超高層大跨度建筑幕墻分析——上海東亞銀行金融大廈之空中花園

　　1.前言

　　上海東亞銀行金融大廈，原名上海高寶金融大廈，所在地位于浦東新區銀城西路與花園石橋路的拐角處，即陸家嘴金融中心X3-1地塊，建筑物外立面采用玻璃幕墻，總高度198m，標準層平面近似為“H”形，東西兩側為辦公用房，東側32層，西側40層，中間部分主要為通道、樓梯、電梯間及設備間。(圖1)

圖1

　　大樓在中間部位開辟了三處跨層的空中花園，分別位于：

　　本工程外立面形式較為規整，采用單元式玻璃幕墻（詞條“單元式玻璃幕墻”由行業大百科提供）系統。空中花園區域為跨層的共享空間，單元幕墻板塊不能直接安裝在中間樓層的土建結構之上，需要專門設計出大跨度的支承體系，在滿足建筑效果要求的同時，又能為超高層的單元玻璃幕墻提供結構支承。

　　2.設計條件

　　三處空中花園建筑形式類似，我們以位于第一避難層至17層的“空中花園-1”為例進行分析。

　　該處空中花園的幕墻面為一內傾的斜面，傾斜角度3.9°，結構洞口尺寸為16.9m×15.8m(寬×高)，是三處空中花園中最大的洞口，洞口上邊與下邊均為鋼結構梁與樓板結構，左右兩側有主體結構（詞條“主體結構”由行業大百科提供）混凝土框架梁。

圖2

　　空中花園的建筑外立面要求與標準樓層外觀一致，包括玻璃種類、幕墻分格、細部外觀等均不可出現變化。室內部分由于共享空間的進出尺寸十分有限，建筑要求幕墻應盡量弱化自身支承體系的視覺尺寸，且不可有構件（詞條“構件”由行業大百科提供）與15F、16F、17F的邊部結構進行連接，從而使空中花園在視覺上盡可能通透。

　　同時，由于此大跨度幕墻的高度較高，且為內傾斜面，相比一般的豎直立面幕墻而言，設計中對抗風壓（詞條“風壓”由行業大百科提供）性能、防雨水滲漏性能、平面內變形性能、防松脫構造等方面，提出了更高的要求。

　　3.方案選型

　　空中花園的內傾玻璃幕墻，因其位于本項目的高層區域，且四周與其相接的幕墻均為單元式玻璃幕墻系統，在建筑外立面外觀一致的條件下，如在此處采用框架式玻璃幕墻系統，不但框架系統自身在內傾條件下的防雨水滲漏性能較弱，還需要在洞口四周增設與周邊單元式幕墻系統之間的交接構造，從而使此區域的雨水滲漏風險大大增加;同時，由于框架式玻璃幕墻是在現場完成幕墻零件的組裝和施工，增大了超高層建筑幕墻的施工難度和安全風險，并且在此區域容易導致其它大面積單元幕墻整體施工進度的瓶頸。綜合權衡之下，我們選擇了與周邊幕墻一致的單元式玻璃幕墻系統作為空中花園外立面幕墻形式的首選。

　　在確立外立面幕墻系統形式之后，設計的重點就是如何對幕墻的支承體系進行選型，由于支承體系不能與中間樓層結構進行連接，只能選擇使用大跨度的結構形式進行支承，可有如下三種選型方向：

　　1. 選型方向一：鋼立柱+次鋼梁體系

　　以鋼立柱為主受力構件，考慮到玻璃幕墻水平分格尺寸較小(1500mm)，鋼立柱按每3個分格(4500mm)設置，每層設置橫向鋼梁，玻璃幕墻單元板塊安裝于鋼梁之上。

　　2. 選型方向二：鋼桁架（詞條“鋼桁架”由行業大百科提供）+次鋼梁體系：

　　以豎向鋼桁架為主受力構件，鋼桁架按每3個分格(4500mm)設置，每層設置橫向鋼梁，玻璃幕墻單元板塊安裝于鋼梁之上。

　　3. 選型方向三：鋼梁+吊索體系：

　　以橫向鋼梁為主受力構件，玻璃幕墻單元板塊安裝于鋼梁之上，并按每3個分格(4500mm)設置豎向承重吊索，以解決鋼梁穩定性及豎向荷載下的撓度問題。

圖3

　　上述三種支承方案選型，各有優劣，對比如下：

　　綜上比選，采用橫向構件作為幕墻支承體系是優選方向，但由于鋼橫梁的尺寸偏大，影響室內觀感，我們將如何減小鋼橫梁的尺寸，同時又不影響室內建筑效果，作為設計優化的重點，同時，考慮到洞口上下邊部結構承載能力較弱，我們最終選擇了在鋼橫梁后側增設水平的魚腹形預應力拉索系統，作為幕墻的主受力支承構件，同時減小鋼橫梁截面尺寸，以滿足建筑效果的要求。

圖4

　　4.結構設計

　　作為在超高層建筑（詞條“超高層建筑”由行業大百科提供）中對單元幕墻板塊提供支承的大跨度、大撓度預應力體系，除了需要考慮常規預應力拉索體系的張拉控制、穩定性、溫度變形（詞條“變形”由行業大百科提供）、應力蠕變等各方面的因素之外，同時還需要考慮幕墻平面內變形性能要求，以及大撓度預應力體系對單元板塊之間對插構造的影響所引發的安全隱患。

　　4.1幕墻結構形式

　　由于鋁合金型材材料長度規格限制，結合建筑層高，幕墻單元板塊高度只能按層高4.2m設計，單元板塊由工廠制作完成，通過連接件固定安裝在鋼橫梁上。

　　鋼橫梁采用120×120×8方鋼管制作，分別安裝于15F、16F、17F，鋼橫梁在對應幕墻分格的位置設置承重拉桿，間隔1500mm布置，此鋼橫梁-承重拉桿共同形成一個緊貼于幕墻面之后并與之平行的內傾斜面。

　　每道鋼橫梁的后部，均設置一道水平的魚腹形預應力抗風拉索(下簡稱魚腹拉索)進行支承，魚腹拉索跨度16.756m，弦高1.12m。由于幕墻立面為內傾斜面，魚腹拉索亦設計為與幕墻立面垂直的方向上，采用Φ60×8撐桿與鋼橫梁連接。

　　魚腹拉索的后弦的撐桿節點上，間隔4500mm左右設置了3道豎向穩定索。

圖5

　　4.2魚腹形預應力拉索體系設計

　　水平的魚腹形預應力拉索體系，是一套大撓度體系，作為空中花園大跨度單元玻璃幕墻的主受力支承系統，幕墻的所有荷載，均由此體系承擔。幕墻的荷載主要包括豎直重力荷載、垂直于幕墻表面的風荷載、水平地震荷載，以及溫度應力（詞條“溫度應力”由行業大百科提供）。由于幕墻立面為內傾斜面，豎直重力荷載和水平地震荷載均需按幕墻表面垂直方向和平行方向進行分解后進行計算。

　　首先，設計將考慮除溫度應力之外的荷載作用：

　　1. 魚腹拉索：主要承擔垂直于幕墻表面的荷載，包括自重荷載垂直于幕墻面的分量、風荷載、地震荷載垂直于幕墻面的分量;

　　2. 承重拉桿：主要承擔平行于幕墻表面向下的荷載，包括自重荷載平行于幕墻面的分量、地震荷載平行于幕墻面的分量;

　　3. 穩定索：主要為精準地固定魚腹拉索的空中位置，保持其在受力狀態下的空中姿態，同時保證魚腹拉索的穩定性。

　　其次，作為對外圍護結構（詞條“圍護結構”由行業大百科提供）提供支承的預應力拉索體系，除需滿足強度、撓度指標、穩定性設計要求之外，還應考慮溫度應力的影響。在最不利工況下，即最不利溫度條件下的極限受力狀態中，所有拉索、拉桿均不應出現松弛。按照上海地區氣候條件和大樓的實際使用情況，室內溫差按40℃計，最不利工況下的拉索、拉桿的殘余拉力設定為不低于2.0-5.0KN。

　　最后，設計還應考慮在長期使用條件下，預應力體系的應力蠕變所帶來的預應力損失量，此部分按初始預應力的10%取值，并加入到初始應力中。

　　經過多次權衡協調分析，并考慮盡量降低預應力體系的初始預應力，以利于降低對主體結構的支座反力，魚腹拉索的設計采用了較大的弦高來控制預應力，通過有限元軟件(非線性)進行驗算，得到應力云圖與撓度云圖如下，可以看出，魚腹拉索的強度儲備較大，但撓度已達69.13mm(撓度許可值83.78mm)，該預應力體系屬于撓度控制。

　　至此，我們選定了魚腹拉索的規格為Φ30mm不銹鋼索，承重拉桿的規格為Φ16mm不銹鋼桿，穩定索的規格為Φ16mm不銹鋼索;魚腹拉索的預應力值設定為173KN。

　　4.3鋼橫梁設計

　　空中花園的魚腹形預應力拉索體系，是一套非線性的大撓度系統，而單元式玻璃幕墻系統板塊之間的對插構造，也使單元板塊在幕墻平面內有著一定范圍內自由伸縮活動的能力，這兩種系統疊加在一起時，一方面可以更好的適應主體結構的各種變形需求，形成一套柔性體系，但另一方面，卻可能帶來額外的安全隱患。

　　鋼橫梁的設置，主要目的便是為了消除這種安全隱患，同時方便單元板塊的安裝。

　　通過鋼橫梁，我們將同一樓層的單元板塊利用專用連接件安裝在同一個鋼橫梁上，并用螺栓（詞條“螺栓”由行業大百科提供）進行鎖定。這樣做的好處，是可以防止板塊脫落，另外，對每塊單元板塊的左掛件進行左右限位，防止了同層單元板塊之間的左右自由竄動，從而避免了同層相鄰單元板塊之間的對插構造因板塊的自由竄動而導致脫出，同時，仍可利用此對插構造釋放溫度變形。

圖7

　　鋼橫梁上對應每個幕墻分格，設置了承重拉桿，一方面可以直接將單元板塊的豎向荷載通過承重拉桿直接傳遞至主體結構，另一方面承重拉桿也在豎直方向上對鋼橫梁形成了約束，可防止鋼梁出現豎向變形過大，從而導致上下樓層單元板塊之間的對插構造脫出，進而引發安全事故。承重拉桿的設置，并不會影響上下樓層單元板塊之間的橫向自由滑動能力，可滿足建筑幕墻的平面內變形性能要求。

　　5.結束語

　　超高層建筑在局部部位設計共享空間的項目日益增多，超高層幕墻多采用單元式幕墻系統，而共享空間又需要大跨度、通透性好的幕墻體系。上海東亞銀行金融大廈的空中花園所使用的大跨度“預應力拉索+小鋼梁”的結構支承體系，在滿足各種結構荷載和變形需求的前提下，形成了一套較為完善的“柔性”體系，可滿足建筑效果和幕墻各項性能要求，同時也規避了的安全隱患，對今后類似的工程項目有著重要的借鑒意義。

　　[參考資料]

　　1.中華人民共和國國家標準-建筑幕墻GB/T 21086-2007。北京：中國標準出版社，2008.2

　　2.中華人民共和國行業標準-玻璃幕墻工程技術規范JGJ-2003。北京：中國建筑工業出版社，2003.12

　　3.中華人民共和國國家標準-建筑結構荷載規范(2006年版)幕墻GB 50009-2001。北京：中國建筑工業出版社，2006.11