轉自：中國建築金（jīn）屬結構雜誌
作者：王德勤
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1引言
在現代建築設計中（zhōng）,建築師追求建築外觀的新、奇、特藝術效果（guǒ），出現了不少三維自由曲麵造型的（de）建築（zhù）立麵。其基本表現手法是利用異形（xíng）玻璃（lí）幕（mù）牆,通過對麵板（bǎn）曲麵的（de）變化形（xíng）式來表（biǎo）現的，這給了幕牆公司的技術（shù）人員（yuán）和科研研發，提出了不小的挑戰和巨大的契機。可（kě）以說（shuō），異形幕牆的出（chū）現和發展給了幕牆設計師們發（fā）揮其聰明才智的空間，促使建築幕牆（qiáng）的設計（jì）與施工技術向前發展。本文（wén）想通過對經過（guò）時間考驗的實際工程項目使用過的成熟節點的（de）介紹和分析（xī），進一步提高我們對新（xīn）的異形幕牆節點的設計（jì）和理解能力。北京天文館異形玻璃幕牆和玻璃旋體，是典型的雙曲麵玻璃幕牆。從工程竣工（gōng）到現（xiàn）在已有十多年的時間了。位於（yú）南、北立麵的（de）夾膠中空玻璃（lí）雙曲麵幕牆和馬鞍形（xíng）玻璃通道的異形夾膠玻璃麵（miàn）板，已經經受到了時間的考驗。在該項目的異形幕牆中從玻璃幕牆到玻璃旋體造（zào）型。以及玻璃采光頂、屋頂玻璃體（tǐ）造型等相關於異形幕牆的特（tè）殊構造節點有（yǒu）二十（shí）種之多。由於節點設計的比較合理，針對（duì）性（xìng）和可實施（shī）性強，對異形玻璃幕牆的（de）結構安裝和麵板安裝起到了決定性的作（zuò）用。使得雙曲麵的玻（bō）璃（lí）造（zào）型流暢順滑。本文對在北京天文館項目中使用的幾種特殊節點進行一下分析介紹。這些節（jiē）點在近十多年中除本項目使用外，部分已（yǐ）經大（dà）量應用在其它的異形幕牆的項目中，成為（wéi）通用的標準節點，取（qǔ）得了良好的經（jīng）濟（jì）效益和社會效果。有些節點已經審請了專利，成（chéng）為被******認可的專利技術並取得了相應的專利證（zhèng）書，為（wéi）幕牆行（háng）業技（jì）術的發展做出了貢獻。下麵，結合實際工（gōng）程案例作一些粗淺的解析。1.1、異形幕牆（qiáng）項目北京天文（wén）館新館簡介（jiè）北京天文館新館的建築位（wèi）置位於北京（jīng）市西直門外大（dà）街（jiē）138號，總建築麵積22000平方米.是一個大型綜合性天文（wén）館（guǎn）。工程建築設計由美國王弄極建築師事物所和中國航天建築設計研究院聯（lián）合承擔完成。玻璃（lí）工程分成三個主要部分（fèn）：北（běi）立（lì）麵幕牆以及采光頂、馬鞍形玻璃通道、四個空（kōng）間鋼結構玻璃旋體。無論從設計（jì）和施工的技術難度都超乎（hū）想（xiǎng）象。(如圖1.1-a、b、c、d)
建築物（wù）由五層（céng）鋼筋混泥土結構、鋼結構、玻璃幕牆及采光頂、馬鞍形玻璃通道和四個各（gè）具（jù）象征意義的玻璃旋體組合而成。在四個玻璃旋（xuán）體內部分別（bié）布（bù）置多功能廳、動感（gǎn）影劇院、天（tiān）文觀測台等功能建築。在建築（zhù）物中部設置了一個由異形玻璃拚接的馬（mǎ）鞍形玻璃通道貫穿（chuān）整個建築，將北立麵的玻（bō）璃幕牆和南立麵的石（shí）材幕牆連接。其建築創意新穎、造型別致、層次分明，用玻璃與鋼結構的有機結合體現了過去與未來、藝術與自（zì）然的和諧統一。
1、2、北立麵幕（mù）牆和采光頂、屋頂玻璃體的構造
北立麵玻璃幕牆由於建築節能要（yào）求，玻璃采用8mm(鋼化（huà）)+12A(中空)+8mmLow-e(鋼化)玻璃，玻璃基本分割（gē）尺（chǐ）寸（cùn）為3000mmX1000mm。幕牆按橫明豎隱構造（zào）。幕牆結構係統采用了橫向由T型（xíng）鋼龍骨支托，既作為外（wài）視橫線條也作為玻璃麵板的水（shuǐ）平支承結構（gòu）。(如圖1.1-a)
在建築物北立麵幕牆與東、西立麵幕牆的銜接過渡處的弧形麵是由兩段不同半徑的（de）弧麵銜接過渡，避免通常情況下的直角銜接;在北立麵玻璃幕牆的西側，局部為凹（āo）球型玻璃表麵，而（ér）球麵與平麵銜接處為順滑過（guò）渡的空（kōng）間（jiān）三維（wéi）曲麵。其設（shè）計、加工及安裝難度，迄今為止均為國內幕牆業所不多見（jiàn）。整個建築物線條（tiáo）流暢合理，與周圍建築物益顯和諧。(如圖1.1-b、c)
北立麵幕牆結構按9m跨度布置18根ф800mm直經的（de）鋼管（guǎn）柱,為適應（yīng）玻璃幕牆的藝術造型（xíng），在18根直（zhí）徑為ф800mm、高度為30m，每根重量為9.9噸鋼立柱（zhù）中就有（yǒu）8根為彎曲鋼柱。由於鋼（gāng）管的直徑太大，彎曲孤線要求精度高，又是（shì）每（měi）根彎曲弧線不一致，給加工製作和現場安（ān）裝造成了很大的難度（dù）。經技術人員、施（shī）工人員多次試驗，克（kè）服了各種困難（nán），***後采用方案是：在後場分級熱彎剪裁（cái）成型;在現場放（fàng）樣逐級校正的辦（bàn）法。(圖1.2-b)
為（wéi）達到立麵通透的效果，在柱與柱之間的支承（chéng）結構上我們采用了9m跨的變載麵水平玻璃肋作為玻璃幕牆受風荷載的主要（yào）支承結構，用橫向玻璃肋與鋼方通的組合（hé）結（jié）構支撐（chēng）著有橫向線條（tiáo）的立麵玻璃，用φ12mm的鋼拉杆來保證玻璃肋的平麵處穩定，這在國（guó）內是首次（cì）使（shǐ）用的。為確保（bǎo）安全（quán），玻璃肋采用25.52mm的雙鋼化夾膠玻璃，用不鏽鋼夾板連接，並通過（guò）運（yùn）用ANSYS軟件作整體計算和幕牆三項性（xìng）能實體試驗證明（míng），該結構安全、合理。(如圖1.2-c)
采光頂采用隱框作法，玻璃為中空鋼化夾膠玻璃。排水坡度為3%。根（gēn）據建築物（wù）的功能要求設置（zhì）13個電動通風排（pái）煙窗。為避（bì）免夏季陽光的過度照射，在采光頂的室內我們設置了玻璃遮陽百頁。合理的節點設計和材料組合保證幕牆的功能要（yào）求。在（zài）屋麵的頂部，球形天文望（wàng）遠（yuǎn）鏡的周邊安裝了多個（gè）無（wú）使用功能的玻璃體造型，其結構都是由鋼結構支承的（de）點支式玻（bō）璃幕牆，實現的效果是在室內的玻璃旋體穿（chuān）透屋（wū）麵與天空相呼（hū）應(如圖1.2-d、e)2、節點設計2.1、馬（mǎ）鞍形玻璃通（tōng）道與南北立（lì）麵異形幕牆（qiáng）在建築物中（zhōng）部設置了一個由曲形鋼結構支撐，用360片不同尺寸、不同規格的雙曲（qǔ）麵熱彎夾膠玻（bō）璃拚接而成的馬鞍形玻璃通道（dào），這個通（tōng）道貫穿整（zhěng）個建築。它（tā）將北立麵的曲麵玻璃幕牆和南立麵的石材幕牆連接。它的特殊之處在於極具創造性的利用鋼結構和雙曲麵玻璃組（zǔ）成連續的（de）馬鞍形空間雙曲麵，實現了（le）一個（gè）富有想象力的夢幻空間（jiān）。(如圖（tú）2.1-a、b、c)
在南、北立麵的馬鞍通道入口處，由於外形和玻璃分割線所限，使鋼結構（gòu）龍骨的加工和玻璃的加工（gōng）安裝碰到很大的難題。固定玻璃的次龍骨是曲線形，而固定玻璃的槽口（kǒu）又要與玻璃的邊緣對應，這就出現了次龍骨為曲線扭曲形狀（zhuàng）;異（yì）形邊雙曲麵玻璃***大長度達3680mm×1200mm，這在國內玻璃加工業是從未遇到（dào）過的難題。經多次論證和試驗，確定了加工安裝方案。鋼龍骨的製作分兩步（bù）進行，首先（xiān）將龍骨的外形按設計（jì）要求的曲線製作成形，保證將誤差控製在±1.5mm之內，並預（yù）安裝到位，再（zài）按每隔100mm作一個與玻璃（lí）麵的切線對應點，確定扭（niǔ）曲度數並逐級校正成形，確保玻璃邊緣與龍骨槽口吻合。
在北立麵玻璃幕牆和（hé）馬鞍形玻璃通道入口的玻璃幕牆，采用了橫明（míng）豎（shù）隱的玻璃幕牆形式。幕牆結構係（xì）統采用（yòng）了橫向由T型鋼龍骨支（zhī）承，在外（wài）部增加了鋁合金裝飾扣條。使其既作為（wéi）外視橫線條也作為玻璃麵板的水平支承結（jié）構。圖2.1-d北立麵異形玻（bō）璃幕牆節點圖中（zhōng）所示的為大麵的基本節點，在轉角處和曲麵幕牆處的節點（diǎn）是（shì）在（zài）此基礎上進行了加強改造。(如圖2.1-d)
異形（xíng）雙曲麵玻璃的（de）加工采取每（měi）片玻璃對（duì）應一個鋼模具（jù）的辦法。用網格式空間模（mó）形確定玻璃下料尺寸。在模具（jù）製作時按網格橫（héng）線條的曲度將鋼管彎曲成（chéng）形。每隔100mm一根曲形鋼管並按網格（gé）的豎向線條曲度拚接成空間（jiān）雙曲麵模具，並預留出（chū）玻璃在燒製過程中回彈尺寸餘量，保（bǎo）證玻璃的曲麵偏差在±2.5mm之內，外形尺寸偏差在±3mm之內。經過嚴格（gé）的對加工製作、現場安裝每道工序控製，解決了一個又一個的技術難題，一個由360個鋼模具加工出來的尺寸各異、形狀不同的玻璃馬鞍體通道如期建（jiàn）成，******的達到了建築效果的要求。2.2、玻璃旋體異形幕牆四個各具特色空間玻璃旋體的共同特點是，在豎向坐標的一係列圓心隨著高度的（de）變化在空間不斷飄移，每一（yī）層玻璃水平分割線的圓心坐標（biāo）位置各不一樣，***大相差（chà）3670mm,並由半徑不斷變化的圓弧在（zài）空間組合形（xíng）成空間弧麵。旋體***高為38.5m並高出屋麵8.5m,異形玻璃的基本分割為1000mmx1000mm。四個空間玻璃旋體的的（de）玻璃麵板組合，都采用了上（shàng）下玻璃板塊對接，左右片錯位搭接的方案來實現獨特的建築藝術效（xiào）果。(如圖2.2-a、b、c、d)1號玻璃旋體的***大直徑為（wéi）24m，***小直徑為15.8m，總高度34m。玻璃為上下（xià）兩點支承，玻璃之間為開縫式，上下玻璃板塊對接，左右玻（bō）璃板塊錯位搭接（jiē）的連接方式，玻璃安裝（zhuāng）在旋體空（kōng）間鋼結構的外側。(如圖2.2-a、)
公司由一群才華橫溢經驗豐（fēng）富的熟練操作車、銑（xǐ）、磨（mó）、電（diàn）火花、線切割、數控設備操（cāo）作人員和經驗豐富的模具設計、裝配高級工程師組成的員工隊伍，全（quán）麵實現計算機輔助設計（PRE/UG./SLIDWORK）及計算機製造加工係統（CAD/CAE/CAM），運用（yòng）******的製造工藝和完善的質量控製流程，北京鋁合金（jīn）零件加工,北京軍工零件加工產品質量嚴格按照（zhào）ISO9000質量體係標準執行。
2號玻璃旋體的***大直徑為25m，***小（xiǎo）直徑為19.5m，總（zǒng）高度為34m，玻璃為上下兩點支承，玻璃之間為開縫式，上下玻璃板塊對接，左右（yòu）玻璃（lí）板塊錯位搭接的連接方式。玻（bō）璃板塊安裝在旋體空間鋼結構（gòu）的內側。(如圖2.2-b)3號玻璃（lí）旋體的截麵為大、小兩個圓相交，並分為室內、室外兩個部分。大圓***大直徑18m，小圓***小直徑13m，總高度為38.5m;玻（bō）璃板塊均為四點支承。玻璃板塊之間采用了上下玻璃板塊對接，左右玻璃板塊錯位搭（dā）接的（de）連（lián）接方式，在（zài）板（bǎn）塊之間打膠處理使之形成閉縫式連接。在室內的玻（bō）璃（lí）采用鋼化夾（jiá）膠玻璃，室外為中空鋼化玻璃。在3號旋（xuán）體（tǐ）的頂（dǐng）部也就是在屋麵（miàn）的上麵（miàn）設（shè）置了（le）點（diǎn）支（zhī）式斜麵玻璃采光頂。(如（rú）圖2.2-c)
4號旋體的截麵隨（suí）圓形，豎向支承結構和豎（shù）向玻璃縫均為螺旋式（shì），旋（xuán）體總高度為（wéi）32.8m，玻璃為上下兩點支承，玻璃（lí）之間為開縫式，上下玻璃（lí）板塊對接，左右玻璃（lí）板塊錯（cuò）位搭接的連（lián）接方式，玻璃安裝在旋體空間鋼（gāng）結構的外側。(如圖2.2-d)空間玻（bō）璃旋體（tǐ）鋼結構的設計、施工（gōng）難點在於結構空間組合的任意性.共計320根體（tǐ）形各異的鋼管需要進行空（kōng）間三維加工,其中主管為φ159X6mm，次管為120X60X5mm矩形管，結構與玻璃（lí）板麵是通過不鏽鋼爪件連接，安裝精度要求極高。在6200個（gè）玻璃安裝點上（shàng），每個（gè）點的尺寸誤差都必須控製在±2mm之內。在3號旋體玻璃與結構連接節點（diǎn）設計過程中（zhōng），經過設計人員對多個方案的反複論證，並經多次實驗解決了玻璃板塊之（zhī）間采（cǎi）用（yòng）上（shàng）下玻璃板塊對接，左右玻璃板塊錯位搭接的連接方式，在板塊之間（jiān）打膠處理使之形（xíng）成（chéng）閉縫式連接的特殊（shū）雙層（céng）玻（bō）璃點駁接節點也叫雙頭連接（jiē）駁接頭。解決了這（zhè）一難題（tí），該節點還（hái）申請了******實用新型專利，為（wéi）這類連（lián）接形（xíng）式找出了路子。(如圖2.2-e、f)
為解決技術難題，在設（shè）計中根據工程特點發明了新的節點（diǎn）並使用在本工程上（shàng）：雙頭連接駁接頭、可調式轉角支承爪件、雙層玻璃定位夾等，都是針對本工程（chéng）設計的特殊節點。既解決了設計於施工難題又滿足了建（jiàn）築造型的要求（qiú）。在結（jié）構設計上充分利用******的結構計算軟件建立四（sì）個旋體的空間模（mó）型，對旋體的每一（yī）條杆件都（dōu）進行靜力學和動力學的分析.確保（bǎo）結構（gòu）的安全性。由於造型的需要在1號、2號（hào）、4號玻璃旋體上玻璃板塊（kuài）為上下兩點支承，玻璃之間為開縫式，上（shàng）下玻璃板（bǎn）塊對接，左右玻璃板塊錯位搭接的連接方式來（lái）實現整個玻璃（lí）旋體的雙（shuāng）曲麵造型。由於玻璃板塊與（yǔ）旋體的空間鋼結構的連接是采用在玻璃板塊的（de）中部固定的,用玻璃板塊的上、下兩（liǎng）點來支承板塊所受（shòu）的荷載。這種連接方式雖然能解決了玻璃板塊自重和水平荷載的傳遞。(如圖2.2-h、i)但同（tóng）時又（yòu）出現了（le）板塊平麵外不穩定的問題。為了能在不增加（jiā）結構連接件的情況下，解（jiě）決玻璃板塊平麵（miàn）外（wài）固（gù）定的問題，我們專門為該項（xiàng）目設計了玻璃麵板卡扣式連接節（jiē）點，也叫（jiào）雙層玻璃定位（wèi）夾。(如圖2.2-g)
由於該結構體係（xì）為空間變（biàn）化（huà），形（xíng）體（tǐ）複雜，一方麵要保證龍骨結構視（shì）覺造（zào）型上的藝術性，另一（yī）方麵還要控（kòng）製鋼結構加工、安裝的誤差。在結構設計中采用專用3D建模軟件，準確確定弦體曲麵位置和結（jié）構的空間（jiān）參數，以保證施工圖設計和加工工藝的******度;工廠加工時采用了三維剛性胎模控製、檢測幾何尺寸（cùn）保證每根鋼（gāng）管的空間彎（wān）曲度;現場安裝時將每根鋼（gāng）管的電腦定（dìng）位座標（biāo）用（yòng）全（quán）站儀三維空（kōng）間定位，再用激光（guāng）經緯儀配合跟蹤測量，以確保玻璃（lí）安裝時（shí）準確無誤。在北京天文館新館玻璃幕牆和玻璃旋體施工中采用了多項新工藝、新材料、新技術，其難度之大精度之（zhī）高為國內鋼結構和幕牆的（de）設計、安裝所不多見的，其中許（xǔ）多地方都打破了常規（guī），為國內幕牆（qiáng）特殊異型鋼結構的安裝，積累了豐富的經驗。3、結束（shù）語近年來，異形（xíng）建築和異形幕牆在國內有了快速的發展，這就（jiù）為這些特殊幕牆節點的使用提供了一個更大的空（kōng）間，對幕牆工程師們在幕牆節點設計上提供了一個又一個的新的富有挑戰的課題。總結和介紹（shào）經（jīng）過十年（nián）考驗北京天文新（xīn）館項目的節（jiē）點設計和使用情況，目的在於為（wéi）今（jīn）天的幕牆工程師們在異形幕（mù）牆的節點設計中提出（chū）一個借鑒的方案。參考文獻[1]《玻璃幕牆工程技術規範》，中華人民共和行業規範,JGJ102-2003[2]王德勤，《北京天文館新（xīn）館幕牆結構相關技術》，鋁門窗幕牆論（lùn）文集，2005[3]王德勤，《北京天（tiān）文館（guǎn）設計與施工（gōng）技術》，建築技術，2005-9期[4]王德勤，《異型玻璃幕牆工程施工測量技術探討》，中（zhōng）國建築裝飾裝修，2005
來源:2014鋁（lǚ）門窗幕牆年會論文集
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