單層索網幕墻結構在高層建筑中的設計與施工

摘要：國民經濟的發展推動了建筑行業技術進步，以柔性鋼索為主體結構的單層索網幕墻技術在我國高層建筑中得到了大范圍應用。單層索網幕墻結構技術相比于常規幕墻技術具有力學載荷復雜、設計及實施工序繁瑣等特征。與實際工程結合，針對單層索網幕墻結構在高層建筑中的設計及施工中的關鍵環節和注意要點展開探討。先對單層索網幕墻結構特征與分類加以概述，進而針對單層索網幕墻結構的設計原理和應用展開分析，并提出了單層索網幕墻結構在高層建筑的倒裝施工的具體應用，為今后相關的單層索網幕墻結構設計與施工實施提供借鑒。

關鍵詞：單層索網幕墻;預應力;載荷;索網布置

0" "引言

單層索網幕墻在建筑施工中的優勢明顯，特別是應用在高層建筑中，其結構簡潔、外觀通透、構件占用空間小等特點便可凸顯出來。單層索網幕墻整體通過柔性鋼索構建，在鋼索結構中實施特定的預應力，形成整體剛度，通過鋼索間力的相互作用實現整體力學平衡與穩固，使其具備特有的承載能力和剛度特征[1-2]。

單層索網幕墻結構設計復雜，對邊界條件要求嚴格，且索網結構對高層建筑主體結構安全和質量影響較大，因此設計單位應需從單層索網幕墻結構特征及實現原理著手，結合高層建筑的項目實際，提出貼合實際的設計及施工方案，以實現高層建筑質量、安全、外觀等方面的整體提升。

1" "單層索網幕墻結構概述

1.1" "索網幕墻結構特征

在高層建筑應用單層索網幕墻結構技術時，其與建筑中其他既結構是相互作用、影響的。單層索網幕墻除施工較復雜外，其還表現出鋼索之間索力變化幅度大，鋼索之間受形變影響大。

通常高層建筑設計時，單層索網幕墻結構頂端與建筑采光頂連接同一桁架結構，張拉載荷作用使桁架產生形變，形變導致索力重新劃分。下端鋼索同時受建筑雨篷梁及門廳作用產生形變，使得鋼索內力更加敏感。各種載荷作用造成內力的重新分配，使單層索網幕墻結構張力布置施工面臨不小考驗[3]。另一方面，由于高層建筑單層索網幕墻結構縱、橫方向鋼索距離長，導致張拉伸長量較大，常規的索具器械調節范圍無法滿足需求，需通過專業特定的張拉技術加以解決。

1.2" "索網幕墻結構分類

按鋼索的布置方式不同，可將單層索網幕墻劃分為單向結構和多向結構[4]。單向結構是通過縱向單鋼索與建筑玻璃之間建立相互支撐，形成穩固結構;多向結構通過多個方向鋼索建立互相連接，并利用連接點建立支撐，形成固定結構。按單層索網幕墻外立面結構差異，可劃分為平面結構和非平面結構，如圖1所示。

按單層索網幕墻結構邊界形式，可將其劃分為一體式結構和附著自承結構。一體式結構的實現原理是將建筑主體與幕墻鋼索直連，建筑主體結構直接承載鋼拉索的載荷作用;附著自承結構并未實現建筑主體與幕墻鋼索的直連，建筑主體結構并未直接承載鋼拉索的載荷作用，而是通過索網幕墻結構自身建立平衡支撐，與主體結構形成“附著”關系。一體式結構和附著自承結構如圖2所示。

2" "單層索網幕墻結構設計

2.1" "單層索網幕墻結構設計原理

在布置預應力前，單層索網幕墻結構平面以外并未構成有效的抗彎剛度，因此不能建立水平作用力支撐。布置預應力后，受水平載荷作用，其結構具備非線性幾何特征及應力鋼化特征，其結構剛度產生變化[5]。其特征主要表現為小應變、大位移，這是在單層索網幕墻結構有限元參數設計時需重點關注的，也是計算分析軟件選擇的重要依據。

受面內應力作用耦合影響，橫向剛度轉換為應力鋼化，索網結構平面內外抗彎剛度提高。但僅僅憑借布置預應力來支撐外部水平負載，既要通過擴大索截面來實現，還會給邊框整體造成負擔，違背了建筑科學、經濟的設計初衷。受外部載荷作用變化影響，索網結構剛度也會隨之變化，如果在起初較小剛度時受載荷作用，勢必會造成大變形。

此時鋼索應變小，適應小應變原理。在單層索網幕墻結構設計時，應同時參考小應變、大位移的非線性幾何原理。在外載荷恒定條件下，索的形變會引起整體結構形成“懸索”狀態，形變范圍越大，索用來制衡的內力越小。此時索應力與撓度參數成反比關系。

由此可見，預張力與撓度參數確定是單層索網幕墻結構的重點設計環節，需經過精確的分析計算得出?；谝陨戏治觯瑔螌铀骶W幕墻結構平面內外抗彎剛度設計方案，主要依據平面外位移原理與外載荷、預應力同時作用的索內力總和加以分析計算得出。

2.2" "單層索網幕墻結構設計應用

單層索網幕墻結構在高層建筑應用時，主要在于建立主體結構間的凹型互連結構。單層索網幕墻結構設計時，應參考非線性幾何參數和應力剛性參數。

2.2.1" "設計影響因素

風力作用是單層索網幕墻結構的主要影響因素，設計中參考精確的風力載荷參數，有助于結構分析運算，因此在設計前應通過風洞試驗收集風力載荷參數。單層索網幕墻是柔性結構，常規的剛性測壓檢測難以模擬真實的柔性索網數據，因此應將風洞試驗與氣彈模型模型配合使用。同時，設計時還應考慮溫度對鋼索應變性能的影響。

2.2.2" "邊界結構設計

單層索網幕墻結構為平衡外部載荷，為此應合理布置縱、橫方向拉索預拉力。整體邊界結構承載較大的鋼索拉力作用，且作用于建筑主體結構，所以針對邊界結構設計應重點考慮自平衡結構。如未形成自平衡結構，邊界結構為平衡拉索拉力，則需更大的結構剛度以實現穩定。某實際高層建筑索網邊界結構設計如圖3所示。

2.2.3" "索網布置設計

設計過程中，應通過控制單層索網幕墻結構形變來保證玻璃的穩定性。拉索距離應小于2m距離，通常在1.3m左右。鋼索雙向布置時，網格以正方形為宜。針對單向結構設計，由于縱向鋼索要同時承載縱、橫雙向載荷，因此索網幕墻高度應適宜。

針對雙向結構設計，由于縱、橫鋼索彼此相互支撐，都承載水平載荷，縱向索還應兼顧幕墻自身的質量承載和橫向索平衡功能，即便橫向索損壞，也應確保幕墻不掉落。針對建筑樓頂的雙向結構，如果長寬比接近，縱、橫鋼索應共同承載縱向載荷。在長寬比大于1.5時，可根據工程實際，將長向索用于平衡穩定功能、短向索用于承載縱載荷功能。

2.2.4" "起始索內力和預應力設計

單層索網幕墻結構的柔性結構特征，使其只有在起始預應力作用下才能有效平衡抵御反向載荷作用。僅憑借布施預應力抵御水平外載荷則會導致索截面擴大，徒增邊界結構壓力，影響設計的科學性。標準的預應力通?？刂圃阡撍鲾噍d荷的25%左右。

2.2.5" "形變參數設計

受風力作用影響，單層索網幕墻結構接近中間位置形變曲線切線斜率較小，邊界形變曲線切線斜率較大。接近邊界位置的玻璃面板四處形變差較大，設計時應加以強化，以減低面板的形變差參數。針對索網結構設計時，為保護幕墻玻璃穩定安全，應嚴控單層索網幕墻結構形變;同時，還應避免因控制形變力度過大而引起索拉力提升，從而導致索網邊界剛度應力過大。落實到實際設計中，需保證最高溫度環境下索應力正常緊繃，且最低溫環境下索力最大值應低于索的拉力設計額定值，通常應以l/50為標準設計撓度控制索網形變限值參數。

2.2.6" "連接節點設計

鑒于縱、橫鋼索在張拉、支撐時，對應節點位置在索方向移動，為此應利用耦合方式連接節點。一體式結構是將建筑主體與幕墻縱、橫鋼索形成直連，保證邊界具備滿足需求的剛度。通常橫向邊界上端使用鋼桁架結構，底部與地梁連接固定，縱向邊界使用縱向鋼桁架或型鋼。附著自承結構的縱、橫鋼索兩端和上部與邊框連接固定，縱向鋼索同中部框架梁滑動連接，底端同地下室梁固定，即主體與幕墻結構形成滑動連接。附著自承結構橫向索同邊框連接如圖4所示。

3" "單層索網結構幕墻結構在高層建筑的施工要點

3.1" "單層索網幕墻結構施工工序

根據單層索網幕墻結構施工方案設計，應按如下工序施工：放線勘測—縱向結構鋼柱拼裝—吊裝主桁架—從上至下吊裝橫向箱梁—焊接連接索耳板—拼裝縱向拉索—張拉處置縱向索—夾具安裝—拼裝橫向拉索—張拉處置橫向索—緊固夾具索壓塊—安裝玻璃、鎖固玻璃夾板—注膠及清洗。

3.2" "放線勘測

雖然利用常規鋼尺配合經緯儀測量模式直觀、方便，但由于單層索網幕墻結構對放線精度要求更高，且涉及較復雜的細部放線工序，因此利用常規鋼尺配合經緯儀方式難以滿足實際放線需求。對于高層建筑幕墻結構，應利用全站儀配合鋼尺及計算設備組建的全站儀測繪系統，完成實際勘測，實現點位的精準測設。參照單層索網幕墻結構平面設計方案和工程實際狀況，利用獨立施工坐標體系，測算不同控制點位的坐標數據，完成放樣。

3.3" "吊裝幕墻鋼結構

結構鋼柱主要用于實現橫向拉力在主體結構作用點位的優化，同橫向箱梁、頂端桁架結構之間無連接，因此各部位吊裝操作可單獨完成。利用倒裝技術實施吊裝，先完成上端桁架梁吊裝，之后以桁架梁為支點，進行下方橫向鋼箱梁吊裝，最后完成吊裝縱向鋼柱。其中上端桁架梁吊裝是安裝工序的關鍵環節，受空中作業所限，難以搭建施工操作平臺，為達到高空吊裝安全和精度，應利用一體化制備、整體吊裝技術完成桁架的組裝。

在高層建筑施工中，由于吊裝的鋼結構質量大，操作高度高，應利用多軸吊裝機械完成。多軸吊裝機械自身質量大，依靠施工場地地下室頂板難以實現有效的平衡固定，在路面?？坑殖３ｋy以達到桁架梁需要的安裝位置，因此利用多軸吊裝機械吊裝桁架梁，應采用專業的固定處理。桁架梁吊裝過程中，應配合鷹嘴吊完成吊裝。為實現精準吊裝的目的，桁架梁吊裝前應進行預吊裝測試，測試合格方可進行正式吊裝作業。

完成桁架梁吊裝施工后，利用倒裝技術從上至下進行橫向箱梁的吊裝施工。以桁架梁為支撐，將自動葫蘆固定于桁架梁兩側，從而完成下方橫向箱梁的吊裝施工。利用鷹嘴吊進行掛籃安裝，以為操作人員搭建操作平臺。然后采用相同的方式完成后續其他箱梁的吊裝。

4" "結語

依靠柔性鋼索為主體結構的單層索網幕墻技術應用在高層建筑中，具備了結構簡潔、外觀通透、構件占用空間小等技術優勢，同時也表現出了力學載荷復雜、單層索網幕墻結構設計繁瑣，邊界條件要求嚴格，且索網結構對高層建筑主體結構安全和質量影響較大等特征。本文結合工程實際，圍繞高層建筑單層索網幕墻結構的設計、施工要點展開討論，分析單層索網幕墻結構特點和類別，探討單層索網幕墻結構的設計原理和實際設計應用，提出單層索網幕墻結構在高層建筑的倒裝施工的施工要點，為后續相關的單層索網幕墻結構設計與施工的安全、質量和外觀提升提供參考。

參考文獻

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