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提要：本文以貴陽人民廣場玻璃金字塔和在兩個玻璃金字塔之間的玻璃梁(肋)支承全玻璃采光頂為例介紹一下玻璃金字塔和玻璃支承結構在設計與施工中的一些技巧和體會。 在文章中同時又以探求的方式揭示和介紹了古代金字塔中那些最神秘和有著超能力的原因所在。介紹了怎樣形成的最穩(wěn)定的角，也就是人們把它稱為“自然塌落現(xiàn)象的極限角和穩(wěn)定角”在建筑外圍護上的實際應用過程和效果。并用實際例子進行了解析。
關鍵詞：玻璃金字塔，玻璃結構設計與應用，柔性空間索(桿)結構。
1、引言
隨著空間索結構設計與施工技術的發(fā)展，許多新思想、新技術、新材料和新工藝被開發(fā)出來，并成功應用到建筑外圍護的設計和建造上。從而使建筑幕墻、玻璃采光頂以及由建筑玻璃為載體的各種大型,有著強烈藝術感染力的造型體，在近年來獲得飛速的發(fā)展。這些技術給建筑設計師們提供了有著很高現(xiàn)代技術含量的藝術表現(xiàn)手段。在建筑藝術的塑造上得到了廣泛的應用。
作為不斷發(fā)展中的前沿建筑技術，索結構是一種較活躍的結構類型。工程師們充分發(fā)揮鋼材（詞條“鋼材”由行業(yè)大百科提供）抗拉性能好的特性，利用包括鋼棒、扁鋼、高強度冷拉鋼絲編織而成的鋼索等材料，布置出空間張拉結構體系。特別是具有較高抗腐蝕、裝飾性的不銹鋼材料解決了人們不同的需要，根據(jù)在不同空間形態(tài)下表現(xiàn)出各種迥異的結構藝術特點。
點支承玻璃連接技術，因安全可靠的連接構造早已廣泛應用于各類建筑之中。已從剛架、桁架、網(wǎng)架、玻璃肋等剛性支承體系，發(fā)展到基于預應力張拉技術的柔性支承體系。柔性結構體系與點支式玻璃結合使用，將二者輕盈、通透的共性發(fā)揮到極致。使建筑內(nèi)外空間自然和諧的融為一體。
實際工程中柔性空間索結構體系與點支式玻璃面板結合早已得到應用并取得了理想的效果。我們于二十世紀九十年代年就在國內(nèi)開始了探索性的應用。采用這種技術建造大型玻璃金字塔，取得了極大的成功。本文就以貴陽人民廣場玻璃金字塔為例介紹一下玻璃金字塔在設計與施工中的一些技巧和體會。
2、玻璃金字塔項目概況
在1999年三月，以“花開新世紀”為主題的貴州省貴陽市人民廣場北廣場改擴建工程動工。在同年10月1日廣場全部建成。人民廣場占地面積約4.6萬平方米，設置了直徑為20米的花壇鐘、音樂噴泉、兩個大型藍色透明玻璃金字塔，和金字塔之間的雙坡式玻璃結構支承的玻璃采光頂以及大彩色屏幕和升旗臺。(如圖1.1)
音樂噴泉設置在玻璃金字塔的周圍和兩個玻璃金字塔之間的雙坡玻璃采光頂兩側(cè)的水池內(nèi);在兩個玻璃金字塔和音樂噴泉的下面，是一個大型的地下商場。2004年沃爾瑪進駐貴陽后在這里開設了購物廣場。兩個玻璃金字塔作為進出購物廣場的通道口。
從1999年10月1日建成，一直到2011年12月，這十年間的貴陽人民廣場一直都是當?shù)厥忻駳g度節(jié)日和購物休閑的集中地。由于城市迅猛的發(fā)展到2011年底，貴陽人民廣場改為貴陽市筑城廣場。對原有的建筑進行了拆除改造。至此，這兩座31米高的玻璃金字塔連同她們之間的全玻璃結構采光頂光榮的完成了她們的使命。(如圖2.1.、2.2)
3、玻璃金字塔營造技術
金字塔的形象，千百年來被人們所熟知，引起無數(shù)人的驚嘆。古代世界七大奇跡中，其他六大跡都已毀損，惟有代表著古代文明燦爛成就的金字塔依然屹立在大地之上。
3.1 破解金字塔穩(wěn)定之謎
金字塔作為一種建筑形式，以它那神秘的信息和古樸的外形給我們留下了深刻的印象，特別是他歷經(jīng)5000年而不倒。無論遇到多大的自然力和無數(shù)風雨的侵蝕，至今還能展示出當年的風姿。這不得不讓人們產(chǎn)生一些聯(lián)想。為什么與她同一時期的建筑和城池都已灰飛煙滅了，只有金字塔巋然傲立。其中的奧秘是什么呢? 比如埃及的胡夫金字塔、墨西哥的庫庫爾坎金字塔、尼羅河下游散布周約80多座大小不一的金字塔，以及分布在世界各地的千年以上，各式金字塔是不是有一種神秘的力量在支撐著他們?(如圖3.1a、b)我對此進入了深思和探求。這是我在當年設計建造貴陽人民廣場玻璃金字塔時，在對金字塔的斜面玻璃和支承結構的各種角度的確定過程中一直在思考的事兒。
3.1.1在金字塔中有著超能力的神秘角度
我們來做一個實驗：把一定數(shù)量干燥的米、沙、碎石子或其它小顆粒形狀的物體,分別從上向下慢慢的傾倒, 不久就會形成三個圓錐體。盡管它們質(zhì)量不同，小顆粒的形狀各異，但傾倒后所形成的圓錐體形狀卻非常相似。不管倒出多少沙子，與水平地面所形成的圓錐體，地面與側(cè)線的角度也都是是51度50分零9秒。這種自然形成的角是最穩(wěn)定的角，人們把它稱為“自然塌落現(xiàn)象的極限角和穩(wěn)定角”。
3.1.2 在埃及的胡夫大金字塔內(nèi)極限角的應用
有研究證明：埃及的胡夫大金字塔正好是5l度50分9秒，這說明它就是按照這種“極限角和穩(wěn)定角”來建造的。 沙漠的風是暴歷的，由于金字塔獨特的造型把風的破壞力化解到最小程度。人們知道磁力線的偏向作用可以使地面建筑，甚至高山崩潰，而這座金字塔塔基正好處干磁力線中心，它隨著磁力線的運動而運動，隨著地球的運動而運動，因此它所承受的振幅極其微弱，地震對它的影響也就不大了。 近52度“角”、方錐體的“形”與磁力線同步運動的“位”是金字塔穩(wěn)定之謎。(如圖3.1.2a、b)
胡夫金字塔的數(shù)據(jù)：斜坡對地面51度50分09秒; 三角形本身底部角度：58度17分15秒。 只要按照這個角度，制作的模型無論底邊是多長都可以。 模型的底部一定是正方形的，不過你有四個三角形后，這個底部也可以不用實際制作，4個底角為58度17分15秒的等腰三角形圍起來一定是個標準金字塔的形狀。
在資料中了解到古人已經(jīng)做出了樣板，剩下的就是按照這些具有超能力和神秘力量的角度和比例用現(xiàn)代的高科技手段和材料建造我們的玻璃金字塔。
3.2 空間索桿結構支承玻璃金字塔在設計過程中要考慮的問題
隨著我國幕墻技術的發(fā)展，預應力索(桿)結構作為玻璃幕墻、采光頂、各種穹頂的支承系統(tǒng)早已在建筑上得到了廣泛的應用。在現(xiàn)在建筑中，魚腹式雙層索系玻璃幕墻、自平衡索桁架等玻璃幕墻、單層索網(wǎng)玻璃幕墻、單向單索結構玻璃幕墻等柔性支承體系的玻璃幕墻已不再鳳毛麟角。在今年9月份的空間結構技術交流會上，北工大的薛素鐸團隊又公布可以抗連續(xù)倒塌的新型無內(nèi)環(huán)索結構體系進一步豐富了柔性結構體系。對于建筑師和幕墻工程師來說，索結構支承體系的玻璃幕墻已經(jīng)成為常見的幕墻形式。同時在國家標準和工程技術規(guī)范中已對索結構幕墻有了嚴格、詳細的技術規(guī)定。對于幕墻企業(yè)來說對此類幕墻的設計與施工技術也已日趨成熟。不過，在二十年前用拉桿系統(tǒng)作為玻璃幕墻的支承結構還是最前沿的技術。
3.2.1 鋼桁架作為主體支撐結構
在玻璃金字塔的結構設計時，我們在每個玻璃金字塔的四個角部設置了大型鋼桁架。以此來作為金字塔上四個三角形玻璃平面內(nèi)，預應力空間拉桿結構的邊緣支點;同時在每榀鋼桁架的中間段又布置了兩個抗彎曲支點，用以保證金字塔主體結構在預應力拉桿系統(tǒng)側(cè)向作用力下的穩(wěn)定性。(如圖3.2.1a、3.2.1b)
在主體結構的設計中，考慮到環(huán)境、溫度、地震力以及預應力索桿結構的內(nèi)力變化、地下商場空間震動等工況對主體結構穩(wěn)定性的影響，我們將金字塔斜面四個三角形的底邊結構整體進行連接。并將底部的四個支點之一作為固接點，其它三個固定點作為可滑移支座。采用這種構造方法來確保這座大型玻璃金字塔在工作狀態(tài)下的安全可靠性。(如圖3.2.1c、d)
3.2.2 索(桿)桁架支承體系的布置
對于玻璃金字塔的結構體系布設，在當時是沒有參考資料的，只有一張來自法國盧浮宮的玻璃金字塔照片。只能看到外形，無法了解其內(nèi)部索結構的布設情況。
我們根據(jù)金字塔的體型，并分析了金字塔在的各種工作狀態(tài)時承受荷載的工況結合預應力索(桿)結構受力特點，布置了預應力索(桿)桁架支承體系。并按1/200確定了在承受風荷載時的最大變形量。(如圖3.2.2a、b)
3.2.3 預應力拉桿桁架點支承玻璃金字塔的節(jié)點（詞條“節(jié)點”由行業(yè)大百科提供）設計
在預應力拉桿桁架點支承玻璃金字塔的節(jié)點設計時，我們根據(jù)其受力的需要開發(fā)研制了不等長星型不銹鋼爪件。在菱形玻璃的鈍角邊支點處設計了長孔，在銳角邊設計了大圓孔。徹底解決了玻璃面板在自重、溫度荷載、風荷載等作用時適應變性能力的難題。在國內(nèi)首次使用在實際工程中。
每根不銹鋼拉桿的兩端連接處，采用了正反螺紋預緊方案。用索接頭與懸空桿件上的耳板進行連接。這個方案同時解決了拉桿各種不同方向的需要和對拉桿形成的桁架施加預應力的需要。(如圖3.2.3a、b)
3.2.4 玻璃金字塔菱形玻璃面板的設計
玻璃金字塔菱形玻璃面板的設計是按照埃及胡夫金字塔的神秘角度的數(shù)據(jù)：斜坡對地面51度50分09秒;本身底部角度：58度17分15秒。金字塔底部一是一個邊長為49.2米正方形的，四個等腰三角形的玻璃面，每個三角形底角均為58度17分15秒。
我們在玻璃金字塔的每個大面上按一定的模數(shù)分成六個正菱形區(qū)域，同時在這個面上的下方還有四個等腰三角形。 在每個菱形區(qū)域內(nèi)有36片菱形玻璃組成，每片菱形玻璃的對角線都為長3.1米、寬1.9米;在每片玻璃的角上設計了與不銹鋼駁接系統(tǒng)連接的安裝孔。玻璃采用了鋼化夾膠玻璃，并在夾膠膜中增加了一層0.38厚的天藍藍綠色膠片，使得整個玻璃金字塔呈現(xiàn)出藍綠色。(如圖3.2.4a、b)
在金字塔最頂部的玻璃設計時，增加了頂部的不銹鋼金屬造型板，使其與避雷接閃器連接確保金字塔的防雷性能。
3.3 空間索桿結構支承玻璃金字塔的施工技術
當年，在玻璃金字塔的施工過程中，我們也是沒有任何可借鑒的方案，特別是四根主支撐鋼結構的空中對接，在保證其可靠連接相互支撐的同時還要確保尺寸定位精度，一旦有大的偏差，將無法進行后續(xù)的施工。我們采用了大型汽車吊將四根主支撐鋼結構同時吊裝。在對安裝的部位進行了精密測量后做了臨時輔助支撐，利用輔助工裝設備將所有支撐鋼結構調(diào)整安裝到位;同時按設計要求，結合測量比例進行放線、描點，確定邊緣尺寸控制基準。對全部索(桿)桁架的邊緣支點做精確定位之后，進行耳板的焊接。受力耳板的焊接采用了一級焊縫。在完成全部結構的精度校核后，開始對索桁架進行試安裝，索(桿)桁架的安裝和調(diào)整是在四個面同時進行的。
由于工期很緊材料供應不上。特別是不銹鋼拉桿材料，要求精度高用量大，嚴重影響了進度。項目部就將車床銑床等加工設備進駐現(xiàn)場，就在施工現(xiàn)場進行加工制作。同時進行安裝，不分晝夜連續(xù)施工。這個場面一直都印在我的腦海中。
當拉桿內(nèi)力調(diào)整到位后，不銹鋼連接系統(tǒng)開始安裝，最后進行玻璃安裝。又由于施工現(xiàn)場所限，全部玻璃都采取了由人工進行二次轉(zhuǎn)運和安裝的方案;在金字塔的四周搭起了環(huán)形腳手架。從最上部逐步向下進行安裝，最后對四個轉(zhuǎn)角和底邊的三角玻璃做收口安裝。在1999年的十一國慶節(jié)的前兩天完成了全部玻璃金字塔的安裝。
3.4 玻璃梁(肋)支撐雙坡全玻璃采光頂?shù)脑O計施工
在貴陽人民廣場的兩個玻璃金字塔之間，音樂噴泉的水池內(nèi)，有兩個寬六米，長58米的雙坡全玻璃采光頂;她是廣場下面大型地下商場的玻璃采光頂。這個采光頂采用了玻璃肋支撐的結構形式，是國內(nèi)最早采用玻璃材料作為結構支撐構件的項目。(如圖3.4a、b)
玻璃材料作為采光頂主要支承構件，其關鍵技術在于玻璃與邊緣支撐結構、玻璃梁與頂面玻璃之間、兩側(cè)玻璃梁之間的連接方案。確保在玻璃采光頂?shù)陌惭b和工作狀態(tài)下不在連接點處產(chǎn)生起應力集中的現(xiàn)象，防止在受力過程中引起玻璃的擠壓破裂;
由于玻璃是標準的脆性材料，在受到各種荷載的作用下，如何對支撐點進行有效的保護，這是設計與施工過程中的關鍵所在。這座寬六米、長58米、拱高0.8米的雙坡全玻璃采光頂?shù)?a target='_blank' style='font-size:1em; border-bottom:1px dotted blue;'>連接件全部采用了不銹鋼連接系統(tǒng)。其與邊部墻體的連接固定也采用了不銹鋼基座。確保在使用過程中，不由于金屬的腐蝕而引起局部應力集中的現(xiàn)象。
我們在面玻璃安裝之前，先對全部玻璃梁(肋)做整體連接。并在現(xiàn)場對玻璃結構做了1：1的實體配重檢測試驗。在這個項目上也趟出了一條用玻璃作為支撐結構的經(jīng)驗。為采用玻璃材料做外圍護支撐結構的的研究打下了基礎。
4、 結束語
近年來，由于建筑技術的發(fā)展和建筑形式的多樣化，各種新技術、新工藝、新材料在建筑外圍護上得到廣泛的應用。特別是作為不斷發(fā)展中的前沿建筑結構技術，索結構是一種較活躍的結構類型。在今年的空間結構技術交流會上，又公布了一項可以抗連續(xù)倒塌的新型“無內(nèi)環(huán)索結構系統(tǒng)”進一步豐富了柔性結構體系。對于建筑師和幕墻工程師來說，索結構支承體系的外圍護結構（詞條“圍護結構”由行業(yè)大百科提供）已經(jīng)成為常見的形式。對于幕墻行業(yè)來說對此類幕墻的設計與施工技術也已日趨成熟。
以玻璃這種脆性材料作為支撐構件，是近年來才在建筑外圍護結構中有所應用。以蘋果店為代表的全玻璃建筑引起了建筑師和幕墻設計師的關注。據(jù)了解，有關科研單位已經(jīng)對玻璃結構在建筑中的應用做了大量的研究。《玻璃結構應用技術規(guī)程》也已經(jīng)基本成稿，這將對玻璃幕墻行業(yè)產(chǎn)生重大的影響。為幕墻設計師們提供了有力的武器。
本文中所介紹的內(nèi)容和設計方案都是我在當年方案設計和工程實踐中的一點經(jīng)驗總結，如果能給建筑外圍護體系設計的同仁們提供一些有益的啟發(fā)也就深感欣慰了。
參考文獻
[1] 《施工圖、設計說明書》，貴陽人民廣場玻璃金字塔項目，1999.3
[2] 《索結構技術規(guī)程》JGJ 257-2012，行業(yè)標準，2012.8
[3] 王德勤（詞條“王德勤”由行業(yè)大百科提供），點支式玻璃采光頂應用技術探討，《2010年全國鋁門窗幕墻行業(yè)論文集》,
[4] 王德勤，單索結構玻璃幕墻的安全保障系統(tǒng)解析，《幕墻設計》2018，第二期
作者單位：北京德宏幕墻工程技術科研中心
