國家速滑館天壇輪廓玻璃幕墻容差設計與應用*

王自偉，李久林，張 怡，李向南，趙炳陶，朱富力，蘇李淵，劉宇棟

(1.北京城建集團有限責任公司，北京 100088； 2.北京江河幕墻系統工程有限公司，北京 101300； 3.中國礦業大學，北京 100083)

1 工程概況

國家速滑館位于北京市朝陽區奧林匹克公園西側，國家網球中心南側，是北京 2022 年冬奧會的標志性場館之一，也是冬奧會北京賽區唯一新建比賽場館。國家速滑館天壇輪廓玻璃幕墻采用豎向幕墻索加豎向S形箱形鋼梁龍骨的支撐結構。幕墻索間距4m，上端固定于頂部的鋼結構環桁架上，下端固定于主體結構首層頂板外圈懸挑梁端。玻璃幕墻呈天壇輪廓，由1 440塊單曲面玻璃、1 920塊平板玻璃組成。曲面玻璃表面由22根“冰絲帶”環繞，象征速滑運動的極限速度。

2 幕墻系統容差設計

在工業生產中，由于生產條件的限制，產品或過程的參數實際值與目標值之間往往存在一定偏差，這一偏差稱為參數容差。從機械制造角度看，容差是指可被接受的幾何形狀或尺寸的變動范圍；從統計角度看，容差是指某一指標的容許變動范圍；從質量設計角度看，容差是可被接受的極限。在工程上，由于加工的構件尺寸有一定誤差、施工過程產生一定的人為偏差、結構受力會產生一定程度的變形等原因，導致容差的產生。為保證施工精度及建筑物安全性，科學合理地進行容差設計十分必要。國家速滑館幕墻系統造型新穎、結構復雜、安裝精度要求較高、施工難度大，因此，必須提前對幕墻系統進行容差設計。

天壇輪廓玻璃幕墻采用縱向S形箱形鋼梁與橫向圓鋼管通過牛腿連接在一起形成幕墻網殼結構體系。S形箱形鋼梁通過支座與環形桁架或幕墻拉索固定。其中編號SLM-01～SLM-30的S形箱形鋼梁與幕墻拉索、環形桁架和水泥支座相連，編號SLM31～SLM-40的S形箱形鋼梁只與環形桁架和水泥支座相連。結構體系分別以長軸和短軸對稱，如圖1所示。幕墻系統容差設計主要包括對S形箱形鋼梁與其相連結構之間進行合理的容差設計(結構容差設計)及對S形箱形鋼梁與幕墻板塊及幕墻板塊之間進行合理的容差設計(幕墻體系內的容差設計)。

圖1 S形箱形鋼梁結構體系

2.1 結構容差設計

S形箱形鋼梁與其相連結構之間在加工與安裝過程中會產生一定偏差，因此，S形箱形鋼梁與環形桁架的“板凳”和水泥支座的埋板相連時，需設計足夠的容差空間。由于受力計算約束條件的限制，豎向S形箱形鋼梁與豎向幕墻索的連接構造對拉索與S形箱形鋼梁安裝精度的要求非常高，即索中心必須在S形龍骨中心線方向上，兩者之間的連接板箱體厚度為110mm，索頭預留空間也為110mm，而矩形管提供的連接面寬度僅為126mm，兩端僅有6.5mm寬的調整量。因此，速滑館幕墻的S形箱形鋼梁必須根據拉索實際定位設置，并且在張拉及屋面配重設置完成后才可根據現場實際情況下料加工，幕墻分割線必須與S形箱形鋼梁中心重合才能滿足建筑效果的要求。為提高施工效率，無拉索影響的S形箱形鋼梁(編號SLM-31～SLM-40)可提前定制加工。

現場結構復測后，通過與原模型進行對比，得出如下容差設計方案。拉索節點在垂直方向(徑向)的偏差可通過調整連接節點高度來抵消。水平方向偏差在70mm以內時，可通過扭轉索具方向消除，如圖2，3所示；若>70mm，則需通過調整索具位置或S形箱形鋼梁龍骨位置來消除。若調整了S形箱形鋼梁龍骨位置，為保證幕墻外皮形狀不變，需重新調整模型，該S形箱形鋼梁本身形狀及相鄰兩跨的所有幕墻板塊、“冰絲帶”、鋁板等材料的尺寸及形狀全部會發生改變。

圖2 幕墻拉索與弧形梁連接節點

圖3 拉索連接點扭轉70mm示意

幕墻內凹位置的冰絲帶鋼管與S形箱形鋼梁通過可拆卸的片狀牛腿連接。“冰絲帶”鋼管直徑180mm，原設計牛腿寬度也為180mm，幾乎無容差，對現場安裝精度要求較高，不利于施工。因此，通過容差設計，對牛腿做 “大頭”處理，用于調整“冰絲帶”鋼管安裝偏差及S形箱形鋼梁定位偏差，如圖4所示。

圖4 牛腿設計

2.2 幕墻體系內的容差設計

國家速滑館具有獨特的天壇輪廓幕墻，幕墻施工測量放線與板塊精確安裝定位難度大，且幕墻為單元式玻璃幕墻，每塊弧形玻璃形狀不標準(標準弧形玻璃展開為矩形)，加工難度較大，故玻璃幕墻在板塊制作與安裝過程中不可避免地產生一定程度的誤差。因此，根據工程施工工藝特點，各構件、板塊之間的間隙均進行容差設計。豎向膠縫寬度為20mm，以吸收水平方向上的結構位移及幕墻自身變形。橫向裝飾面板設計了±10mm的滑動空間，以吸收垂直方向上的尺寸偏差。幕墻豎向龍骨距S形箱形鋼梁邊緣16mm，可用于調整S形箱形鋼梁安裝偏差及幕墻定位偏差。“冰絲帶”玻璃間預留10mm膠縫，以吸收位移及調整安裝偏差，如圖5所示。根據JGJ 102—2003《玻璃幕墻工程技術規范》進行幕墻系統變形計算。鋼材線膨脹系數為1.2×10-5/℃，玻璃線膨脹系數為1.0×10-5/℃，工程考慮的年溫差為80℃，鋼材和玻璃管長度均為4m。在設計年溫差下，鋼材和玻璃向左、右2個方向伸長，計算得出鋼材最大伸長量為3.84mm，玻璃最大伸長量為3.2mm，符合“冰絲帶”玻璃間預留膠縫的容差設計。

3 關鍵施工技術

天壇輪廓玻璃幕墻采用縱向S形箱形鋼梁與橫向圓鋼管通過牛腿連接在一起形成幕墻網殼結構體系。將玻璃與鋁型材在加工廠預制成高精度的幕墻單元板塊，單元上下橫梁附框與方通鋼管通過鋁合金轉接件加螺栓連接，單元立框通過螺栓壓塊與S形箱形鋼梁連接固定。外觀呈現出橫向350mm寬、豎向90mm寬鋁合金壓蓋與玻璃面平齊的明框幕墻效果。幕墻豎剖標準節點如圖5所示。

圖5 幕墻豎剖標準節點

3.1 S形箱形鋼梁龍骨安裝調節

由于國家速滑館獨特的馬鞍形屋面及橢圓形平面構造，S形箱形鋼梁龍骨的定制長度和安裝角度均發生改變，精確安裝難度較大，必須考慮S形箱形鋼梁龍骨安裝時的高精度調節。為消除上部環形鋼桁架施工偏差對S形箱形鋼梁龍骨高精度安裝的影響，通過設計套座使S形箱形鋼梁龍骨與頂部環形鋼桁架之間的連接實現六向調整；通過定制支座耳板，消除S形箱形鋼梁龍骨銷軸基準點與主體結構埋件之間的前后方向偏差；通過現場實測幕墻索和幕墻S形龍骨之間的偏差，定制耳板，焊接至S形箱形鋼梁龍骨上，消除S形箱形鋼梁龍骨拉索連接點的前后偏差。S形箱形鋼梁龍骨上下、左右及偏轉方向上的偏差由2.1節所提出的結構容差設計方案解決。

3.2 天壇輪廓玻璃幕墻安裝

由于國家速滑館天壇輪廓玻璃幕墻造型新穎，不規則弧形玻璃的制作與玻璃板塊安裝的精確定位會存在一定程度的偏差，要實現玻璃板塊精確安裝難度較大，故除了在施工前進行容差設計外，在安裝過程中也需注意施工偏差的消除。

幕墻板塊豎向固定壓塊，采取可轉動的鋁合金底座，方便安裝調整角度偏差，保證鋁合金壓塊的有效性。為避免結構膠長期受力，增加安全系數，所有玻璃板塊均設置了玻璃壓板，使玻璃與鋁合金橫豎龍骨之間形成機械連接，如圖6所示。

圖6 玻璃壓板示意

為提高玻璃的安全性，減少自爆率，速滑館幕墻采用半鋼化玻璃。加工時，采用單邊設備逐邊切割磨邊、玻璃鋼化熱彎弧形偏差控制、4 層雙夾膠抽真空防破損等技術，保障彎弧玻璃的加工質量和精度。安裝時，先進行單元體吊裝，再進行室內外扣蓋安裝，最后進行單元體鋼圓管及“冰絲帶”安裝。通過容差設計及安裝控制，實現了玻璃板塊精確化安裝，保證了幕墻整體效果及使用功能。

4 結語

國家速滑館天壇輪廓玻璃幕墻造型獨特，構件尺寸不一，構件加工過程復雜，需要現場測量放線高精度定位及S形箱形鋼梁龍骨、玻璃板塊精確安裝，施工難度大。為此，進行了全面系統的容差設計。通過結構容差設計，保證了S形龍骨與幕墻拉索、環形桁架和水泥支座的精確安裝；通過幕墻內的容差設計，為玻璃板塊的順利安裝提供了保障；通過設計套座和定制耳板，實現了S形龍骨的位置調節；通過可轉動的鋁合金底座，實現了幕墻板塊角度偏差的調節。