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提要：本文從實際工程入手，對一種新型的預應力索結構作為玻璃幕墻支承結構的設計、構造技術進行了討論。對索結構點式玻璃幕墻的承載能力進行分析，特別是對于索結構點支式玻璃建筑造型的預應力形成及部分重要節點處理方案和設計方法、施工要點作了較為詳細的分析。揭示了利用水平布設的反向預應力支承索桁架結構與單向單索結構組合形成自由雙曲面玻璃幕墻的關鍵技術要點和自由曲面玻璃面板的冷彎安裝技術。
關鍵詞： 北京長安中心、自由曲面玻璃幕墻、空間索結構、冷彎玻璃安裝、預應力索桁架結構。
1、引言
預應力索結構點支承玻璃幕墻的設計與施工技術，在近年來獲得飛速的發展，在建筑造型和建筑外圍護結構上得到了廣泛的應用。無所不能的工程師們充分發揮鋼材抗拉性能好的特性，利用包括高強碳鋼、不銹鋼等鋼絲編織而成的鋼索、鋼絞線，布置出預應力空間張拉結構體系。人們根據不同的需要，在不同空間形態下表現出迥異的結構特點。近年來我國的空間索結構技術發展和應用已進入了快車道。新型的柔性結構支承體系在實際工程上的應用越來越多，新的索結構布設形式也不多出現。在近期的空間結構技術交流會上，北工大的薛素鐸團隊又公布了一種可以抗連續倒塌的新型無內環索結構體系，進一步豐富了索結構家族。
本文所要介紹的是我在2005年完成的一項預應力索結構支承自由曲面玻璃幕墻的探索。是利用水平布設的反向預應力支承索桁架結構與單向單索結構組合形成自由曲面玻璃幕墻。
這項預應力索結構玻璃幕墻技術，已經在實際工程中經歷十七年的春、夏、秋、冬和風雨、氣候的考驗。我在近日看過現場，支承結構和玻璃面板以及連接系統都表現很好，至今效果如初。所以我感到，有必要將這項技術再次介紹給同行們。以便設計師們了解這種新的，已經經歷過多年實際考驗的、適用于自由曲面玻璃幕墻的支承結構結構形式。
在實際工程中，空間曲面玻璃面板的支承結構系統，除異型鋼結構外也可以通過索、桿的空間合理布設，將鋼索布置出個性鮮明的造型，形成合理的受力體系。通過點支式玻璃連接系統來支承雙曲面玻璃面板，形成建筑造型中理想的自由曲面。
在工業產品的幾何形狀中，大致可分為兩大類：一類是由初等解析曲面，如平面、圓柱面、圓錐面、球面、圓環面等組成，可以用初等解析函數完全清楚地表達全部形狀。另一類由自由曲面組成，如汽車車身、飛機機翼和輪船船體等的曲線和曲面，是不能用初等解析函數完全清楚地表達其全部形狀。 在現代建筑造型中已經較多的利用建筑幕墻這個理想的載體去展現自由曲面的建筑藝術魅力。所以，研究自由曲面玻璃幕墻的支承系統對于幕墻工程師來說就顯得極為重要。
1.1 雙曲面玻璃建筑造型概況
北京長安中心位于北京市西城區南鬧市口大街，建筑面積為 ，地下三層，地上十四層，檐高 ，結構類型為鋼筋混泥土筏板基礎，框架剪力墻結構。 雙曲面玻璃建筑造型立面是不規則雙曲面玻璃與兩側直立面幕墻以及頂部玻璃采光頂組合而成。(如圖1.a、b)
該項目是于2005年1月開始進場施工的，從結構安裝到玻璃安裝經過了五個多月的安裝過程，完成了全部安裝內容。在此過程中，我們對支承體系中的水平索桁架進行了1：1的荷載試驗，對曲面上的單向單索幕墻部分進行了抗風壓、氣密、水密、平面內變形（詞條“變形”由行業大百科提供）等物理性能進行了專項論證，確保其安全性能。該項目經過2005年至今整十七年的使用，性能和狀態良好，在此期間該項目經過了春夏秋冬、風雨、冷熱等大自然的考驗，仍然保持著很好的工作狀態。
1.2 雙曲面索結構玻璃幕墻結構構造特點
北立面入口兩側各采用一榀36.18m高的空間彎曲三角鋼管桁架立柱，在立柱上部架設一榀24m跨度的空間弧形三角鋼管桁架橫梁（詞條“橫梁”由行業大百科提供）;從地面往上7.9m布置第一道魚尾式水平拉索桁架，然后依次每隔6.9m布置三道魚尾式水平拉索桁架，拉索材質為高強鋁包鋼絞線;豎向從上至下每隔適當距離布置單根不銹鋼拉索。中間貫穿水平拉索桁架;采光頂靠近土建結構處同樣布置有一道空間三角鋼管桁架橫梁以整個幕墻結構自成體系，從而將幕墻結構產生的附加內力消耗在結構自身內部，只將水平風荷載以及豎向自重、地震荷載等傳遞給主體結構。 可以看出，本方案結構布置合理，傳力路徑清晰;所用桿件較少，大多為鋼索，安全度高、通透性好，索系造型優美，視覺效果好，體現了該工程的新穎性和獨創性。(如圖1.2a、b)
2、索結構的設計思路
建筑物北立面主入口采用結構形式新穎的大面積大跨度的柔索玻璃幕墻。結構由橫向水平布設的反力索桁架與豎向單索以及輕型鋼結構組合形成的，能承受幕墻荷載的雙曲面索結構。結構標高為36.430，共十一層，在三、五、七、九層布置水平索桁架(如圖2-a、b)，其水平跨度為24m。豎向為單向單索支承最大垂直跨度為8m ，幕墻結構的受力特征為豎向單索首先承受水平風荷載，再傳遞給橫向水平鋼索桁架，由橫向水平鋼索桁架交給鋼結構，最后傳遞到地面或者建筑主體結構
對于水平索桁架：三層選用兩根同時受力的φ30高強鋁包鋼絞線，五層選用兩根同時受力的φ32高強鋁包鋼絞線，七層選用兩根同時受力的φ34高強鋁包鋼絞線，九層選用兩根同時受力的φ34鋁包鋼絞線;豎索選用φ22不銹鋼鋼絞線。
2.1、幕墻結構的受力特征及力的傳遞途徑：
水平荷載作用在玻璃上，通過連接件傳遞給豎向單索，豎向單索對將水平力傳遞給水平魚尾式索桁架上，水平索桁架又通過斜向撐桿和邊部節點將水平力傳遞給建主體結構。(如圖2.1)
由于主體結構的每一層樓板只能承擔水平力，不能承擔豎向荷載，所以我們在頂部鋼桁架與主體結構連接處設置了鉸接機構，又在每一層樓板與鋼結構連接處設置了可豎向滑動機構，使幕墻的豎向力傳遞到地面。
重力荷載：幕墻自重→索網夾具（詞條“夾具”由行業大百科提供）→鋼索拉力→ 建筑主體結構→建筑基礎→地面
風荷載：風荷載→玻璃面板→索網夾具→幕墻豎向索→水平索桁架→水平斜向撐桿→建筑主體結構→建筑基礎
地震荷：地震荷載→玻璃面板→索網夾具→幕墻索網→建筑主體結構→建筑基礎→地面
鋼索預拉力和溫度、施工活荷載： 鋼索預拉力→幕墻鋼桁架→建筑主體結構→建筑基礎→地面
2.2、結構計算
由于本工程的結構新穎獨特性，受力、傳力較為復雜，我們對支承結構做了整體計算，并對受力和傳力的各項節點都進行了計算分析，特別是對連接節點處，大到鋼桁架的腳座支點，小到耳板、鋼
軸銷都全面進行了受力分析和詳細的計算，特別是對索桁架和鋼桁支承系統采用有限元計算程序Ansys進行整體建模計算的同時又對關鍵節點處建實體模型，進行受力計算分析，確保本工程的安全性。(如圖2.2-a、b)
2.3、節點設計
由于本項工程的外形是采用不規則的雙曲面體，支承結構又是不對稱的魚尾式索桁架和豎向單索結構，再加上主體結構只能承擔水平荷載不能承受豎向力，這就要求每個節點夠造都要適應結構性能的要求，下面介紹幾個特殊節點的設計：
2.3.1、索桁架斜向水平撐桿的設計：按著夠造的要求，每榀水平索桁架都有兩根斜向水平撐桿作為主要承壓桿件，將幕墻的大部分水平荷載傳遞給主體結構，但由于撐桿的軸心線與索桁架的受力索及聯系桿的軸心線在一個平面上，必然有相交的問題，我們采取了在撐桿與索桿相交處開孔和局部加強的辦法解決了這一夠造上的難題。(如圖2.3.1-a、b)
2.3.2、在處理豎向三角桁架的底部節點時，充分的考慮到結構的夠造要求和美觀性在角柱上采用了有造形的鑄鋼件。(如圖2.3.2-a、b)
2.3.3、豎向索的頂部節點比較復雜，由于受力變形的要求鋼索與鋼桁架的連接節點必須能夠在鋼索受水平荷載變位時自由轉動，同時又要能吸收索材料的軸向長度誤差和安裝誤差。我們在此處安裝了球形腳支座和誤差調節器。
2.3.4、由于水平索桁架的鋼索內力極大，在設計時采用了雙索同時受力的方案。為了解決雙拉索與桿的在工作狀態時能牢固連接又能相對位移，設計了特殊節點(如圖2.3.4-a、b、c、d)。
3、主要材料選用
3.1、幕墻玻璃的選用：
玻璃種類采用10(FT)+1.52PVB+8(FT)鋼化夾膠玻璃（詞條“鋼化夾膠玻璃”由行業大百科提供），鋼化玻璃均進行二次熱處理(均質處)。由于本工程的外立面是由多片平板玻璃（詞條“平板玻璃”由行業大百科提供）拼成的一個不規則的雙曲面體形，所以每片玻璃的外形尺寸都不一致，玻璃分割的基本尺寸為1710mm×1725mm，我們在下料過程中采用了CAD三維圖輔助和現場放樣相結合的辦法確保每片玻璃的尺寸精度。由于整體立面是雙曲形的，用平板玻璃進行折線曲面擬合安裝時玻璃必然會有一個角翹起，為了不讓翹起部分影響視覺效果，在玻璃分片時盡可能的采用外形尺寸的變化來保證翹起度的一致。
在這項工程的設計和施工中，我們探索了對雙曲面玻璃幕墻的曲面面板，采用冷彎變形的安裝方案。由于玻璃的冷彎變形安裝會使玻璃面板產生一個較大的安裝應力(最大的四點不共面翹起量為38mm)。所以我們在面板玻璃的設計時就已充分考慮到，因安裝應力給玻璃強度帶來的影響。確定了，在板塊曲面擬合時用，變形量來控制玻璃表面應力的辦法。嚴格將玻璃的彎曲應力與在工作狀態時最大外部荷載所產生的應力疊加后，控制在玻璃的設計的許用強度范圍內。在使用中對這部分玻璃面板進行重點觀察和監控。為了確保安全，在這部分玻璃的下方設置了水池，防止人員進入。經過十七年的觀察玻璃全部完好無損，印證了這種設計與安裝方案是安全的。所以這種冷彎玻璃的設計安裝方案直到今天才敢給同仁們介紹。(如圖3.1、2)
3.2、結構鋼材：
由于索結構的支座反力是由邊部的鋼結構承擔的，考慮到結構的安全性和經濟性在選材時，大部分鋼結構材料的材質為Q235-B，對于主要受力柱和頂部的曲線三角桁架采用了材質為20號鋼的厚壁無縫鋼管，特別在受力最大的曲線鋼管立柱的上半部分采用了壁厚為20mm的無縫鋼管，同時又對主要受力點進行了局部加強。
由于邊部鋼結構支撐桁架是由直徑不同的圓形鋼管拼接成形的，大部分節點為焊接剛性節點，為保證曲形鋼架在成形后安全可靠尺寸精準，對每一個相貫線切口都采用了五軸相貫線切割機自動切割成形保證了相貫對口的準確性和焊口坡度。
3.3、鋼索的選用：
豎向鋼索采用直徑為22.5mm的不銹鋼絞線，不銹鋼鋼絲材質采用304奧氏體不銹鋼。類型為1x61，每根鋼絲的直徑為2.5mm。不銹鋼拉索的性能參數要求如下：
彈性模量（詞條“彈性模量”由行業大百科提供）：E=(1.3+0.1)X105 MPa
屈服強度：fy=1450 MPa
橫向水平拉索采用高強鋁包鋼絞線。鋼索直徑24—36mm.類型為1x61,每根鋼絲的直徑3.78mm，外包鋁的厚度不小于鋼索直徑的10%。鋁包鋼絞線的性能參數要求如下：
彈性（詞條“彈性”由行業大百科提供）模量：E=(1.5±0.1) X105 MPa
屈服強度：fy=1670 Mpa ; 線膨脹系數：α=1.3X10-5
4、水平索桁架的荷載試驗
當確定了水平索桁架的基本和體型后，在結構整體計算結果的基礎上，為能確保其使用時的安全性，我們采用了1:1的實體水平索桁架作靜力荷載試驗，將試驗結果與計算結果進行對比、分析，最終確定水平索桁架的穩定性和可行性。(如圖4.a、b)
結語
點支式玻璃連接技術因安全可靠的連接構造，廣泛應用于大跨度建筑（詞條“大跨度建筑”由行業大百科提供）空間。其支承體系可靈活布置，并朝著大尺度、輕型化的方向發展。已從剛架、桁架、網架、玻璃肋等剛性支承體系，發展到目前大量使用的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、通透的共性發揮到極致，使建筑內外空間自然和諧的融為一體。
本文通過以上幾個部分的介紹將這項特殊工程從設計到施工過程中碰到的問題和解決方案作了初步的介紹。由于篇幅的關系在文章中沒有對水平索桁架的靜力加載試驗作過多的介紹。該項目經過2005年至今整十七年使用，性能和狀態良好，在此期間該項目經過了春、夏、秋、冬、風雨、冷、熱等大自然的考驗，仍然保持著很好的工作狀態。索結構玻璃幕墻因特性越來越受到建筑師的青睞，但在設計和施工中每項工程都有它的個體性，必須在安全度上嚴格把關，確保這一新型的幕墻能健康發展。
參考文獻
[1] 《索結構技術規程》JGJ 257-2012，行業標準，2012.8
[2] 王德勤（詞條“王德勤”由行業大百科提供），索結構玻璃幕墻用索桁架的構造與設計，《建筑技術》,北京 2003
[3] 王德勤，曲面索結構玻璃幕墻承載性能探討，《幕墻設計》，北京2010
[4] 王德勤，索結構點駁接玻璃用鋼索結構形式及材料選用探討，《鋁門窗（詞條“門窗”由行業大百科提供）&幕墻》， 2005
[5] 王德勤，單索結構玻璃幕墻的安全保障系統解析，《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
