3 关键施工技术

天坛轮廓玻璃幕墙采用纵向S形箱形钢梁与横向圆钢管通过牛腿连接在一起形成幕墙网壳结构体系。将玻璃与铝型材在加工厂预制成高精度的幕墙单元板块，单元上下横梁附框与方通钢管通过铝合金转接件加螺栓连接，单元立框通过螺栓压块与S形箱形钢梁连接固定。外观呈现出横向350mm宽、竖向90mm宽铝合金压盖与玻璃面平齐的明框幕墙效果。幕墙竖剖标准节点如图5所示。

图5 幕墙竖剖标准节点

3.1 S形箱形钢梁龙骨安装调节

由于国家速滑馆独特的马鞍形屋面及椭圆形平面构造，S形箱形钢梁龙骨的定制长度和安装角度均发生改变，精确安装难度较大，必须考虑S形箱形钢梁龙骨安装时的高精度调节。为消除上部环形钢桁架施工偏差对S形箱形钢梁龙骨高精度安装的影响，通过设计套座使S形箱形钢梁龙骨与顶部环形钢桁架之间的连接实现六向调整；通过定制支座耳板，消除S形箱形钢梁龙骨销轴基准点与主体结构埋件之间的前后方向偏差；通过现场实测幕墙索和幕墙S形龙骨之间的偏差，定制耳板，焊接至S形箱形钢梁龙骨上，消除S形箱形钢梁龙骨拉索连接点的前后偏差。S形箱形钢梁龙骨上下、左右及偏转方向上的偏差由2.1节所提出的结构容差设计方案解决。

3.2 天坛轮廓玻璃幕墙安装

由于国家速滑馆天坛轮廓玻璃幕墙造型新颖，不规则弧形玻璃的制作与玻璃板块安装的精确定位会存在一定程度的偏差，要实现玻璃板块精确安装难度较大，故除了在施工前进行容差设计外，在安装过程中也需注意施工偏差的消除。

幕墙板块竖向固定压块，采取可转动的铝合金底座，方便安装调整角度偏差，保证铝合金压块的有效性。为避免结构胶长期受力，增加安全系数，所有玻璃板块均设置了玻璃压板，使玻璃与铝合金横竖龙骨之间形成机械连接，如图6所示。

图6 玻璃压板示意

为提高玻璃的安全性，减少自爆率，速滑馆幕墙采用半钢化玻璃。加工时，采用单边设备逐边切割磨边、玻璃钢化热弯弧形偏差控制、4 层双夹胶抽真空防破损等技术，保障弯弧玻璃的加工质量和精度。安装时，先进行单元体吊装，再进行室内外扣盖安装，最后进行单元体钢圆管及“冰丝带”安装。通过容差设计及安装控制，实现了玻璃板块精确化安装，保证了幕墙整体效果及使用功能。

4 结语

国家速滑馆天坛轮廓玻璃幕墙造型独特，构件尺寸不一，构件加工过程复杂，需要现场测量放线高精度定位及S形箱形钢梁龙骨、玻璃板块精确安装，施工难度大。为此，进行了全面系统的容差设计。通过结构容差设计，保证了S形龙骨与幕墙拉索、环形桁架和水泥支座的精确安装；通过幕墙内的容差设计，为玻璃板块的顺利安装提供了保障；通过设计套座和定制耳板，实现了S形龙骨的位置调节；通过可转动的铝合金底座，实现了幕墙板块角度偏差的调节。