1 前 言
大跨空間的幕墻結構多見于大型博覽建筑、交通、文化、體育類建筑等，也常見于一些高層建筑的入口門廳或通高中庭。幕墻大跨空間的結構體系多以鋼結構為主，且常常直接暴露于人視覺范圍，因此在滿足結構安全的前提下，結構體系亦需滿足建筑的美感。在此類建筑設計中，幕墻設計扮演著非常重要的角色。幕墻結構選型、構造設計更是重中之重!對整個建筑表皮的效果起著關鍵性的控制作用。本文以典型的大跨空間幕墻——“中國西部國際博覽城”交通大廳18 58米玻璃幕墻系統設計為例，對此類大跨空間玻璃幕墻設計的結構選型、計算方法、設計要點、幕墻構造進行闡述，分析如何在保證結構安全的前提下，實現大跨空間玻璃幕墻的通透性。
2 工程概況
中國西部國際博覽城位于成都市天府新區核心區，總建筑面積約57萬平米，其中幕墻面積約19萬平米，是目前我國中西部地區最大的博覽建筑。交通大廳靠主廣場一側的大跨空間玻璃幕墻系統為本項目幕墻設計重難點之一，空間豎向跨度最大58米，橫向主體結構柱距約18米，建筑效果要求盡量通透，為建筑內外空間的“對話”創造有利條件(圖1，2)。
圖1交通大廳大跨空間玻璃幕墻整體外視效果圖
圖2 交通大廳大跨空間玻璃幕墻豎剖效果圖
3 幕墻系統解析
3.1幕墻支撐鋼結構設計
幕墻結構利用主體結構“梅花柱”的側向剛度，選擇“水平鋼桁架+豎向吊桿”體系。鋼桁架水平跨度約18米，豎向間距6米;幕墻水平荷載由水平鋼桁架承擔并傳遞給兩側的主體結構柱(梅花柱)，幕墻體系不設置豎向抗風柱;幕墻自重由前端吊桿承擔，后端設置平衡吊桿(圖3～7)。
圖3 交通大廳大跨空間玻璃幕墻支撐結構叁維示意圖1
圖4 交通大廳大跨空間玻璃幕墻支撐結構叁維示意圖2
圖5玻璃幕墻支撐結構豎剖節點圖
圖6玻璃幕墻支撐結構橫剖節點圖
圖7玻璃幕墻支撐結構與土建柱連接橫剖節點圖
本項目幕墻支撐鋼結構設計有以下四個技術難點：
(1)由于主體屋頂鋼網架在此部位懸挑較大，鋼網架在屋面荷載作用下會產生上、下擺動位移，給豎向拉桿造成不利影響(甚至被拉斷)，常規幕墻構造無法適應屋面的震顫效應。因此需要在屋面網架與豎向拉桿的連接處設置彈簧(圖8)，以緩沖和補償豎向拉桿的內力，保證幕墻結構體系的安全。
(2)彈簧固定于屋面網架內。由于屋面網架為弱邊界，受載后會產生一定的豎向位移，因此彈簧的根端應再次設置彈簧支座模擬屋面網架的剛度。2組彈簧串聯進行兩次迭代，給計算分析工作帶來不小的挑戰。
(3)水平桁架側向剛度較弱，前后端拉桿應根據計算需要，設置一定的預張力，以保證結構體系的穩定。拉桿預張力和彈簧剛度應進行反復試算，保證在各種工況下，拉桿不應受壓失穩。
(4)由于預應力拉桿的邊界相對較弱，在施工過程中有預應力損失，因此應進行施工過程模擬分析。
圖8玻璃幕墻支撐結構頂部彈簧構造節點圖
3.2幕墻構造節點設計
玻璃面板采用超白中空鋼化夾膠叁銀LOW-E玻璃，面板分格1.8(寬) 3米(高)，板塊采用豎向T形鋁合金立柱（詞條“立柱”由行業大百科提供）、無橫梁的固定方式;水平荷載由豎向T形鋁合金立柱承擔，玻璃面板的自重荷載由設置在T形立柱位置的高強度鋁合金托板承擔。玻璃面板橫向無龍骨，為避免全隱框構造僅依靠硅酮結構膠（詞條“硅酮結構膠”由行業大百科提供）受力問題，本項目在玻璃“十字縫”位置設置85 85mm的不銹鋼夾板作為二次安全富余度考慮，充分保證了幕墻體系的安全性及通透性(圖9～11)。
圖9玻璃幕墻典型大樣圖
圖10玻璃幕墻標準橫剖節點圖
圖11玻璃幕墻標準豎剖節點圖
4 幕墻荷載計算及組合
幕墻主要考慮以下荷載工況及組合：
4.1 恒載
恒荷載包括幕墻結構體系及玻璃及其附屬構件等的自重，玻璃采用10+12A+(8+1.52PVB+8mm)中空夾膠鋼化玻璃。由于玻璃自重構成的面荷載標準值約為0.67kN/m2，考慮到其它附屬構件，取玻璃幕墻自重面荷載標準值取0.847kN/m2(鋼結構自重由軟件自動加載)。
4.2 風荷載
風荷載標準值Wk= 該結構所處地區地面粗糙度類別為B類，基本風壓W0=0.3kN/m2，陣風系數、風荷載局部體型系數、風壓高度變化系數按照《建筑結構荷載規范（詞條“建筑結構荷載規范”由行業大百科提供）》(GB50009-2012)取值。
4.3 溫度作用
溫度作用分別按照升溫30℃、降溫30℃考慮(注：拉索（詞條“拉索”由行業大百科提供）張拉時環境溫度按15度考慮)。
4.4 地震作用
所處地區抗震設防烈度7度，設計基本加速度取0.10g，設計地震分組為第叁組。依據《建筑抗震設計規范》(GB50011-2010)計算，考慮水平地震荷載（詞條“地震荷載”由行業大百科提供）作用，水平地震為非控制可變荷載。
4.5 荷載組合
a 承載能力極限狀態
工況1：1.2×預+1.35×恒+1.4×0.6×風(+)+1.4×0.6×溫(-)+1.3×0.5×地震(+);
工況2：1.2×預+1.35×恒+1.4×0.6×風(-)+1.4×0.6×溫(-)+1.3×0.5×地震(-);
工況3：1.2×預+1.2×恒+1.4×風(+)+1.4×0.6×溫(-)+1.3×0.5×地震(+);
工況4：1.2×預+1.2×恒+1.4×風(-)+1.4×0.6×溫(-)+1.3×0.5×地震(-);
工況5：1.2×預+1.2×恒+1.4×溫(-)+1.4×0.6×風(+)+1.3×0.5×地震(+);
工況6：1.2×預+1.2×恒+1.4×溫(-)+1.4×0.6×風(-)+1.3×0.5×地震(-);
工況7：1.2 預+1.2 恒+1.4 風(+)+1.4* 0.6 溫(+)+1.3* 0.5 地震(+);
工況8：1.2 預+1.2 恒+1.4 風(-)+1.4* 0.6 溫(+)+1.3* 0.5 地震(-);
工況9：1.2 預+1.2 恒+1.4 溫(+)+1.4* 0.6 風(+)+1.3* 0.5 地震(+);
工況10：1.2 預+1.2 恒+1.4 溫(+)+1.4* 0.6 風(-)+1.3* 0.5 地震(-)
b正常使用極限狀態
位移工況1：1.0×預+1.0×恒;
位移工況2：1.0×預+1.0×恒+1.0×風(+)+0.6×溫(+)+0.5×地震(+);
位移工況3：1.0×預+1.0×恒+1.0×風(-)+0.6×溫(+)+0.5×地震(-);
位移工況4：1.0×預+1.0×恒+1.0×溫(+)+0.6×風(+)+0.5×地震(+);
位移工況5：1.0×預+1.0×恒+1.0×溫(+)+0.6×風(-)+0.5×地震(-);
(注：預指預應力，恒為恒載，風(+)指正風壓所產生的風荷載作用，溫(-)指降溫對結構的作用，其余類推)。
此外，在預應力作用下，分別建立了恒載、正風壓、負風壓、升溫及降溫等獨立的荷載工況(均為荷載標準值);并分別考慮了承載能力極限狀態下各種荷載組合的包絡組合，以及正常使用極限狀態下各種荷載組合的包絡組合。任何工況組合下，均不得使預應力拉桿的內力為零或者受壓而煺出工作，進而使水平鋼桁架失穩。另外，豎向拉桿的頂端支座應充分考慮對屋頂鋼結構變形位移的模擬。
5 結構計算分析
5.1 結構承載力驗算
經計算分析，鋼結構應力計算結果詳見圖12,13。
圖12水平鋼桁架應力云圖
圖13水平鋼桁架承載力計算結果匯總
不銹鋼吊桿最小軸力計算結果詳見圖14～17。
圖14Φ36承重吊桿(高區)最小軸力圖
圖15Φ30承重吊桿(低區)最小軸力圖
圖16Φ27平衡吊桿最小軸力圖
圖17吊桿最小軸力值匯總
不銹鋼吊桿最大軸力計算結果詳見圖18～21。
圖18Φ36承重吊桿(高區)最大軸力圖
圖19Φ30承重吊桿(低區)最大軸力圖
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圖20Φ27平衡吊桿最大軸力圖
圖21吊桿最大軸力值匯總
不銹鋼吊桿施工模擬分析，計算結果詳見圖22～25。
圖22Φ36承重吊桿張拉完成后的軸力圖
圖23Φ30承重吊桿張拉完成后的軸力圖
圖24Φ27平衡吊桿張拉完成后的軸力圖
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圖25吊桿張拉完成后軸力值匯總
5.2 結構剛度驗算
經計算分析，鋼結構位移計算結果詳見圖26,27。
圖26鋼結構位移圖
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圖27 鋼結構位移結果匯總
6 項目竣工實景展示
圖28 玻璃幕墻實景1
圖29 玻璃幕墻實景2
圖30 玻璃幕墻實景3
圖31 玻璃幕墻實景4
圖32 玻璃幕墻實景5
圖33 玻璃幕墻實景6
圖34 玻璃幕墻實景7
7 結語
中國西部國際博覽城大跨空間玻璃幕墻工程，充分實現了大跨空間幕墻的通透性，項目于2016年7月投入使用，達到了預期的建筑效果。對于此類幕墻工程的鋼結構設計、幕墻構造設計均應立足項目本身，綜合考慮建筑效果、主體結構條件、工程造價、社會影響力等因素，確定幕墻結構形式和構造。同時，幕墻設計工作盡早介入，加強和建筑、結構等專業的協作。幕墻表皮是實現“建筑之美”的關鍵要素，各設計專業應團隊協作、合理分析，堅持大膽創新與扎實工作相結合的工作態度，是實現精品幕墻工程設計的關鍵。本工程大跨空間玻璃幕墻的成功實現，正是這種設計方法與工作態度的體現。
[參考文獻]
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