梅花形曲面玻璃幕墻設計

    無錫新區(qū)科技交流中心設計為梅花——無錫市市花，是一座富有時代感和科技特色的地標性建筑，建筑面積約36000m2，主體為鋼筋混凝土框架結構，平面布置布置（如圖1所示），地下1層，地上3層，局部4層，屋面結構層為鋼結構網(wǎng)殼，其外層為平滑連續(xù)起伏的金屬表面，檐口標高最矮處為129.m，最高處為31.2m。梅花形建筑立面的底部2層向內(nèi)收進，3層鋼平臺（9m標高處）沿建筑周邊挑出約5m作為景觀走廊。建筑主體外立面是夾板式點支玻璃幕墻，采用無孔的Low-E中空玻璃：厚度10+12A+10mm，弧形彎鋼化。晶瑩剔透的梅花形體點支式玻璃幕墻展開面積近10000m2。

    二、幕墻支承體系的方案設計

    針對梅花形曲面玻璃幕墻的工程特點，對支承結構體系進行了4個設計方案比較。設計過程中先后共提出過4種傳力體系設計方案：方案一為拉索吊掛體系；方案二為桁架吊掛體系；方案三為鋼柱支承體系；方案四為剛性挑梁支承體系。綜合對比分析建筑效果、結構傳力、幕墻變形、施工難度和工程造價5項主要內(nèi)容，最終幕墻支承結構體系設計選擇建筑效果簡潔大方的剛性挑梁支承體系（如圖2所示）：景觀走廊以上的幕墻豎向荷載傳遞給37根懸挑的牛腿梁，部分荷載由194根鋼管柱（Φ203×16）傳遞給地下室頂板；水平荷載由組合鋼柱和鋼管柱有效地傳遞給混凝土結構。將景觀走廊鋼平臺的徑向挑梁設計成“剛”性，選用I1000×300×30×16焊接工字形型鋼，同時將根部節(jié)點設計為“剛”性，選用H600×300×25×16的H型鋼短柱澆筑到主體混凝土圓柱內(nèi)，作為特殊的預埋件，如圖3所示：

    梅花形曲面玻璃幕墻的支承體系為超靜定結構，景觀走廊的懸挑鋼梁和其下方的鋼管柱是重要的受力構件，其變形將影響整個體系的受力和變形，由于懸挑梁和鋼管柱沿梅花形周邊布置，簡化的平面計算模型無法準確計算各構件的受力和變形，因此，采用SAP2000有限元分析軟件建立空間三維模型進行整體分析。荷載組合考慮7種主要控制工況進行強度驗算與剛度驗算。為了確保梅花形玻璃幕墻的結構體系空間穩(wěn)定，在景觀走廊上空的混凝土環(huán)梁處設置水平鋼結構支撐ZC1和ZC2（如圖4所示），由于“梅花”的花瓣尖端附近結構受力復雜，因此在該處采取密布水平支撐的構造措施。

    梅花形玻璃幕墻的面板體系設計主要考慮因素和相應的選擇：

    1. 考慮建筑效果的通透性，選擇無框的點支式玻璃面板體系，玻璃基本分格尺寸設計為b×h=1680mm×2400mm。

    2. 考慮建筑節(jié)能，設計選擇中空Low-E玻璃，根據(jù)熱工計算和力學計算，玻璃截面尺寸選擇為10+12a+10mm。

    3. 慮節(jié)材性和加工性，玻璃的固定形式采用夾板式。中空玻璃無須鉆孔，可以節(jié)能節(jié)材，降低造價。

    4. 考慮“梅花”造型的逼真，設計采用弧形彎鋼化中空玻璃以便與建筑外輪廓弧線吻合；同時考慮合理降低工程造價，在保證不影響視覺效果、保證弧線平滑過渡的前提下，部分采用平直玻璃。其選用原則為：弧線的矢高δ與弦長L的比值δ/L≥0.01時，選用弧形彎鋼化玻璃；δ/L<0.01時，選用平直玻璃。根據(jù)實物放樣確定，在“梅花”的每個花瓣尖端約40m范圍內(nèi)采用弧形彎鋼化玻璃（如圖5所示），其他部位選用平直玻璃。

    5．考慮中空玻璃沿弧形輪廓線安裝，玻璃之間的夾角會發(fā)生變化，且玻璃面板在水平荷載作用下應能夾板中產(chǎn)生轉大的轉動以釋放彎曲應力，在不銹鋼夾板中巧妙地設計了球鉸裝置（如圖6所示）：其主要配件有前后夾頭、前后夾板和緊固螺栓，后夾板的尾部安裝在支撐結構上，緊固螺栓將前、后夾板緊固在一起，前后夾頭為兩個同心的半球體，鉸接在夾板上。

    依據(jù)規(guī)范GB/T21086-2007的相關規(guī)定，梅花形玻璃幕墻的空氣滲透性能設計為3級要求，雨水滲漏性能亦設計為3級。大面的幕墻較容易保證氣密性和水密性，幕墻的上口封邊是設計的重點和難點，既要保證幕墻的物理性能達到國家規(guī)范要求，又要達到建筑立面的美觀要求。通過多方案對比分析，設計的防水系統(tǒng)構造包括：不銹鋼天溝、2㎜厚鋁板防水層、風琴板防水膠條等構件。雙曲面的蜂窩鋁板外包幕墻封口節(jié)點，使金屬屋面與玻璃幕墻自然過渡，確保建筑造型美觀，如圖7所示：

    通過對梅花形曲面玻璃幕墻的精心設計，選擇了合理的結構支承體系，保證了結構體系的簡潔和安全；恰當?shù)夭贾没⌒螐濅摶�中空玻璃和平直玻璃，既保證了幕墻的平滑過渡和美觀性的要求，又具有良好的經(jīng)濟性；巧妙的封口節(jié)點設計，確保了幕墻的物理性能，又滿足了建筑造型的美觀要求。