國家電網科研產業(yè)基地高層索網玻璃幕墻結構設計

廖樹建

（上海鴻棟幕墻裝飾有限公司，上海 201514）

1 工程概況

1.1 項目概述

本項目為國家電網公司智能電網科研產業(yè)（南京）基地的幕墻工程建設項目，幕墻結構整體采用框架剪力墻結構。幕墻尺寸規(guī)模較大，整體高度為98.5m，總面積為4.63萬m2，工程總造價為6439萬元。就所涉及的幕墻子系統(tǒng)而言，整體工程涵蓋塔樓豎明橫隱式單元幕墻、索網結構點式玻璃幕墻、肋支撐點式玻璃幕墻、開放式干掛洞石幕墻、全隱框玻璃幕墻、明框玻璃幕墻、鋁單板幕墻、鋼結構玻璃雨蓬、鋁合金格柵、鋁合金玻璃欄桿和地彈門系統(tǒng)等，項目內容之多、質量把控之嚴，都對設計施工團隊的組織架構、前期設計和現(xiàn)場管理提出了極高的要求[1]。

1.2 工程建設流程

工程的總體流程包括組織架構制定、前期現(xiàn)場勘驗、深化設計及圖紙加工、主體結構材料的工藝設計、材料的制備及預張拉、材料的質量把控及驗收、入場前期準備及平臺搭建、幕墻結構拉索的安裝、玻璃的安裝以及各類載荷及應力的仿真計算等。

本論文主要討論的是從幕墻工程子系統(tǒng)中的高層建筑索網玻璃幕墻（用于南立面主樓）的難點分析、圖紙設計、材料加工、施工安裝、節(jié)點優(yōu)化等內容入手，探索出一套施工效率高、創(chuàng)新程度高、結構安全性高、視覺效果好的高層索網幕墻整體解決方案。

2 高層索網玻璃幕墻設計難點

南立面主樓的高層索網玻璃幕墻設計難點主要可以從施工概述、性能標準、材料選擇、深化設計等方面來闡述：

2.1 施工概述

本案所涉及的單層索網幕墻用于主樓南立面，最大施工標高到57.3m，索網幕墻面積約1600m2，尺寸為寬度27m，高度60m，覆蓋南立面的6～9軸間。拉索的設置方式覆蓋1～12層，在五層、九層增設拉索桁架，將豎向索分成三段：1～5層所需豎向索長約21m，共17根，橫向索27m根，共7根；5～9層的豎向索長約16.4m，共需豎向索17根，橫向索7根；9～12層的豎向索長約15m，共需豎向索17根，橫向索6根。

2.2 標準規(guī)范

本項目嚴格遵循如《玻璃幕墻工程技術規(guī)范》（102-2003）及其他相關的國家標準和行業(yè)技術規(guī)范，同時還需滿足甲方所制定的更高需求，具體如下：項目所涉的玻璃幕墻要能夠承受Wo=0.40kN/m2的風壓，承受0.65kN/m2的雪壓，抗震設防烈度為7度，主體安全結構為二級，同時對氣密性能、水密性能、保溫性能、隔聲性能、平面內變形性能等都有著嚴苛的要求；

2.3 材料選擇

高層索網玻璃幕墻所涉及的主要材料包括10Low-E+12A+10鋼化中空玻璃（均質熱處理），幕墻鋼桁架和拉索耳板采用Q345B及Q235B鋼材，鋁板選用3003-H24型氟碳噴涂處理的鋁板，碳鋼拉索采用高釩碳鋼M28拉索，配備高釩碳鋼夾具、不銹鋼玻璃肋夾板及SUS316不銹鋼接駁材質；

2.4 深化設計

經過前期的現(xiàn)場測量，得到所需制備的拉索玻璃幕墻的尺寸：因此幕墻面積較大，這對于拉索應力的分布和形變的控制提出了很高的要求，需用通過深化設計來優(yōu)化，具體體現(xiàn)在采用新的拉索工藝，應用新的拉索和夾具材料，最終通過仿真驗證之后進行材料的制備、進場和安裝。

3 高層索網玻璃幕墻設計

3.1 結構體系構建

高層索網玻璃幕墻主體結構面積約1600m2，寬27m2，高60m2，為規(guī)則的矩形平面。在結構體系上，鑒于本案的撓度控制難度大于結構強度控制，所以本幕墻為撓度控制結構體系。在受力體系上，考慮到由于主體結構的特征，單層索網幕墻受力體系應為橫向拉索和豎向拉索共同抵抗風載的方式，其中橫向拉索傳遞給主體結構的拉力相對偏小。撓度控制結構體系的技術指標為索網體系的撓度變形控制小于1/50；上部桁架梁的撓度變形控制小于1/400。

3.2 選型設計

本案中橫向拉索和豎向拉索的選材均采用GALFAN材質，即高釩拉索[2]。高釩拉索是一種鋅、鋁和稀土混合合金涂料，作用于鋼材的防腐增強，其中鋅所占比例為95%以上，其顯著特征是能夠克服環(huán)境因素帶來的電化學鋼索腐蝕，且延展性和可變性能力亦較強，具有良好的機械性能。豎向采用管徑φ28的高釩拉索，橫向則為φ22。其中豎向φ28高釩拉索的抗拉強度等級達到1670MPa，拉索最小破斷力為668kN，其強度和硬度與原方案中的而SUS316不銹鋼φ32直徑的豎向拉索相當，豎向索與桁架連接采用三角鏈接的方式，具有可靠的安全性能和耐久性能。由此觀之，替換后的機械性能、抗腐蝕性能和經濟效益都得到了良好的保障。

3.3 節(jié)點設計及優(yōu)化

高層索網玻璃幕墻主體結構由多層豎向及橫向拉索構成，初期的設計方案中，豎向拉索采用三段式體系，其優(yōu)勢在于三段拉索能夠減小中間拉索的應力形變，一定程度上增強結構體系的穩(wěn)定性。三段式的豎向拉索缺陷特征也較為明顯，即將三段拉索分段之后，拉索的預應力無法得到統(tǒng)一的調節(jié)，且交界處容易產生明顯的壓力差，導致此處玻璃容易受應力影響而破裂。

優(yōu)化后的方案則是直接布置了60m通長的豎向拉索，解決了豎向索預應力施加難的問題，且便于后期預應力調節(jié)和檢查。同時，團隊還設計非標準夾具，利用20m和40m標高位置主體鋼桁架，固定豎向拉索，從而有力地解決豎向拉索中間變形過大問題，從而確定了如下的拉索張拉施工方案：

3.3.1 拉索結構幕墻預實驗

首先針對幕墻的基礎設計性能（抗風壓性能、水密性、氣密性、地震位移等進行檢測）；對拉索結構的承載靜力按照1.5倍設計值的大小檢測；進行鋼索破壞力的檢測；對連接機構的機械強度進行鑒定；對材料的物化性能進行試驗。

3.3.2 安裝方案

豎向拉索：鑒于本案中最長的豎向拉索φ32約60m，重約378.6kg，因此采用1t拉力的電動葫蘆，從下向上拉設鋼索直至頂部與耳板進行連接。

橫向拉索：橫向拉索的安裝采用人工方案，即利用腳手架操作平臺上，人工抬搬安裝到位，兩端耳板連接完成安裝。

3.3.3 不銹鋼玻璃夾具安裝

本案創(chuàng)新使用了一套不銹鋼玻璃夾具系統(tǒng)，即在兩塊玻璃的縫隙之間用夾具直接將玻璃邊緣夾住，不僅避免了在玻璃上開孔產生應力集中的安全隱患，同時提升了安裝精度，有利于施工的維護與調節(jié)，從經濟效益而言，不銹鋼玻璃夾具的使用同時也節(jié)約了玻璃開孔的生產成本，提高施工的效率和可靠性。

夾具的安裝工序在豎向和橫向索安裝完成之后，這樣可以有效避免索網張拉完成后無法進行夾具安裝的問題。玻璃夾具與索的連接，其固定螺栓無須完全緊固（達到一半的緊固程度即可），這樣可以有效規(guī)避索網在張拉過程中的拉伸變化對拉索造成的應力損傷。

3.3.4 預應力張拉

預應力張拉是拉索體系安裝的重要環(huán)節(jié)。預應力張拉的核心要素是使得預應力分布均勻，從而減少拉索對主體鋼結構的影響，提高整個體系的穩(wěn)定性。拉索在張拉之前，根據設計方案節(jié)點，先安裝與橫向索和豎向索固定連接的不銹鋼支撐桿，不銹桿支撐與拉索的固定使用螺栓固定方式，固定牢固度約為30%，等拉索的三級張拉完成后再調整固定；預應力張拉環(huán)節(jié)在單層雙向索網系統(tǒng)的橫向和豎向索網全部安裝完成后進行。對于預應力張拉的測試，單層雙向索網系統(tǒng)的測試選用液壓式張拉儀，該張拉儀配的液壓器，張拉壓緊裝置，壓力測試顯示儀等，能夠方便快捷得出張拉的結果，有助于施工效率的提升，具體的張拉和測量過程如下，分為三級：

第一級：當橫向索和豎向索全部安裝到位后，跟隨計劃進行拉索張拉，采用專用工具將索拉直，并使用有拉力傳感器的液壓張拉儀進行第一級張拉（施加預應力按最終預應力值的50%），從兩端向中部逐條張拉，誤差控制在5%的范圍內。

第二級：中部節(jié)點空間定位尺寸基本到位后進行第二級張拉（施加到最終預應力值的85%）。從兩端向中部逐條張拉，索的張拉過程必須檢查不銹鋼支撐桿連接橫豎索對其的影響，保證主體結構的安全性能，誤差控制在5%的范圍內，張拉完成24h之后檢查各邊部節(jié)點和中部節(jié)點以及邊緣支承結構。

第三級：當確定各節(jié)點和邊部支承結構無異常情況后，進行第三級張拉（施加到最終預應力值的100%），之后進行尺寸精度測量調整（消除橫、豎索的相互干擾）鎖緊各節(jié)點的連接機構。第三級張拉完成72h后再進行尺寸復合，采用高精度的索內力測定儀對索內應力進行檢測，確認內力均衡后方可進行下一道安裝工序。

預應力的張拉過程中需要考慮溫度、節(jié)點隨應力的定位精準度、測量儀器的標定、支撐結構的形變情況以及張拉完畢后的卸載速度（卸載速度應小于等于10kN/min）等關鍵因素，確保預應力張拉過程對拉索本身和支撐結不帶來損傷。

3.3.5 玻璃安裝

完成上述拉索安裝和預應力張拉后，即進行配重檢測和玻璃安裝，其中配重量為玻璃自身重力荷載的1.2倍，通過逐級增加的方式減小形變和應力集中現(xiàn)象，保證配種檢測完成后，節(jié)點位移量低于2mm。玻璃的安裝方案為點支式，從下向上逐層進行，一邊拆除配重，一邊安裝玻璃板塊，每層安裝完畢后以“橫平、豎直、面平”的標準進行檢查，同時核驗膠縫大小。待玻璃敷設完成后進行嵌縫注膠，通過酮硅膠進行注膠，加強玻璃接縫的吻合度和機械應力。

4 設計效果

從整體的設計效果而言，通過上述方案，本工程實現(xiàn)了大面積的高層雙向索網玻璃幕墻的安裝，制備了歸正矩形形貌的拉索玻璃幕墻，從視覺效果而言達到了甲方的設計需求。從工程技術而言，由于采用了新工藝、新材料替代了傳統(tǒng)方案，在保證索網幕墻的機械強度的同時，減輕了拉索的自重，節(jié)約了的材料的制備成本，提升了拉索的抗電化學腐蝕性能。從工程質量管理而言，本案對于拉索安裝細節(jié)的注意事項把控到位，同時應用創(chuàng)新的不銹鋼玻璃夾具提升了施工的效率和精準度，有效地消除了質量安全隱患，達到了超越預期的設計效果，最終獲得了南京市的“金陵杯”優(yōu)質工程設計。

5 結論

南京市國家電網科研產業(yè)基地高層索網玻璃幕墻的結構設計和工藝優(yōu)化項目的順利交付，促進了新材料、新工藝和新方案的工程應用，展示了基于工程質量的創(chuàng)新突破對工程帶來的經濟效益和質量效益雙重優(yōu)勢，為今后的相關建設項目提供了技術經驗。