大跨度幕墻結構形式的選擇

蔡宏陽 建研科技股份有限公司

梁云東 中國建筑科學研究院有限公司

1 概述

建筑幕墻在我國已經發展了幾十年，常規幕墻結構的技術已非常成熟，在各大工程中得到了廣泛的應用。隨著經濟的發展、生活水平的提高以及審美觀念的提升，常規幕墻結構形式已經不能完全滿足業主和建筑師的需求，隨之出現了非常規的大跨度幕墻結構形式，而大跨度的幕墻結構形式并不是一般常規幕墻結構的簡單延長和截面的加大就可以的滿足的，往往需要更高難度的結構和構造設計，對幕墻設計師的要求也會更高。本文給出了一些適合大跨度幕墻的結構形式，分析其特點并給出其典型的節點構造，以及實際工程應用案例，供涉及大跨度幕墻結構形式時選擇參照。

2 大跨度幕墻結構形式

常規幕墻的跨度一般情況下為一個層高的高度，支撐結構多為鋁結構或鋼結構形式。而大跨度幕墻一般超過一個層高，有些大跨度已經達到十幾米甚至幾十米。大跨度幕墻結構形式需根據工程的造型、跨度、主體結構剛度、支承情況、荷載大小、建筑功能、視覺效果、面板分格、室內人員視線要求和安全防護要求等因素綜合分析確定，可從下列常見形式中選用。

（1）單截面梁式支承結構形式，可采用簡支梁、懸臂梁、連續梁等形式；

（2）桁架支承結構形式，可采用平面桁架、立體桁架、空腹桁架等形式；

（3）索支承結構形式，可采用單向豎索、平面索網、曲面索網等形式；

（4）索桿支承結構形式，可采用索桁架、自平衡索桁架、張弦結構等形式；

（5）玻璃支承結構形式；

（6）除1~5款外，大跨度幕墻支承結構形式還可采用網殼、網架、拱等形式。

上述常見的大跨度幕墻結構形式都有其不同的特點、節點構造以及高跨比和撓度限值，具體分析如下。

2.1 單截面梁式支承結構形式

單截面梁式支承結構形式的優點是結構簡單、對主體結構的作用力很小、制作與安裝相對都比較簡單且成本預算較低；缺點是不適宜特別大的跨度，跨度過大會由于耗鋼量過大而不經濟，同時截面高度過大需考慮側向穩定的問題。其截面形式可采用方管、圓管、T型和板肋截面等。由于此種結構形式室內占用空間小，輕盈、簡潔、美觀備受建筑師的青睞。其截面高度與跨度存在一定的關系，建議單截面梁式構件截面高度一般可取跨度的1/15~1/20。跨度不大于4500mm時，撓度容許值宜取其跨度的1/180；跨度大于4500mm且不大于7000mm時，撓度容許值宜取其跨度的1/250+7mm；跨度大于7000mm時，撓度容許值宜取其跨度的1/200。

單截面梁式支承結構形式的典型節點構造如圖1所示。

單截面梁式支承結構形式計算簡便，工程應用廣，典型工程實例如圖2、圖3、圖4所示。

2.2 桁架支承結構形式

桁架支承結構形式是格構化的一種梁式結構，結構剛度較大，與單截面梁式幕墻結構形式相比，同樣的材料用量可實現更大的抗彎強度，從而適應更大的跨度，該形式多用于跨度較大的場館類項目上。缺點是桿件數量較多，通透性會受到影響且室內占用空間較多。實際工程中采用坐地式下端鉸接較多，應特別注意上端與主體結構的連接構造，需考慮適應主體結構的變形且不能承受主體結構傳遞的荷載。桁架高度一般可取跨度的1/12~1/16，撓度容許值宜取其跨度的1/400。

桁架支承結構形式典型節點構造如圖5所示。

桁架支承結構形式結構布置靈活，工程應用范圍非常廣，典型工程實例如圖6所示。

2.3 索支承結構形式

索支承結構形式根據索是否可見可分為明索、隱索和型材隱索幾種。索結構優點為結構簡潔、通透性好，幾乎不占用室內空間；缺點為剛度較差，對主體結構拉力非常大，主體結構在設計時應嚴格考慮此作用，一般不適宜大面積采用。由于其受力復雜，有時需進行找形和施工模擬分析，給幕墻設計師帶來了非常大的挑戰。

索結構幕墻看似簡單，實際上需要嚴格的工程管控、細節處理才能確保質量，近年來，應用索幕墻的項目越來越多，以下常見的一些問題需特別注意。

（1）夾具壓塊邊距過小，玻璃受力不合理，玻璃邊角部容易產生集中應力，導致玻璃破壞。

（2）豎向索為主結構應置于后端，橫向索在前端，自重荷載主要由橫索承擔，違背了單層索網中橫索直拉時不承受重力荷載的原則。

（3）在單索夾具方面，重心過遠對于構造的安全性有損害，包括建筑師希望的藝術節點，都應該慎重處理，確保構造安全。

（4）當索幕墻受力變形時，整幅幕墻角部玻璃將向兩個不同方向變形，可采用將邊緣、角部設計成滑動、轉動的組合，適應索的動態移位，釋放應力。

索結構撓度控制較之前兩種大跨度幕墻結構形式有所不同，而且平面和曲面也有一定的差別。單層平面索網或單索幕墻撓度容許值宜取其跨度的1/45；曲面索網、雙層索系玻璃幕墻及雙層索系玻璃采光頂撓度容許值宜取其跨度的1/200。

索支承結構形式典型節點構造如圖7、圖8所示。

索支承結構形式實際應用項目較多，典型工程實例如圖9~圖12所示。

2.4 索桿支承結構形式

索桿支承結構形式承載力較高，結構剛度較大，通透性好；索桁架對結構拉力較大，主體結構在設計時應考慮到此作用；自平衡索桁架和張弦結構對主體結構的作用力較小。索桁架矢高宜取跨度的1/10~1/20；張弦拱的垂度宜取跨度的1/10~1/14；索桁架和張弦結構玻璃采光頂撓度容許值宜取其跨度的1/200。

索桿支承結構形式典型節點構造如圖13所示。

索桿支承結構形式實際應用項目如圖14、圖15、圖16所示。

2.5 玻璃支承結構形式

玻璃支承結構形式一般是以玻璃作為支撐的結構形式。較常見的全玻幕墻是玻璃支承結構的一種表現形式，但常規的全玻幕墻一般跨度不大，依據現行國家標準即可完成設計工作。本文所提到的適應大跨度幕墻形式的玻璃結構是一種超出全玻幕墻之外的玻璃結構形式，通常為坐地式的安裝，玻璃面板及玻璃肋一般采用夾層玻璃的形式。可分為無肋玻璃結構、有肋玻璃結構和互為支撐玻璃結構三種形式，這種結構形式新穎、通透。隨著玻璃生產加工工藝的進步，這種結構形式的幕墻的體量、跨度也越來越大，涌現出一批國內外知名的幕墻項目。但這種結構形式設計和施工技術難度都較高，且現階段暫時沒有可參照的國家標準，設計時需進行充分的結構分析和實驗以及專家論證。

玻璃結構分析時，應根據結構類型、材料性能和受力特點、開裂可能造成的災害情況來選擇線性、非線性或試驗分析方法。對于需要進行防倒塌專項設計的玻璃結構，應采用數值模擬仿真或試驗分析方法對其進行整體作用效應分析。對于關鍵受力的玻璃構件或節點，應采用數值模擬仿真或試驗方法對其進行局部作用效應分析。

面外受彎構件的容許撓度取其跨度的1/200。

玻璃支承結構形式典型節點構造如圖17所示。

玻璃支承結構形式實際應用項目如圖18~圖22所示。

2.6 其它支承結構形式

其它支承結構形式一般是以網殼、網架、拱等為主要形式，應用在采光頂項目中為多，參照現行國家標準并借助有限元分析一般可實現。網架高跨比可取1/10~1/18；球面網殼的跨矢比不宜小于1/7；圓柱面網殼的矢高可取寬度的1/3~1/6；橢圓拋物面網殼每個方向的矢高可取短向跨度的1/6~1/9。網架、桁架、雙層網殼的撓度限值宜取其跨度的1/250；拱架、單層網殼撓度限值宜取其跨度的1/400。

3 結論及建議

通過對常見大跨度幕墻結構形式的介紹及其節點構造和相應實際案例的分享，可得出如下結論。

①大跨度幕墻可選擇的結構形式多種多樣，并不限于本文所介紹的幾種結構形式，實際工程中應根據業主和建筑師的要求進行選取。

②大跨度幕墻結構形式不同，構造也不同，所采用的撓度限制不同，適用的高度也不相同。需根據具體項目實際情況選取適合的幕墻形式，并根據不同的結構形式進行不同的撓度限制控制。

③大跨度幕墻結構較之常規幕墻結構復雜很多，依據現行規范有些問題不能完全解決，需借助有限元軟件進行充分的結構分析，甚至需要經過專家論證。

④不同形式的大跨度幕墻結構特點不同、受力模型不同，應特別關注其專項的設計要點和注意事項。

本文重點介紹了幾種常見的適合大跨度幕墻的結構形式，給出了每種結構形式的典型節點構造和應用案例，供技術人員參考。選用時需根據實際項目的具體情況進行分析，并結合其特殊的使用要求、使用條件和注意事項選擇合適的幕墻結構形式。現行規范沒有具體規定的結構形式要進行充分的研究，經濟性和結構冗余度的問題需要重點考慮。

互為支撐玻璃結構形式為一種小眾新穎的結構形式，工程應用案例還不多。在高度超高時，為防止極端情況出現，建議采取“主體結構抗震縫”概念，形成多個分區，避免一片玻璃失效導致連鎖破壞的情況發生，每區段邊緣設置有效支撐結構。玻璃面板夾角越大，體系荷載作用響應越大。夾角過大時，體系受力接近于對邊支承的簡支板，應充分考慮強度和穩定性驗算，控制玻璃面板夾角不宜過大。另外，超大板塊玻璃的運輸、施工安裝問題需進行充分的受力分析，同時也應考慮玻璃面板的更換和維修問題。