巨型无肋钢化玻璃厅堂装饰的语言传输可懂度和安全性能及减震固定技术分析

马广生，姜超，郭远远，张钰生，孙振标

（中国建筑第八工程局有限公司，上海 200000）

1 研究背景

1.1 项目需求

复旦大学附属儿科医院安徽医院是“十四五”规划建设的第一批国家儿童区域医疗中心之一，占地10.67hm2，建筑面积19 万m2，总投资17 亿元。综合楼建筑包括门诊楼、住院楼、医技楼等，平面布置呈一双环抱的“手”，寓意用爱呵护儿童，环抱的“手”的中心部位为中庭，中庭面积约6000m2，总高21m，内净高至其它单体四层顶，各单体每层在中庭中间通过两层多道口艺术型钢桥连接，既有连廊的功能，也有供患者欣赏的功能。如中庭平面布置图（图2）、多道口艺术型钢桥水平投影图（图3）、多道口艺术型钢桥（又名“彩虹桥”）效果图（图4）。

从图2和图4可以看出，如果简单地将该钢桥用护栏防护，则会出现空旷大厅人员众多混乱、视觉效果较差的现象，并且混杂语音广播声音失真也影响语言传输可懂度，为此需将2～3 层多道口艺术型钢桥侧面，设计集半透明、半隔声、观赏性强为一体的装饰。经多种方案对比，钢桥在正常防护的基础上，选用巨型无肋渐变彩色钢化玻璃装饰大厅，效果最佳。但同时也对该玻璃的物理性能、固定构造、减震构造和实现方法以及安装玻璃后对环境的影响等提出了新的要求，即需要对玻璃板材的受力、固定构造的安全性、抗震减震性能和语言传输质量等进行系统计算、分析。

1.2 国内外研究状况

经检索国内外数据库相关文献23篇，国内外均未见有与本研究内容相同的文献报道。国际上所研究的内容仅有对玻璃幕墙系统的设计优化、在风压下玻璃脆性变形的检测方法以及变形曲线画法、利用玻璃幕墙进行光伏发电与室内采光之间的矛盾、玻璃幕墙系统与建筑结构之间风荷载的状况下的受力关系的分析。

综上所述，有关“巨型无肋钢化玻璃厅堂装饰的语言传输可懂度和安全性能分析及减震固定技术研究”的内容，未见有与本研究关键技术相对应的文献，此研究项目具有新颖性和先进性。因该装饰需满足视觉美观、降低降噪、固定安全、减震防灾等基本要求，而国内外对厅堂内玻璃装饰的力学性能、语言传输可懂度的模拟分析和减震技术及实现方法等系统研究不足，故进行系列研究分析十分必要。

2 研究主要内容与目的、技术路线、方法

2.1 研究主要内容与目的

针对公共建筑厅堂巨型无肋彩色钢化玻璃装饰设计与施工，利用EASE（电声模拟）软件模拟声学分析厅堂有无玻璃装饰环境下的STI（语言传输指数）指标，优化设计方案，提高公共建筑厅堂语言传输的可懂度；针对巨型无肋彩色钢化玻璃的固定，采用独立吊挂辅以减震约束法，并利用SAP2000 Midas Civil 有限元软件分析固定构造的安全性；自主研制了减震固定装置，使巨型无肋彩色钢化玻璃在地震荷载下可多维度消减加速度，提高抗震性能；研究了固定施工技术并应用。

2.2 研究技术路线与方法

第一步为设计巨型无肋钢化玻璃厅堂装饰与研制减震固定装置，第二步为模拟分析特定环境下的语言传输可懂度指标并优化设计方案，第三步为利用有限元软件对安全性能和减震验算分析优化设计，第四步为编制实现方案。

3 创新点及特点

3.1 创新点

3.1.1 设计创新

针对公共建筑厅堂采用了巨型无肋彩色钢化玻璃装饰，首次利用EASE 软件模拟声学分析厅堂有无玻璃装饰环境下的STI（语言传输指数）指标对比优化设计方案，提高了公共建筑厅堂语言传输的可懂度，营造了良好的就医环境。

3.1.2 方法创新

针对巨型无肋彩色钢化玻璃的固定，在国际国内首次采用独立吊挂辅以减震约束法，并利用SAP2000 Midas Civil有限元软件分析、优化固定构造，确保了巨型无肋钢化玻璃厅堂装饰的安全性。

3.1.3 技术创新

自主研制了减震固定装置，首次研究了巨型无肋钢化玻璃厅堂装饰工程减震固定施工技术，使其在地震荷载下可多维度消减加速度，提高了抗震性能。

3.2 特点

利用EASE 软件模拟声学分析对比优化设计方案，使厅堂有玻璃装饰环境下的STI（语言传输指数）指标提高了4%；研究了巨型无肋钢化玻璃厅堂装饰工程独立吊挂辅以减震约束法，多维度地消减地震时对巨型无肋钢化玻璃施加的加速度，减小危害和损失。

4 研究内容与实现方法

4.1 巨型无肋钢化玻璃厅堂装饰设计、固定方式和减震装置研制

4.1.1 巨型无肋钢化玻璃厅堂装饰设计方案

巨型无肋钢化玻璃厅堂装饰安装于中庭钢桥一侧，沿钢桥栏杆外侧悬挑安装，半封闭二、三层形成连廊。巨型无肋钢化玻璃高5800mm，宽800～1500mm，厚6.00+1.52+6.00（玻璃+胶+玻璃），自二层钢桥至三层钢桥间断布置。

4.1.2 巨型无肋钢化玻璃厅堂装饰固定方式设计与实现方法

玻璃固定方式为上部悬挑钢结构吊挂式，下部悬挑钢结构水平约束，玻璃固定构造正视图和剖面图如图5、图6 所示。

4.1.3 减震装置研制与实现方法

4.1.3.1 减震固定装置的组成

减震固定装置主要有外钢槽、内钢槽、消能器、布罩、悬挑支挂架和防腐涂装六个部分，如图7 所示。工作原理是用内钢槽和密封胶固定巨型玻璃，当外力或地震作用在玻璃上时，将力传递在消能器上，通过减震弹簧减少玻璃振幅，如图8所示。

4.1.3.2 组成部分的材质、特征、实现方法

①外钢槽的材质、特征、实现方法

外钢槽采用材质为Q345 厚8mm钢板。外钢槽的特征为长方型的金属盒，外围尺寸为长1740mm、宽282mm、高216mm，外钢槽的上沿四周向外呈90°折40mm 檐边。实现方法是外钢槽通过折压、焊接和冲孔等工艺制作而成。外钢槽的上沿檐边沿中心线每300mm（或均分）钻孔套丝M10 布罩固定丝孔，侧壁四周沿下端分别向上120mm、170mm 高度沿水平线间距200mm（均分）留置两排Φ22 消能器弹簧穿入孔，端部侧面居中；外钢槽的底部沿中心线间距200mm 留置一排Φ22 消能器弹簧穿入孔。在大于消能器弹簧穿入孔Φ 20mm 的圆弧上分别设置与外钢槽底边平行和垂直且呈90°的4 个M10 套丝孔，用于固定消能器。外钢槽由钢板压折呈长方形盒状，折边相邻处焊接，焊脚≮8mm。如图9所示。

②内钢槽的材质、特征、实现方法

内钢槽采用材质为Q345 厚8mm钢板。内钢槽的特征为长方型的金属盒，外围尺寸为长1540mm、宽162mm、高116mm，内钢槽的上沿四周向外呈90°折40mm 檐边（上沿檐边）。实现方法是内钢槽通过折压、焊接和冲孔等工艺制作而成。内钢槽的上沿檐边沿中心线每300mm（或均分）钻孔套丝M10 布罩固定丝孔。折边相邻处采用焊接，焊脚≮8mm。安装玻璃前内钢槽内底部铺设30 厚等宽橡胶条，玻璃置于内钢槽内居中，四周用硅酮类结构胶灌缝，灌注硅酮类结构胶时应木楔临时固定，待结构胶达到强度取出木楔并用结构胶补平。玻璃安装前，可将内钢槽预先固定在玻璃的固定端。如图10所示。

图3 多道口艺术型钢桥水平投影图

图4 多道口艺术型钢桥效果图

图5 玻璃固定构造正视图

图6 玻璃固定构造侧视图

图7 一种玻璃减震固定装置三维示意图

图8 工作原理图（剖面图）

图9 外钢槽三视图

图10 内钢槽三视图

③消能器的组成、材质、特征、实现方法

消能器由消能器外罩、消能弹簧、固定螺栓组成。消能器外罩的材质为Q345。消能器外罩特征和实现方法：消能器外罩呈圆形杯状，为一端开口，另一端密封。开口端设有连接法兰，法兰盘外径92mm，内径22mm，壁厚5mm，连接法兰呈90°设置4 个Φ12mm 螺栓孔。法兰盘上焊接壁厚3mm 内径22mm 长100mm 的钢管，法兰端为开口端，另一端封死，消能器外罩三视图（图11）。消能器外罩可通过铸造或钢管与法兰焊接而成。安装时，先将内钢槽置于外钢槽内的相应位置（预装玻璃也可）并将消能弹簧装入消能器外罩内。消能弹簧采用圆柱螺旋压缩弹簧，再将消能器用螺栓固定在外钢槽对应的位置。安装螺栓时应加相应的弹簧垫片和平垫，拧紧扭矩不小于16.4MN/m，如图12 所示，消能器上下两排，上端同。固定螺栓采用5.8级M10X40的镀锌螺栓。

图11 消能器外罩三视图

图12 消能器下端安装后三视图

④布罩

布罩选用防雨复合布，四周用压条压接。

⑤悬挑支挂架的组成、材质、特征和实现方法

悬挑支架由建筑结构固定端和型钢悬挑端两部分组成。悬挑支架材质采用Q345 等级150#工字钢。建筑结构属于混凝土结构，可在相应位置预埋铁件，悬挑端的型钢与预埋铁件焊接固定，建筑结构属于钢结构的可直接将型钢固定端通长焊接，焊脚≮8mm。悬挑支架的长度根据需要一般在500～800mm 以内。悬挑支架的承载段与外钢槽底部垂直通长焊接，焊脚应大于8mm。下外槽钢焊接于悬挑支架上方，上方外钢槽焊接于悬挑挂架下方，每个外钢槽须设置4 个或及其以上悬挑支架。

当成品不锈钢玻璃吊卡安装完毕，将吊杆、玻璃、玻璃吊卡插入内钢槽，并将吊杆穿过内钢槽后用M22 螺母与悬挑型钢连接并调整好高度即可。

5 巨型无肋钢化玻璃厅堂装饰环境下的空间语言传输可懂度与对比设计方案

5.1 分析依据

影响大厅空间的音质衡量指标的因素有体积、吸声材料、吸声面积。根据《声系统设备第16 部分：通过语音传输指数客观评价语言可懂度》（GB/T 12060.16-2017）的相关要求和《厅堂扩音系统声学特性指标》（GYJ25-86）中EASE 计算机声学模拟分析中《表7-4 RaSTI 参考值表》的指标，公共大厅模拟层面空间音质衡量指标要求STI（语言传输指数）应大于0.3。

表1 RaSTI参考值表

5.2 模拟分析

采用EASE（电声模拟）软件，输入厅堂内全部设计环境的影响音质衡量指标因素的参数，模拟分析大厅首层无玻璃装饰环境下的STI（语言传输指数）指标，如图13和图14所示。无玻璃时1层在离声源距离10m 内较为清晰，超过这个距离，说话声容易被干扰声覆盖，但主要空间STI 值在0.3 以上，室内音质为可接受水平。

图13 1层无玻璃分析图

图14 1层无玻璃分析排列图

如图15和图16所示，无玻璃时2层在离声源距离10m 内较为清晰，超过这个距离，说话声容易被干扰声覆盖，但主要空间STI 值在0.3 以上，室内音质为可以接受的水平。

图15 2层无玻璃分析图

图16 2层无玻璃分析结果排列图

如图17和图18所示，有玻璃时1层在离声源距离10m 内较为清晰，超过这个距离，说话声容易被干扰声覆盖，但主要空间STI 值在0.3 以上，室内音质为可接受水平。

图17 1层有玻璃分析图

图18 1层有玻璃分析排列图

有玻璃时1层在离声源距离10m 内较为清晰，超过这个距离，说话声容易被干扰声覆盖，但主要空间STI 值在0.3 以上，室内音质为可以接受水平。

如图19和图20所示，有玻璃时1层在离声源距离10m 内较为清晰，超过这个距离，说话声容易被干扰声覆盖，但主要空间STI 值在0.3 以上，室内音质为可接受水平。

图19 2层有玻璃分析图

图20 2层有玻璃分析排列图

5.3 差异分析

当安装彩虹桥玻璃时，大厅1 层主要区域STI 值在0.4，占比45%，比未安装玻璃的环境下提高了3%，室内音质为可以接受水平；当安装彩虹桥装饰玻璃时，大厅2层的主要区域STI值在0.4，占比40%，比未安装玻璃的情况下，语言传输清晰度提高了4%，室内音质为可以接受水平，如图21所示。

图21 差异分析图

5.4 分析结论

根据《声系统设备第16 部分：通过语音传输指数客观评价语言可懂度》（GB/T 12060.16-2017）中年龄超过60岁的听力损失听者相较于正常听者的可懂度评价表（表2）来看，儿童医院陪诊的家长年龄一般在60 岁以下，属于正常听者，故大厅音质为可以接受水平。

表2 年龄超过60岁的听力损失听者相较于正常听者的可懂度评价表

由此看来，大厅安装玻璃装饰比未安装玻璃装饰的STI 值指标有所提高，巨型无肋钢化玻璃厅堂装饰设计方案有利于语音传输。

6 玻璃的安全性、固定方法的安全性和减震性能分析

6.1 玻璃的安全性计算与分析工况说明

根据图5、6 所示和相关参数分析，处于两种工况，工况一为仅顶部两个吊装点受力状态，工况二为顶部两个吊装点、底部减震固定装置受力状态。

6.2 受力和变形分析

6.2.1 计算软件和说明

应用SAP2000 V24.0 版对玻璃强度及变形进行分析。

6.2.2 分析结果

①工况一：应力有限元分析结果

经有限元分析得到应力分布图（图22），应力最大处在顶部吊装点附近，最大应力3.764N/mm2；应力最小处在顶部中间区域，最小应力-0.597N/mm2，小于84MPa，满足要求。

图22 应力分布图

②工况一：变形有限元分析结果

经过有限元分析得到玻璃变形分布图（图23），变形最大处在底部，最大变形0.017mm，小于1500mm/60=25mm，满足要求。

图23 玻璃变形分布图

③工况二：应力有限元分析结果

经过有限元分析得到应力分布图（图24），应力最大处在顶部吊装点附近，最大应力4.083N/mm²；应力最小处在顶部中间区域，最小应力-1.354N/mm²，小于84MPa，满足要求。

图24 应力分布图

④工况二：变形有限元分析结果

经过有限元分析得到玻璃变形分布图（图25），变形最大处在底部，最大变形8.971mm，小于1500mm/60=25mm，满足要求。

图25 玻璃变形分布图

综上所述，在两种工况下，玻璃强度和挠度都满足要求。

6.2.3 固定方法的安全性计算分析

①吊挂辅助固定系统构造安全性计算分析

钢化加胶玻璃高5800mm、宽1500mm、厚25.52mm，密度取28kN/m3，使用Civil 2022 对吊装支架进行受力分析，分析结果如下。

a.受力计算

顶部工字钢受力：

顶部工字钢最大竖向力F=5.8×1.5×0.02552×28.0=6.2kN。

底部减震装置及工字钢受力：

槽钢最大竖向力f=5.8×1.5×0.02552×28.0/1.5=4.1kN/m。

荷载组合为1.3×自重+1.5活荷载。

b.模型简化

顶部工字钢和底部工字钢与结构处为固结，如图26、图27所示。

图26 顶部悬挑端受竖向力模型图

图27 底部悬挑端受竖向力模型图

顶部工字钢最大竖向力F=5.8×1.5×0.02552×28.0=6.2kN。

底部减震装置及工字钢受力：

槽钢最大竖向力f=5.8×1.5×0.02552×28.0/1.5=4.1kN/m。

荷载组合为1.3×自重+1.5活荷载。

底部结构底部工字钢与结构处为固结，玻璃作用在槽钢处受线荷载。

计算结构如图28 所示，应力最大为0.5MPa＜345MPa，满足要求。

图28 顶部悬挑结构应力分布图

如图29 所示，应力最大为0.004mm＜400/400=1mm，满足要求。

图29 顶部悬挑结构变形分布图

如图30 所示，应力最大为14.MPa＜345MPa，满足要求。如图31所示，应力最大为0.158mm＜400/400=1mm，满足要求。

图31 底部结构变形分布图

综上所述，采用现用巨型无肋钢化玻璃和吊挂辅助固定系统构造的设计，满足安全要求。

7 结语

针对巨型无肋钢化玻璃厅堂装饰的语言传输可懂度和安全性能分析及减震固定技术的系列研究，首次利用EASE（电声模拟）软件模拟声学分析厅堂有无玻璃装饰在特定环境下的STI（语言传输指数）指标，从而优化设计方案，提高了公共建筑厅堂语言传输的可懂度；针对巨型无肋彩色钢化玻璃的固定，首次采用独立吊挂辅以减震约束法，并利用SAP2000 Midas Civil 有限元软件分析优化固定构造；还自主研制了减震固定装置，使其在地震荷载下多维度消减加速度，可提高抗震性能。此项研究，对营造良好的就医环境，确保巨型无肋钢化玻璃厅堂装饰的安全性和抗震性，具有一定的经济、社会、环境效益和推广价值。