超大面积弧面单层单向点支式拉索幕墙施工技术

2022-07-18张振礼佘清雅

建筑施工 2022年3期

张振礼汪涛佘清雅

1. 上海建工二建集团有限公司上海 200080；2. 南昌市城乡建设综合行政执法支队江西南昌 330000

1 工程概况

南昌绿地国际博览中心位于南昌市九龙湖新城起步区绿地国际博览城核心地段，是国际先进的第三代会展中心，对加大市场化运作力度，推进会展产业与区域旅游产业紧密结合，助力打造南昌核心增长点有着重要意义。建筑立面应用大面积的框架金属幕墙和拉索玻璃幕墙构成强烈虚实对比，增强了室内外公共空间的联系，雍容大气、风采多姿。

项目幕墙系统总面积达3万 m2，由前厅拉索幕墙系统、金属板幕墙系统和框架玻璃幕墙系统等组成，其中前厅拉索幕墙面积约1.8万 m2，高度约27 m，总延长米约670 m。

结合展馆A～G这7个连续独立结构分区，前厅拉索幕墙由变形缝划分为5个标准段和2个山墙转角组合段（图1），共7个施工段。

图1 拉索幕墙平面分布

2 设计概况

2.1 系统特征

传统拉索幕墙多采用交叉索网系统，本工程拉索幕墙在传统双层、单层交叉索网幕墙的基础上，为实现建筑效果的极致通透和轻盈美观，针对幕墙面积超大、高度超高、立面为曲面的特点进行优化设计，取消横向拉索设置，通过不同直径的竖向钢索组成单层单向点支拉索幕墙体系体系，幕墙结构仅由竖向钢索承受，通过拉索张拉后的预应力满足幕墙的抗风和自重承载需求[1-3]。该系统具有以下特点：

1）构造设计应消除索结构在幕墙自重下的变形影响，保证幕墙系统在任何荷载组合作用下，拉索均处于受拉状态。

2）拉索的规格设计科学，拉索最小破断拉力满足实际需要。

3）拉索跨度大，拉索拉力大，对拉索拉力大小控制精准，幕墙玻璃安装质量高。

4）幕墙玻璃安装简便，大大改善了柔性支承体系上的幕墙拼缝的质量感观效果。

2.2 结构体系

本工程拉索幕墙标准区段横向跨度89.43 m，由变形缝分隔，包括36根竖向钢索。端部山墙转角连接段最大连续长度94.87 m。

本工程拉索幕墙竖向钢索长约28 m，上端固定钢梁和下端基础及埋件应根据拉索设计施加的预应力，保证拉索预应力施加后的稳定性。上端连接在屋盖钢结构桁架上（图2），与钢结构屋盖形成一个整体，下端连接在混凝土基座之上（图3），基础自重大，整体性好，拉索埋件设置合适，同时将张拉端设置在下部基础端，便于施工，安全易操作。

图2 拉索幕墙上端固定节点

图3 拉索幕墙下端固定节点

竖向拉索选用φ38 mm高钒索，拉索标准侧向间距2.484 m，变形缝处1.15 m，横向依靠玻璃面板提供刚度和支撑。玻璃面板板材（括号内为山墙转角段）选用TP10（12）＋12Ar＋TP10（12）超白中空钢化双银Low-E玻璃，标准玻璃面板尺寸2 484 mm×1 937.5 mm，因弧面曲率较小，由直线段玻璃分格拟合圆弧拼装而成，连续拼接夹角约179.5°。面板间采用中性硅酮结构密封胶密封。面板固定采用定制不锈钢球铰式固定夹具（图4），玻璃与夹具间采用EPDM三元乙丙橡胶垫片过渡连接，夹具固定转向灵活，避免紧固受力时夹具转动对玻璃面板产生不利影响。

图4 标准不锈钢夹具连接节点

端头转角部位考虑到外部荷载作用下边缘构件的应力集中，竖向拉索根据受力计算调整为φ45 mm、φ65 mm高钒索，夹具间局部增设横向不锈钢弹簧阻尼拉杆（图5），用以抑制风振反应，控制转角区域的侧向位移和位移速度，确保幕墙结构安全。

图5 转角部位幕墙连接节点

3 重难点分析及针对措施

3.1 系统性能无经验可循

本工程超大面积超高单层单向拉索幕墙体系应用在国内外尚属罕见，一般情况单向拉索不适合应用于大面积幕墙立面，高度不宜大于15 m。单层单向预应力钢索不仅需要承受幕墙玻璃的竖向荷载，还需要承受风荷载等水平荷载，和玻璃板材及板材间结构胶共同形成幕墙结构体系总体刚度，国内外尚无此类成熟应用，因此需要通过试验验证该幕墙体系的各项性能是否满足要求。

3.2 施工工期紧、任务重

本工程工期紧、任务重，需要科学划分前厅幕墙施工段和施工部署，合理布置幕墙材料运输、堆放和安装施工场地，分段施工，为后续工种施工尽快让出工作面。

3.3 测量精度要求高

本工程立面造型呈内凹外凸的弧面造型，测量放线工作量大且精度要求高，且需要考虑屋盖钢桁架结构施工变形及温度变形影响，需要通过过程检测数据指导幕墙设计和施工，正确调整施工预控值。

为保障测量精度和及时性，项目成立独立测量团队，配置高精度的测量仪器徕卡0.5秒级TS30全站仪，确保工程实施精度需求；过程中强化对屋盖钢桁架结构体系的动态跟踪监测；结合施工气候、气象条件选择合适测量时间，避免钢结构因温度变化影响测量精度。

3.4 拉索安装施工难度高

安装施工过程中，由于前场为连续等曲率凹弧面造型，拉索最终成形形状既需要满足幕墙安装的精度要求，还需要保证预应力张拉过程中多工况状态下的张拉力平衡，使玻璃面板始终保持垂直不变。

受钢桁架屋面结构体系构造设置及变形影响，标准区段拉索安装自两侧向中间同步对称安装。拉索连续对称张拉过程中，后期拉索张拉造成上端钢构件变形，会减小先期相邻已完成张拉拉索的索力，同时上端受力钢梁的应力重分布会对同区段其他已张拉拉索造成不利影响，因此需要对张拉过程进行动态计算分析和实时监测，并采取如下针对性措施：

1）结合计算分析优化标准区段张拉顺序，通过跳拉等措施减小索力相互影响。

2）分级张拉过程中强化索力变化监测和分析，总结索力相互影响的变化规律，动态调整张拉方案，控制索力变化偏差值不大于3%。

3）分级张拉完成后，系统检测分区所有拉索索力，依据标准和设计要求进行微调，保障拉索系统整体受力满足要求。

4 幕墙性能试验

本工程单层单向拉索幕墙设计超过过往同类工程应用极限，为验证幕墙体系的各项性能，经对全国多家检验机构进行调研和沟通，最终确定委托湖北省建筑工程质量监督检验测试中心进行幕墙性能试验检测。

结合本工程拉索幕墙应用实际情况，为最大限度还原应用实际状况，确定试样系统宽9 936 mm，高9 688 mm，由25块标准玻璃分格和6根拉索组成，在实验室内共制作2组试样满足试验检测项目需求。依据国标GB/T 15227进行气密性能、静态水密性能、风压变形性能和平面内变形性能检测测试，再依据美标ASTM E283、AAMA501.1/501.4、ASTM E330进行气密性能、动态水密性能、层间侧向位移性能、静态水密性能和风荷载下结构安全性能检测测试（图6）。

图6 幕墙性能测试实景

1）气密性能国标检测幕墙整体部分透气量在正负压下均为0.3 m3/（m2·h），满足国标不大于0.5 m3/（m2·h）要求，达到标准4级要求。美标两次气密性能测试幕墙固定透气量分别为0.311、0.655 m3/（m2·h），满足不大于1.08 m3/（m2·h）要求。

2）静态水密性能测试（国标）压力在700 Pa时，2处玻璃夹具内侧出现水滴状渗漏，1处胶缝内侧出现水滴状渗漏，但未出现持续喷溅出试件界面或者持续流出试件界面的严重渗漏现象，达到国标2级要求。静态水密性能测试（美标）结果与国标类似，经补胶复试后未渗水，符合要求。

3）动态水密性能测试（美标），1处玻璃夹具内侧出现水滴间断滴落渗水，未连成线，经夹具节点补胶复试后未渗水，符合要求。第二次动态水密性能测试时未出现渗漏，符合要求。

4）风压变形性能测试（国标）在1 000 Pa最大风压（负压）时，拉索最大挠度149.9 mm＜容许挠度196.0 mm，玻璃最大挠度值40.5 mm＜容许挠度41.4 mm，抗风压变形测试符合要求。

5）层间侧向位移性能测试（美标），在液压装置推动时间做侧向层间变形12 mm三次后，试件主要构件及玻璃均未发生损坏，符合设计要求。

6）3次循环后平面内变形性能测试（国标）的平面位移量满足标准2级性能要求。

7）美标75%和150%风荷载作用下结构安全性能检测，在对试件分别施加正负压达到750 Pa和1 000 Pa时，试件主要构件未出现损坏及明显永久变形，试件未破坏，满足设计要求。

5 总体技术路线及工艺流程

本工程超高单层单向拉索玻璃幕墙施工罕见，因此在设计阶段需要考虑施工工艺流程和环境影响等各种不利因素进行针对性设计，过程中也应强化设计对现场的跟进指导和服务工作。同时在施工过程中应结合现场实际情况及时反馈设计，对施工方案尤其是张拉工艺进行动态调整，既要最大限度避免施工对屋盖主体钢结构造成的不利影响，又需要保证幕墙体系施工与设计方案吻合。

针对本工程上端屋盖钢桁架体系分区独立、同心弧向分布的特征，本工程标准区段拉索施工采用自两端向中间、两点对称同步张拉、区段张拉完成后进行玻璃安装施工的总体施工技术路线。

方案阶段通过仿真模拟计算，明确各区域拉索张拉预应力，选择相应直径拉索采用两点同步张拉、单索分级张拉法施加预应力以达到幕墙整体稳定性要求。

6 拉索安装施工要点

6.1 拉索预张拉

预应力钢索应按标准规定在专业预应力钢索厂采用应力下料，下料完成后应对实际索长进行实测，索长误差需控制在±10 mm。为保证拉索的工作性能，在专业工厂内应进行预张拉，消除拉索原有非弹性变形因素，保证其弹性工作性能要求，工厂内预张拉次数不少于3次，张拉力为破断力的45%～55%，持续时间不少于0.5 h，达到张拉时间后应缓慢卸载。