轉(zhuǎn)自：中國建筑金屬結(jié)構(gòu)雜志

作者：王德勤

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1引言

在現(xiàn)代建筑設(shè)計中,建筑師追求建筑外觀的新、奇、特藝術(shù)效果，出現(xiàn)了不少三維自由曲面造型的建筑立面。其基本表現(xiàn)手法是利用異形玻璃幕墻,通過對面板曲面的變化形式來表現(xiàn)的，這給了幕墻公司的技術(shù)人員和科研研發(fā)，提出了不小的挑戰(zhàn)和巨大的契機(jī)?？梢哉f，異形幕墻的出現(xiàn)和發(fā)展給了幕墻設(shè)計師們發(fā)揮其聰明才智的空間，促使建筑幕墻的設(shè)計與施工技術(shù)向前發(fā)展。本文想通過對經(jīng)過時間考驗的實際工程項目使用過的成熟節(jié)點的介紹和分析，進(jìn)一步提高我們對新的異形幕墻節(jié)點的設(shè)計和理解能力。北京天文館異形玻璃幕墻和玻璃旋體，是典型的雙曲面玻璃幕墻。從工程竣工到現(xiàn)在已有十多年的時間了。位于南、北立面的夾膠中空玻璃雙曲面幕墻和馬鞍形玻璃通道的異形夾膠玻璃面板，已經(jīng)經(jīng)受到了時間的考驗。在該項目的異形幕墻中從玻璃幕墻到玻璃旋體造型。以及玻璃采光頂、屋頂玻璃體造型等相關(guān)于異形幕墻的特殊構(gòu)造節(jié)點有二十種之多。由于節(jié)點設(shè)計的比較合理，針對性和可實施性強(qiáng)，對異形玻璃幕墻的結(jié)構(gòu)安裝和面板安裝起到了決定性的作用。使得雙曲面的玻璃造型流暢順滑。本文對在北京天文館項目中使用的幾種特殊節(jié)點進(jìn)行一下分析介紹。這些節(jié)點在近十多年中除本項目使用外，部分已經(jīng)大量應(yīng)用在其它的異形幕墻的項目中，成為通用的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效果。有些節(jié)點已經(jīng)審請了專利，成為被******認(rèn)可的專利技術(shù)并取得了相應(yīng)的專利證書，為幕墻行業(yè)技術(shù)的發(fā)展做出了貢獻(xiàn)。下面，結(jié)合實際工程案例作一些粗淺的解析。1.1、異形幕墻項目北京天文館新館簡介北京天文館新館的建筑位置位于北京市西直門外大街138號，總建筑面積22000平方米.是一個大型綜合性天文館。工程建筑設(shè)計由美國王弄極建筑師事物所和中國航天建筑設(shè)計研究院聯(lián)合承擔(dān)完成。玻璃工程分成三個主要部分：北立面幕墻以及采光頂、馬鞍形玻璃通道、四個空間鋼結(jié)構(gòu)玻璃旋體。無論從設(shè)計和施工的技術(shù)難度都超乎想象。(如圖1.1-a、b、c、d)

建筑物由五層鋼筋混泥土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、玻璃幕墻及采光頂、馬鞍形玻璃通道和四個各具象征意義的玻璃旋體組合而成。在四個玻璃旋體內(nèi)部分別布置多功能廳、動感影劇院、天文觀測臺等功能建筑。在建筑物中部設(shè)置了一個由異形玻璃拼接的馬鞍形玻璃通道貫穿整個建筑，將北立面的玻璃幕墻和南立面的石材幕墻連接。其建筑創(chuàng)意新穎、造型別致、層次分明，用玻璃與鋼結(jié)構(gòu)的有機(jī)結(jié)合體現(xiàn)了過去與未來、藝術(shù)與自然的和諧統(tǒng)一。

1、2、北立面幕墻和采光頂、屋頂玻璃體的構(gòu)造

北立面玻璃幕墻由于建筑節(jié)能要求，玻璃采用8mm(鋼化)+12A(中空)+8mmLow-e(鋼化)玻璃，玻璃基本分割尺寸為3000mmX1000mm。幕墻按橫明豎隱構(gòu)造。幕墻結(jié)構(gòu)系統(tǒng)采用了橫向由T型鋼龍骨支托，既作為外視橫線條也作為玻璃面板的水平支承結(jié)構(gòu)。(如圖1.1-a)

在建筑物北立面幕墻與東、西立面幕墻的銜接過渡處的弧形面是由兩段不同半徑的弧面銜接過渡，避免通常情況下的直角銜接;在北立面玻璃幕墻的西側(cè)，局部為凹球型玻璃表面，而球面與平面銜接處為順滑過渡的空間三維曲面。其設(shè)計、加工及安裝難度，迄今為止均為國內(nèi)幕墻業(yè)所不多見。整個建筑物線條流暢合理，與周圍建筑物益顯和諧。(如圖1.1-b、c)

北立面幕墻結(jié)構(gòu)按9m跨度布置18根ф800mm直經(jīng)的鋼管柱,為適應(yīng)玻璃幕墻的藝術(shù)造型，在18根直徑為ф800mm、高度為30m，每根重量為9.9噸鋼立柱中就有8根為彎曲鋼柱。由于鋼管的直徑太大，彎曲孤線要求精度高，又是每根彎曲弧線不一致，給加工制作和現(xiàn)場安裝造成了很大的難度。經(jīng)技術(shù)人員、施工人員多次試驗，克服了各種困難，***后采用方案是：在后場分級熱彎剪裁成型;在現(xiàn)場放樣逐級校正的辦法。(圖1.2-b)

為達(dá)到立面通透的效果，在柱與柱之間的支承結(jié)構(gòu)上我們采用了9m跨的變載面水平玻璃肋作為玻璃幕墻受風(fēng)荷載的主要支承結(jié)構(gòu)，用橫向玻璃肋與鋼方通的組合結(jié)構(gòu)支撐著有橫向線條的立面玻璃，用φ12mm的鋼拉桿來保證玻璃肋的平面處穩(wěn)定，這在國內(nèi)是首次使用的。為確保安全，玻璃肋采用25.52mm的雙鋼化夾膠玻璃，用不銹鋼夾板連接，并通過運用ANSYS軟件作整體計算和幕墻三項性能實體試驗證明，該結(jié)構(gòu)安全、合理。(如圖1.2-c)

采光頂采用隱框作法，玻璃為中空鋼化夾膠玻璃。排水坡度為3%。根據(jù)建筑物的功能要求設(shè)置13個電動通風(fēng)排煙窗。為避免夏季陽光的過度照射，在采光頂?shù)氖覂?nèi)我們設(shè)置了玻璃遮陽百頁。合理的節(jié)點設(shè)計和材料組合保證幕墻的功能要求。在屋面的頂部，球形天文望遠(yuǎn)鏡的周邊安裝了多個無使用功能的玻璃體造型，其結(jié)構(gòu)都是由鋼結(jié)構(gòu)支承的點支式玻璃幕墻，實現(xiàn)的效果是在室內(nèi)的玻璃旋體穿透屋面與天空相呼應(yīng)(如圖1.2-d、e)2、節(jié)點設(shè)計2.1、馬鞍形玻璃通道與南北立面異形幕墻在建筑物中部設(shè)置了一個由曲形鋼結(jié)構(gòu)支撐，用360片不同尺寸、不同規(guī)格的雙曲面熱彎夾膠玻璃拼接而成的馬鞍形玻璃通道，這個通道貫穿整個建筑。它將北立面的曲面玻璃幕墻和南立面的石材幕墻連接。它的特殊之處在于極具創(chuàng)造性的利用鋼結(jié)構(gòu)和雙曲面玻璃組成連續(xù)的馬鞍形空間雙曲面，實現(xiàn)了一個富有想象力的夢幻空間。(如圖2.1-a、b、c)

在南、北立面的馬鞍通道入口處，由于外形和玻璃分割線所限，使鋼結(jié)構(gòu)龍骨的加工和玻璃的加工安裝碰到很大的難題。固定玻璃的次龍骨是曲線形，而固定玻璃的槽口又要與玻璃的邊緣對應(yīng)，這就出現(xiàn)了次龍骨為曲線扭曲形狀;異形邊雙曲面玻璃***大長度達(dá)3680mm×1200mm，這在國內(nèi)玻璃加工業(yè)是從未遇到過的難題。經(jīng)多次論證和試驗，確定了加工安裝方案。鋼龍骨的制作分兩步進(jìn)行，首先將龍骨的外形按設(shè)計要求的曲線制作成形，保證將誤差控制在±1.5mm之內(nèi)，并預(yù)安裝到位，再按每隔100mm作一個與玻璃面的切線對應(yīng)點，確定扭曲度數(shù)并逐級校正成形，確保玻璃邊緣與龍骨槽口吻合。

在北立面玻璃幕墻和馬鞍形玻璃通道入口的玻璃幕墻，采用了橫明豎隱的玻璃幕墻形式。幕墻結(jié)構(gòu)系統(tǒng)采用了橫向由T型鋼龍骨支承，在外部增加了鋁合金裝飾扣條。使其既作為外視橫線條也作為玻璃面板的水平支承結(jié)構(gòu)。圖2.1-d北立面異形玻璃幕墻節(jié)點圖中所示的為大面的基本節(jié)點，在轉(zhuǎn)角處和曲面幕墻處的節(jié)點是在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了加強(qiáng)改造。(如圖2.1-d)

異形雙曲面玻璃的加工采取每片玻璃對應(yīng)一個鋼模具的辦法。用網(wǎng)格式空間模形確定玻璃下料尺寸。在模具制作時按網(wǎng)格橫線條的曲度將鋼管彎曲成形。每隔100mm一根曲形鋼管并按網(wǎng)格的豎向線條曲度拼接成空間雙曲面模具，并預(yù)留出玻璃在燒制過程中回彈尺寸余量，保證玻璃的曲面偏差在±2.5mm之內(nèi)，外形尺寸偏差在±3mm之內(nèi)。經(jīng)過嚴(yán)格的對加工制作、現(xiàn)場安裝每道工序控制，解決了一個又一個的技術(shù)難題，一個由360個鋼模具加工出來的尺寸各異、形狀不同的玻璃馬鞍體通道如期建成，******的達(dá)到了建筑效果的要求。2.2、玻璃旋體異形幕墻四個各具特色空間玻璃旋體的共同特點是，在豎向坐標(biāo)的一系列圓心隨著高度的變化在空間不斷飄移，每一層玻璃水平分割線的圓心坐標(biāo)位置各不一樣，***大相差3670mm,并由半徑不斷變化的圓弧在空間組合形成空間弧面。旋體***高為38.5m并高出屋面8.5m,異形玻璃的基本分割為1000mmx1000mm。四個空間玻璃旋體的的玻璃面板組合，都采用了上下玻璃板塊對接，左右片錯位搭接的方案來實現(xiàn)獨特的建筑藝術(shù)效果。(如圖2.2-a、b、c、d)1號玻璃旋體的***大直徑為24m，***小直徑為15.8m，總高度34m。玻璃為上下兩點支承，玻璃之間為開縫式，上下玻璃板塊對接，左右玻璃板塊錯位搭接的連接方式，玻璃安裝在旋體空間鋼結(jié)構(gòu)的外側(cè)。(如圖2.2-a、)

公司由一群才華橫溢經(jīng)驗豐富的熟練操作車、銑、磨、電火花、線切割、數(shù)控設(shè)備操作人員和經(jīng)驗豐富的模具設(shè)計、裝配高級工程師組成的員工隊伍，全面實現(xiàn)計算機(jī)輔助設(shè)計（PRE/UG./SLIDWORK）及計算機(jī)制造加工系統(tǒng)（CAD/CAE/CAM），運用******的制造工藝和完善的質(zhì)量控制流程，北京鋁合金零件加工,北京軍工零件加工產(chǎn)品質(zhì)量嚴(yán)格按照ISO9000質(zhì)量體系標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

2號玻璃旋體的***大直徑為25m，***小直徑為19.5m，總高度為34m，玻璃為上下兩點支承，玻璃之間為開縫式，上下玻璃板塊對接，左右玻璃板塊錯位搭接的連接方式。玻璃板塊安裝在旋體空間鋼結(jié)構(gòu)的內(nèi)側(cè)。(如圖2.2-b)3號玻璃旋體的截面為大、小兩個圓相交，并分為室內(nèi)、室外兩個部分。大圓***大直徑18m，小圓***小直徑13m，總高度為38.5m;玻璃板塊均為四點支承。玻璃板塊之間采用了上下玻璃板塊對接，左右玻璃板塊錯位搭接的連接方式，在板塊之間打膠處理使之形成閉縫式連接。在室內(nèi)的玻璃采用鋼化夾膠玻璃，室外為中空鋼化玻璃。在3號旋體的頂部也就是在屋面的上面設(shè)置了點支式斜面玻璃采光頂。(如圖2.2-c)

4號旋體的截面隨圓形，豎向支承結(jié)構(gòu)和豎向玻璃縫均為螺旋式，旋體總高度為32.8m，玻璃為上下兩點支承，玻璃之間為開縫式，上下玻璃板塊對接，左右玻璃板塊錯位搭接的連接方式，玻璃安裝在旋體空間鋼結(jié)構(gòu)的外側(cè)。(如圖2.2-d)空間玻璃旋體鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計、施工難點在于結(jié)構(gòu)空間組合的任意性.共計320根體形各異的鋼管需要進(jìn)行空間三維加工,其中主管為φ159X6mm，次管為120X60X5mm矩形管，結(jié)構(gòu)與玻璃板面是通過不銹鋼爪件連接，安裝精度要求極高。在6200個玻璃安裝點上，每個點的尺寸誤差都必須控制在±2mm之內(nèi)。在3號旋體玻璃與結(jié)構(gòu)連接節(jié)點設(shè)計過程中，經(jīng)過設(shè)計人員對多個方案的反復(fù)論證，并經(jīng)多次實驗解決了玻璃板塊之間采用上下玻璃板塊對接，左右玻璃板塊錯位搭接的連接方式，在板塊之間打膠處理使之形成閉縫式連接的特殊雙層玻璃點駁接節(jié)點也叫雙頭連接駁接頭。解決了這一難題，該節(jié)點還申請了******實用新型專利，為這類連接形式找出了路子。(如圖2.2-e、f)

為解決技術(shù)難題，在設(shè)計中根據(jù)工程特點發(fā)明了新的節(jié)點并使用在本工程上：雙頭連接駁接頭、可調(diào)式轉(zhuǎn)角支承爪件、雙層玻璃定位夾等，都是針對本工程設(shè)計的特殊節(jié)點。既解決了設(shè)計于施工難題又滿足了建筑造型的要求。在結(jié)構(gòu)設(shè)計上充分利用******的結(jié)構(gòu)計算軟件建立四個旋體的空間模型，對旋體的每一條桿件都進(jìn)行靜力學(xué)和動力學(xué)的分析.確保結(jié)構(gòu)的安全性。由于造型的需要在1號、2號、4號玻璃旋體上玻璃板塊為上下兩點支承，玻璃之間為開縫式，上下玻璃板塊對接，左右玻璃板塊錯位搭接的連接方式來實現(xiàn)整個玻璃旋體的雙曲面造型。由于玻璃板塊與旋體的空間鋼結(jié)構(gòu)的連接是采用在玻璃板塊的中部固定的,用玻璃板塊的上、下兩點來支承板塊所受的荷載。這種連接方式雖然能解決了玻璃板塊自重和水平荷載的傳遞。(如圖2.2-h、i)但同時又出現(xiàn)了板塊平面外不穩(wěn)定的問題。為了能在不增加結(jié)構(gòu)連接件的情況下，解決玻璃板塊平面外固定的問題，我們專門為該項目設(shè)計了玻璃面板卡扣式連接節(jié)點，也叫雙層玻璃定位夾。(如圖2.2-g)

由于該結(jié)構(gòu)體系為空間變化，形體復(fù)雜，一方面要保證龍骨結(jié)構(gòu)視覺造型上的藝術(shù)性，另一方面還要控制鋼結(jié)構(gòu)加工、安裝的誤差。在結(jié)構(gòu)設(shè)計中采用專用3D建模軟件，準(zhǔn)確確定弦體曲面位置和結(jié)構(gòu)的空間參數(shù)，以保證施工圖設(shè)計和加工工藝的******度;工廠加工時采用了三維剛性胎模控制、檢測幾何尺寸保證每根鋼管的空間彎曲度;現(xiàn)場安裝時將每根鋼管的電腦定位座標(biāo)用全站儀三維空間定位，再用激光經(jīng)緯儀配合跟蹤測量，以確保玻璃安裝時準(zhǔn)確無誤。在北京天文館新館玻璃幕墻和玻璃旋體施工中采用了多項新工藝、新材料、新技術(shù)，其難度之大精度之高為國內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)和幕墻的設(shè)計、安裝所不多見的，其中許多地方都打破了常規(guī)，為國內(nèi)幕墻特殊異型鋼結(jié)構(gòu)的安裝，積累了豐富的經(jīng)驗。3、結(jié)束語近年來，異形建筑和異形幕墻在國內(nèi)有了快速的發(fā)展，這就為這些特殊幕墻節(jié)點的使用提供了一個更大的空間，對幕墻工程師們在幕墻節(jié)點設(shè)計上提供了一個又一個的新的富有挑戰(zhàn)的課題?？偨Y(jié)和介紹經(jīng)過十年考驗北京天文新館項目的節(jié)點設(shè)計和使用情況，目的在于為今天的幕墻工程師們在異形幕墻的節(jié)點設(shè)計中提出一個借鑒的方案。參考文獻(xiàn)[1]《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》，中華人民共和行業(yè)規(guī)范,JGJ102-2003[2]王德勤，《北京天文館新館幕墻結(jié)構(gòu)相關(guān)技術(shù)》，鋁門窗幕墻論文集，2005[3]王德勤，《北京天文館設(shè)計與施工技術(shù)》，建筑技術(shù)，2005-9期[4]王德勤，《異型玻璃幕墻工程施工測量技術(shù)探討》，中國建筑裝飾裝修，2005

來源:2014鋁門窗幕墻年會論文集

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