大跨度单向张拉弧形索网及桁架组合结构幕墙技术研究

初文芳，胡江，杨廷海

（1.中铁置业集团山东有限公司，山东 青岛 266000；2.沈阳中铁盛丰置业有限公司，辽宁 沈阳 110000；3.北京佑荣索福恩建筑咨询有限公司，北京 100079）

0 引言

随着科技与经济水平的不断提升，国内外大型公共建筑的主入口跨度层高都在不断增加，主入口幕墙样式也越发新颖别致，同时幕墙结构也逐渐多样化复杂化。国内外常见大跨度幕墙结构形式有拉索幕墙、拉杆幕墙、全玻幕墙、实腹式钢龙骨幕墙、格构式钢龙骨幕墙、组合结构幕墙等，大跨度张拉索网幕墙以简洁轻巧、通透美观、科技感强、能适应变化较大的层高等特点越来越受到用户青睐，广泛应用于各种场馆类会展类大型建筑中。面对该现象，国内外专家学者进行了深层次的探讨，魏德敏等[1]分析了大跨索网结构的风振系数，以双曲抛物面椭圆平面索网结构为研究对象，通过三维有限元风振响应时程分析，得到了索网结构在不同矢跨比、阻尼比下的风振响应特点和风振系数的变化规律；刘军进等[2]对中国航海博物馆曲面幕墙单层索网结构进行了深入设计研究，利用ANSYS 软件进行了索网网格优化、找形、复杂节点有限元分析、强度和防松弛验算、索网变形验算等工作，以实现索网造型和保证结构的安全；刘枫等[3]研究了重庆江北国际机场超长单层索网幕墙结构，将屋面钢结构体系与幕墙结构体系整体建模，两者之间通过耦合实现水平联系，同步加载进行结构设计，以此考虑屋面钢结构对幕墙体系的影响，进行了超长幕墙结构体系跨越下部结构伸缩缝的受力分析，并得出由于柔性结构很强的变形适应能力，下部结构伸缩缝不会对幕墙结构体系产生破坏作用的结论；舒畅等[4]对合肥新桥国际机场航站楼索网玻璃幕墙张拉施工进行了深度的技术分析；蔡其志等[5]以丰台科技园36 号地项目9 号楼为例，介绍耳板定位与张拉过程中的测量技术。

1 大跨度张拉索网幕墙应用概述

国内索网幕墙比较有代表性的工程案例有：北京新保利大厦、中国尊、大兴国际机场、深圳国际会展中心、雄安高铁站、上海国际金融中心、中国航海博物馆、广州白云国际会议中心、保定长城汽车新技术中心大楼、新疆中石油大厦等，其基本特点都是在主入口超大空间处采用单向或双向索网幕墙，给人以轻、薄、柔、震撼的直观感受。国外索网幕墙比较有代表性的工程案例有：德国慕尼黑凯宾斯基机场酒店、英国西敏寺大酒店、以色列 Amot Atrium Tower 大厦、科威特水晶大厦等。

大跨度张拉索网幕墙多应用于场馆站房、高档办公楼及酒店、大型商场等地标类建筑上且多位于该类建筑的主立面或主入口处，往往是整个建筑设计的“点睛之笔”。在有大层间、大挑空的公共区域营造超大使用空间具有独特优势，无论室外视角还是室内视角，大跨度张拉索网幕墙都给人以宏大震撼的直观感受和强烈的现代感，虽然一些拉杆幕墙、管桁架幕墙也能达到此种效果，但除此之外索网幕墙亦有轻、薄、柔、透的特质，是其他幕墙无法实现的。

2 工程概况

中铁·长春东北亚国际博览中心国际展览中心地块位于吉林省长春市朝阳区永春镇，东至人民大街、南至兴博路、西至南瑞翔大街、北至兴民路，是中铁长春博览城地块的主体板块，建筑地上规模299 075.71m2，地下42 573.33m2。建筑以“鱼骨”型展开布置展馆南侧是 4 个基本单元加 1 个多功能展厅，北侧 两个基本单元展厅加一个两层展厅共同构成，同时利用公共交通大厅串联成一个整体。沿人民大街设置场地主出入口，充分利用东侧 90m 宽绿化带打造开阔疏朗的入口广场，建筑和景观相辉映。东登录厅作为国际博览中心的主立面建筑，总体呈现倒楔形曲面，两翼建筑架空宛若展翅高飞的雄鹰。其幕墙主要由三部分组成，立面索网及桁架组合玻璃幕墙、顶部铝镁锰金属屋面及椭圆形中庭玻璃采光顶。其主立面幕墙具有超大层高、前倾曲面、幕墙高度不等等特点，给建筑设计和幕墙设计带来挑战，索网及桁架组合幕墙巧妙地解决了以上难点，更为整个建筑注入了现代科技感和震撼感染力。东登录厅效果图如图1所示。

图1 东登录厅效果图

3 幕墙设计方案选择

设计之初，设计师对本项目东登录厅立面的玻璃幕墙可能出现的形式逐一列出进行深入分析比选。大跨度大层高玻璃幕墙通常采用拉索式玻璃幕墙、拉杆式玻璃幕墙、全玻幕墙、实腹式钢龙骨玻璃幕墙、格构式钢龙骨玻璃幕墙、组合结构玻璃幕墙6 种结构形式。本文根据这6 种结构形式设计6 种可供选择的方案，具体参数如表1 所示。

表1 拉索参数

表1 6 种设计方案参数对比

由表1 可以看出6 种方案的选择，如下所示。

拉索式玻璃幕墙（方案1）虽然通透且初步可行，但本工程拉索竖向跨度约22m，每根竖向拉索上下端要各产生 1 400kN 左右的支反力，此反力对上下土建结构的支撑能力要求极高，特别是上部土建钢结构梁为弧形，拉索拉力产生的弯矩和扭矩对此梁很不利。且本工程东登录厅的玻璃幕墙是倒圆台形，无法设置水平受力索，形不成横竖交织的双向索网幕墙。综上，可以采用只布置竖向拉索不布置水平拉索的单向张拉方案，只要解决了拉索支反力大的问题，此类方案可以优先考虑。但经过设计院结构专业计算，此处支撑拉索的上下土建钢结构梁需要 3 000mm×800 mm×50 mm×50 mm 的实腹箱型截面或者做更大的尺寸的管桁架，这种体量的钢构严重影响了整体通透的建筑效果故此方案不推荐选用

拉杆式玻璃幕墙（方案2）受拉杆本身强度低的限制往往不能像拉索那样单排工作，需设置成双排或鱼腹式才可能形成受力体系，为了防止在水平力作用下拉杆失稳，需在横向设置稳定杆，这种方案室内线条略显复杂和凌乱，不够通透和美观，故此方案不建议采用。

全玻幕墙（方案3）在本项目没有优势，主要原因为：（1）对于玻璃肋来讲跨度太大，如用一块玻璃肋，造价太高且施工复杂，如玻璃肋断成几节中间靠钢板夹持连接则效果大打折扣；（2）该幕墙为倒圆台形，每个玻璃肋不是铅锤的而是空间倾斜构件，外玻璃肋平面外的弱轴方向仍承受自重分力，玻璃肋受力复杂增加自爆风险。

实腹式钢龙骨玻璃幕墙（方案4）在如此大跨度上没有优势，无论做单根圆管、T 钢、矩形钢管、工字钢等实腹式截面，其截面尺寸都不会小无法达到轻巧通透的效果。以矩形管为例，经计算 22m 跨度的主入口需要750mm×150mm×20mm×20mm的矩形管轻钢龙骨，此截面龙骨间距2m 布置一根，在人视角度看此龙骨形成的玻璃幕墙并不通透，给人以压抑之感。

格构式钢龙骨玻璃幕墙（方案5）可以采用平行桁架、鱼腹桁架、三角桁架等各种管桁架造型来实现受力和降低截面尺寸的目的。但此结构形式在人视角维度内不够通透，略挡视线，室内外交互性略差。

组合结构玻璃幕墙（方案6）是以上各种基本结构形式相组合的幕墙形式例如实腹钢管与拉索组成的自平衡竖龙骨体系，竖向格构管桁架与横向拉索组合的结构体系，巨型实腹式梁柱把玻璃幕墙分成若干小网格区域，再在每个小网格区域内采用索网幕墙支撑体系等等，这种组合式结构类型在一些超大的场馆类项目中应用较多，有很多成功案例。

综上，在组合结构玻璃幕墙（方案6）的基础上，设计师结合东登录厅立面玻璃幕墙为倒圆台体曲面造型实际，考虑东登录厅为未来展会的主要人流来向和主要展示面等特点，兼顾使用者对主入口有轻巧、整洁、通透、巨像、科技等诉求，深化出与之匹配的单向张拉弧形索网幕墙及横向弧形管桁架组合结构幕墙方案，如图2～ 3 所示。

图2 深化方案室外效果图

图3 深化方案室内效果图

此深化方案横向采用管桁架形式，竖向采用单索，外立面不强调横竖线条，力学模型合理，横竖向受力构件各司其职且相互支持，传力明确。横向管桁架给竖向拉索跨度分割为4 段，使得拉索的受力跨距大幅降低，减小了拉索的直径和预紧力。前部竖向拉索同时为后面的横向管桁架提供竖向约束，防止管桁架承受横向水平力作用时失稳。

接下来对此方案的受力进行深入计算分析，从力学分析角度用计算数据分析方案的可行性、落地性。

4 受力分析

目前国内采用的索网幕墙标准有《玻璃幕墙工程技术规范》（JGJ102-2003）、《索结构技术规程》（JGJ257-2012）、《空间网格结构技术规程》（JGJ 7-2010）等，计算软件目前常用的有 SAP2000、ANSYS 等，本文以 SAP2000 为结构计算工具，计算构件大小验算其结构安全合理性。

4.1 基本计算参数

工程名称：东北亚国际博览中心，工程所在地：长春市，工程所属建筑物地区类别：B 类，工程所在地区抗震设防烈度：7 度（0.10g），工程基本风压：0.65kN/m2。

4.2 荷载计算及计算说明

4.2.1 恒荷载

玻璃种类：10+2.28SGP+10（Low-e）+16Ar+10+2.28SGP+10单银夹胶中空钢化玻璃（超白）。

玻璃自重标准值：1.255kN/m2（考虑相关附件重，取1.1）。

4.2.2 风荷载

基本风压：0.65kN/m2，结构距地面高度：16m，体形系数：1.2，风振系数：1.652，风压高度变化系数：1.151，地面粗糙度级别：B 类，荷载标准值：1.483 kN/m2。

4.2.3 温差作用

年温差：取±40℃，温度作用综合系数：1。

4.2.4 地震作用

地震烈度：7 度（0.10g），动力放大系数：5，水平地震作用标准值：0.4392 kN/m2

4.2.5 计算说明

（1）本计算提供的预拉力值为参考温度下拉索的预拉力值。施工时，应根据施工环境温度模拟计算施工预拉力。

（2）本计算选取边部区域，采用SAP2000 V21 软件进行。采用大挠度计算理论，拉索仅考虑受拉特性。玻璃采用虚面模拟，仅传力不参与结构计算。

4.3 结构计算及校核

4.3.1 基本条件

钢结构许用挠度：取L/250，单索结构许用挠度：取L/60（按玻璃许用挠度），拉索参数：弹性模量为1.3000E+005N/mm2；线膨胀系数为1.80E-005 1/℃。拉索参数如表1所示。钢材强度设计值fS（N/ mm2），如表2 所示。

表2 钢材强度设计值

4.3.2 分析工况组合说明

预拉力状态COMB1：1.0×Pre；正常使用状态下COMB2：立面 1.0×Pre+1.0×GK+1.0×WK（正风）+0.6×1.0×（＋TEP），COMB3：立面 1.0×Pre+1.0×GK+1.0×WK-（负风）+0.6×1.0×（＋TEP）；承载能力极限状态下COMB4：立面 1.3×Pre+1.3×GK+1.5×WK（正风）+0.6×1.5×（－TEP）+0.5×1.3×EQ，COMB5：立面 1.3×Pre+1.3×GK+1.5×WK-（负风）+0.6×1.5×（－TEP）+0.5×1.3×EQ。

以上工况组合参考现行《建筑结构荷载规范》[6]等国家标准，其中：Pre 指预拉力，WK 指作用在幕墙上的风荷载标准值，单位为kN/m2。

4.3.3 计算模型

钢架立面最大跨度为21.5m，两边跨度为8.9m，拉索最大跨度为6m，拉索和钢横梁连接位置为铰接，做弯矩释放设定。计算模型图如图4 所示。

图4 计算模型图

4.3.4 正常使用状态挠度计算分析

单索结构位移，如图5 所示，钢结构位移如图6 所示。

图5 单索结构位移

图6 钢结构位移

单索结构大挠度变形为92.48mm（COMB3 工况），跨度为6 000mm，校核结果为92.48/600＜1/60。

钢结构大挠度变形为32.38mm（COMB2 工况），跨度为19 000mm，校核结果为32.3744/19 000＜1/250，挠度满足设计要求。

4.3.5 承载能力极限状态计算分析

φ30 拉索最大轴力图，如图7所示，最大轴 力F=312.62kN ＜346.87kN，强度满足；

图7 φ30 拉索最大轴力图

φ28 拉索最大轴力图，如图8所示，最大轴力F=232.1kN＜272.32kN，强度满足；

图8 φ28 拉索最大轴力图

φ18 拉索最大轴力，如图9所示，最大轴力F=47.68kN＜112.84kN，强度满足。

图9 φ18 拉索最大轴力图

钢梁校核应力比满足强度和稳定性设计要求。

综上，结构承载能力满足设计要求。

5 深化设计

5.1 分格设计

东登录厅立面玻璃幕墙分格进行划分，考虑到会展类建筑的性质，玻璃幕墙分格宜尽量大一些，且首层近人尺度尽量做高，增加人视角通透大气效果，故高度方向分格划分由地面到檐口依次为6m+4.5m×3，宽度方向分格约 2m（由于是倒楔形曲面分格宽沿高度方向为变数），为了体现更加通透的建筑效果，减少钢化玻璃自爆率，玻璃采用超白，玻璃配置为 10+2.28SGP+10+16Ar+10+2.28SGP+10 四片超白单银 Low-E 钢化充气双夹胶中空玻璃。玻璃经计算为六点支撑，即每块玻璃四个角点通过不锈钢夹具固定在拉索上，每块玻璃的竖向中点也固定不锈钢夹具。

5.2 细部节点设计

主受力竖向拉索在顶部的处理：从主体钢结构上焊接并挑出钢桁架牛腿来支撑竖向拉索耳板和索锚具（固定端）等均隐藏于吊顶之内。耳板的焊缝和孔壁承压等均经过计算满足受力要求，为藏索锚具（耳板及拉索调节端），特为此做了一个检修沟检修，沟上覆不锈钢篦子，拉索定期维护时可以打开篦子入内检修为防止在外力作用下拉索发生位移与地面第子发生磕碰产生应力腐蚀现象，在出地面之前拉索上设置稳定锁套，锁套通过耳板与地梁埋件连接使拉索不发生侧向位移。在门套上面，为使拉索调节端隐藏在门套厚度内，特设置了螺杆式球较调节端，此种调节端占用空间小，拉索定期检测后如发生松弛可以通过此端再次张紧，达到预紧力补偿的目的。设置检修口，拉索底部吊顶铝板设置成易拆卸易更换的构造，当检修维修时可以通过拆卸吊顶铝板达到检修目的。

6 张拉施工

索网的张拉主要考虑张拉顺序和张拉分级，张拉方案要综合考虑结构受力、施工成本和张拉工期。一般情况下，索网由张拉引起的变形在中间位置较大而两边较小，所以以控制索力衰减和结构变形增量为原则，索网张拉一般采用由两边向中间的张拉顺序。

在预应力施工过程中，监测索网边界钢构件的变形及钢索的拉力变化，通过理论计算值与实测值之间的差别比较，及时对计算模型进行校正，从而保证施工模拟计算的正确性；保证预应力施工质量和施工人员的安全，使最终的预应力状态达到设计要求。

7 结论

本文以中铁长春东北亚国际博览中心东登录厅索网及桁架组合幕墙为例，结合国内相关案例，通过方案比选、受力分析、深化设计和张拉施工等，对大型公建项目的大跨度大层高、造型复杂的主入口的玻璃幕墙结构进行了定性和定量化的落地分析。通过以上分析可以了解此类幕墙从方案设计到深化设计再到落地施工的整个过程。在大型公建项目日益大型化、复杂化的今天，本文对于会展及其他符合此功能需求的大空间主入口幕墙设计具有相关的借鉴意义。

每种大跨度幕墙都有其优点和缺点，在设计之初，需结合建筑方案的理念筛选出全部的可行性方案供决策方讨论，在多种方案中比选出最优的一种，甚至可以考虑把几种方案相叠加或结合给出一种与众不同的新方案。