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2019年5月16日，聞名世界的華裔建筑大師——貝聿銘，在美國逝世，享年102歲。最為著名的法國盧浮宮金字塔，就是出自貝老之手!
今天，中國幕墻網(wǎng)ALwindoor.com邀請(qǐng)到幕墻行業(yè)資深專家，也是本文作者王德勤先生，特別為大家解讀一座中國的“金字塔”造型建筑，并重點(diǎn)解析空間索桿結(jié)構(gòu)體系在玻璃工程中的應(yīng)用，以此向貝大師致敬……
提要：本文以空間索桿結(jié)構(gòu)體系在貴陽人民廣場玻璃金字塔為例，介紹了玻璃金字塔的預(yù)應(yīng)力索桿支承結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)與施工中的一些方法和體會(huì)。 在文章中同時(shí)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(hù)上的實(shí)際應(yīng)用過程和效果。并用實(shí)際例子進(jìn)行了解析。
關(guān)鍵詞：玻璃金字塔，點(diǎn)支承玻璃連接技術(shù)，柔性空間索(桿)結(jié)構(gòu)體系。
1、引言
隨著空間索結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工技術(shù)的發(fā)展，許多新思想、新技術(shù)、新材料和新工藝被開發(fā)出來，并成功應(yīng)用到建筑外圍護(hù)的設(shè)計(jì)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(qiáng)烈藝術(shù)感染力的造型體，在近年來獲得飛速的發(fā)展。這些技術(shù)給建筑設(shè)計(jì)師們提供了有著很高現(xiàn)代技術(shù)含量的藝術(shù)表現(xiàn)手段。在建筑藝術(shù)的塑造上得到了廣泛的應(yīng)用。
作為不斷發(fā)展中的前沿建筑技術(shù)，索結(jié)構(gòu)是一種較活躍的結(jié)構(gòu)類型。工程師們充分發(fā)揮鋼材抗拉性能好的特性，利用包括鋼棒、扁鋼、高強(qiáng)度（詞條“強(qiáng)度”由行業(yè)大百科提供）冷拉鋼絲編織而成的鋼索等
材料，布置出空間張拉結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)藝術(shù)特點(diǎn)。
點(diǎn)支承玻璃連接技術(shù)，因安全可靠的連接構(gòu)造早已廣泛應(yīng)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（詞條“支承體系”由行業(yè)大百科提供），發(fā)展到基于預(yù)應(yīng)力（詞條“應(yīng)力”由行業(yè)大百科提供）張拉技術(shù)的柔性支承體系。柔性結(jié)構(gòu)體系與點(diǎn)支式玻璃結(jié)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(shí)際工程中柔性空間索結(jié)構(gòu)體系與點(diǎn)支式玻璃面板結(jié)合早已得到應(yīng)用并取得了理想的效果。我們于二十世紀(jì)九十年代年就在國內(nèi)開始了探索性的應(yīng)用。采用這種技術(shù)建造大型玻璃金字塔，取得了極大的成功。
2、空間預(yù)應(yīng)力索桿結(jié)構(gòu)玻璃金字塔營造技術(shù)
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。
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(fēng)雨的侵蝕，至今還能展示出當(dāng)年的風(fēng)姿。這不得不讓人們產(chǎn)生一些聯(lián)想。為什么與她同一時(shí)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?
我對(duì)此進(jìn)入了深思和探求。這是我在當(dāng)年設(shè)計(jì)建造貴陽人民廣場玻璃金字塔時(shí)，在對(duì)金字塔的斜面玻璃和支承結(jié)構(gòu)的各種角度的確定過程中一直在思考的事兒。
2.1在金字塔中有著超能力的神秘角度
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(huì)形成三個(gè)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”。
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(fēng)是暴歷的，由于金字塔獨(dú)特的造型把風(fēng)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(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)，隨著地球的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)，因此它所承受的振幅極其微弱，地震對(duì)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(yùn)動(dòng)的“位”是金字塔穩(wěn)定之謎。
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。
2.2 空間索桿結(jié)構(gòu)支承玻璃金字塔在設(shè)計(jì)過程中要考慮的問題
隨著我國幕墻技術(shù)的發(fā)展，預(yù)應(yīng)力索(桿)結(jié)構(gòu)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(yīng)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)技術(shù)交流會(huì)上，北工大的薛素鐸團(tuán)隊(duì)又公布可以抗連續(xù)倒塌的新型無內(nèi)環(huán)索結(jié)構(gòu)體系進(jìn)一步豐富了柔性結(jié)構(gòu)體系。對(duì)于建筑師和幕墻工程師來說，索結(jié)構(gòu)支承體系的玻璃幕墻已經(jīng)成為常見的幕墻形式。同時(shí)在國家標(biāo)準(zhǔn)和工程技術(shù)規(guī)范中已對(duì)索結(jié)構(gòu)幕墻有了嚴(yán)格、詳細(xì)的技術(shù)規(guī)定。對(duì)于幕墻企業(yè)來說對(duì)此類幕墻的設(shè)計(jì)與施工技術(shù)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(jié)構(gòu)還是最前沿的技術(shù)。
2.2.1 鋼桁架作為主體支撐結(jié)構(gòu)
在玻璃金字塔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，我們在每個(gè)玻璃金字塔的四個(gè)角部設(shè)置了大型鋼（詞條“型鋼”由行業(yè)大百科提供）桁架。以此來作為金字塔上四個(gè)三角形玻璃平面內(nèi)，預(yù)應(yīng)力空間拉桿結(jié)構(gòu)的邊緣支點(diǎn);同時(shí)在每榀鋼桁架的中間段又布置了兩個(gè)抗彎曲支點(diǎn)，用以保證金字塔主體結(jié)構(gòu)在預(yù)應(yīng)力拉桿系統(tǒng)側(cè)向作用力下的穩(wěn)定性。(如圖)
在主體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，考慮到環(huán)境、溫度、地震力以及預(yù)應(yīng)力索桿結(jié)構(gòu)的內(nèi)力變化、地下商場空間震動(dòng)等工況對(duì)主體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響，我們將金字塔斜面四個(gè)三角形的底邊結(jié)構(gòu)整體進(jìn)行連接。并將底部的四個(gè)支點(diǎn)之一作為固接點(diǎn)，其它三個(gè)固定點(diǎn)作為可滑移支座。采用這種構(gòu)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。
2.2.2 索(桿)桁架支承體系的布置
對(duì)于玻璃金字塔的結(jié)構(gòu)體系布設(shè)，在當(dāng)時(shí)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(jié)構(gòu)的布設(shè)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(shí)承受荷載（詞條“荷載”由行業(yè)大百科提供）的工況結(jié)合預(yù)應(yīng)力索(桿)結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，布置了預(yù)應(yīng)力索(桿)桁架支承體系。并按1/200確定了在承受風(fēng)荷載（詞條“風(fēng)荷載”由行業(yè)大百科提供）時(shí)的最大變形量。(如圖)
3.2.3 預(yù)應(yīng)力拉桿桁架點(diǎn)支承玻璃金字塔的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)
在預(yù)應(yīng)力拉桿桁架點(diǎn)支承玻璃金字塔的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)，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(diǎn)處設(shè)計(jì)了長孔，在銳角邊設(shè)計(jì)了大圓孔。徹底解決了玻璃面板在自重、溫度荷載、風(fēng)荷載等作用時(shí)適應(yīng)變性能力的難題。在國內(nèi)首次使用在實(shí)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(yù)緊方案。用索接頭與懸空桿件上的耳板進(jìn)行連接。這個(gè)方案同時(shí)解決了拉桿各種不同方向的需要和對(duì)拉桿形成的桁架施加預(yù)應(yīng)力的需要。(如圖)
2.2.4 玻璃金字塔菱形玻璃面板的設(shè)計(jì)
玻璃金字塔菱形玻璃面板的設(shè)計(jì)是按照埃及胡夫金字塔的神秘角度的數(shù)據(jù)：斜坡對(duì)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(gè)邊長為49.2米正方形的，四個(gè)等腰三角形的玻璃面，每個(gè)三角形底角均為58度17分15秒。
我們在玻璃金字塔的每個(gè)大面上按一定的模數(shù)分成六個(gè)正菱形區(qū)域，同時(shí)在這個(gè)面上的下方還有四個(gè)等腰三角形。 在每個(gè)菱形區(qū)域內(nèi)有36片菱形玻璃組成，每片菱形玻璃的對(duì)角線都為長3.1米、寬1.9米;在每片玻璃的角上設(shè)計(jì)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(lán)藍(lán)綠色膠片，使得整個(gè)玻璃金字塔呈現(xiàn)出藍(lán)綠色。(如圖)
在金字塔最頂部的玻璃設(shè)計(jì)時(shí)，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。
2.3 空間索桿結(jié)構(gòu)支承玻璃金字塔的施工技術(shù)
當(dāng)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(jié)構(gòu)的空中對(duì)接，在保證其可靠連接相互支撐的同時(shí)還要確保尺寸定位精度，一旦有大的偏差，將無法進(jìn)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(jié)構(gòu)同時(shí)吊裝。在對(duì)安裝的部位進(jìn)行了精密測量后做了臨時(shí)輔助支撐，利用輔助工裝設(shè)備將所有支撐鋼結(jié)構(gòu)調(diào)整安裝到位;同時(shí)按設(shè)計(jì)要求，結(jié)合測量比例進(jìn)行放線、描點(diǎn)，確定邊緣尺寸控制基準(zhǔn)。對(duì)全部索(桿)桁架的邊緣支點(diǎn)做精確定位之后，進(jìn)行耳板的焊接。受力耳板的焊接采用了一級(jí)焊縫。在完成全部結(jié)構(gòu)的精度校核后，開始對(duì)索桁架進(jìn)行試安裝，索(桿)桁架的安裝和調(diào)整是在四個(gè)面同時(shí)進(jìn)行的。當(dāng)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(jìn)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(jìn)行二次轉(zhuǎn)運(yùn)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(jìn)行安裝，最后對(duì)四個(gè)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、 結(jié)束語
近年來，由于建筑技術(shù)的發(fā)展和建筑形式的多樣化，各種新技術(shù)、新工藝、新材料在建筑外圍護(hù)上得到廣泛的應(yīng)用。 在今年的全國空間結(jié)構(gòu)技術(shù)交流會(huì)上，又公布了一項(xiàng)可以抗連續(xù)倒塌的新型“無內(nèi)環(huán)索結(jié)構(gòu)系統(tǒng)”進(jìn)一步豐富了柔性結(jié)構(gòu)體系。對(duì)于建筑師和幕墻工程師來說，索結(jié)構(gòu)支承體系的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為常見的形式。對(duì)于幕墻行業(yè)來說對(duì)此類幕墻的設(shè)計(jì)與施工技術(shù)也已日趨成熟。
本文中所介紹的內(nèi)容和設(shè)計(jì)方案都是我在當(dāng)年方案設(shè)計(jì)和工程實(shí)踐中的一點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，如果能給建筑外圍護(hù)體系設(shè)計(jì)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(xiàn)
[1] 《施工圖、設(shè)計(jì)說明書》，貴陽人民廣場玻璃金字塔項(xiàng)目，1999.3
[2] 《索結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ 257-2012，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，2012.8
[3] 王德勤，點(diǎn)支式玻璃采光頂應(yīng)用技術(shù)探討，《2010年全國鋁門窗幕墻行業(yè)論文集》,
[4] 王德勤，單索結(jié)構(gòu)玻璃幕墻的安全保障系統(tǒng)解析，《幕墻設(shè)計(jì)》2018，第二期
作者單位：北京德宏幕墻工程技術(shù)科研中心
