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提要：本文對(duì)異形玻璃幕墻及采光頂、自由曲面玻璃體等具有雙曲面玻璃造型的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)項(xiàng)目，在節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)和施工中碰到的技術(shù)難題及解決方案作了詳細(xì)的介紹，特別是對(duì)特殊節(jié)點(diǎn)在實(shí)際工程中的處理作了闡述。這些節(jié)點(diǎn)在二十多年的使用和運(yùn)行中已經(jīng)經(jīng)受了考驗(yàn)，狀態(tài)良好。部分節(jié)點(diǎn)已經(jīng)應(yīng)用在各種的異形幕墻的項(xiàng)目中，對(duì)異形玻璃幕墻的結(jié)構(gòu)制作和面板安裝起到了重要的作用。使得雙曲面的玻璃造型流暢順滑，很好的實(shí)現(xiàn)了異形曲面的建筑效果。
關(guān)鍵詞：異形玻璃幕墻，平板擬雙曲，單曲板擬雙曲面， 雙曲面異形玻璃。
1引言
建筑外觀的新、奇、特藝術(shù)效果，出現(xiàn)了不少三維自由曲面造型的建筑立面。其基本表現(xiàn)手法是利用通透的異形玻璃這種媒介,通過對(duì)玻璃面板曲面的變化形式來表現(xiàn)的，這就給了建筑幕墻（詞條“建筑幕墻”由行業(yè)大百科提供）的技術(shù)人員和科研研發(fā)提出了不小的挑戰(zhàn)和巨大的契機(jī)�？梢哉f，異形幕墻的出現(xiàn)和發(fā)展給了幕墻設(shè)計(jì)師們發(fā)揮其聰明才智的空間，促使建筑幕墻的設(shè)計(jì)與施工技術(shù)向前發(fā)展。
本文想通過對(duì)實(shí)際工程項(xiàng)目使用過，經(jīng)過時(shí)間考驗(yàn)的成熟節(jié)點(diǎn)的介紹和分析，進(jìn)一步提高我們對(duì)異形玻璃幕墻節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)和理解能力。
1.1、 雙曲面異形幕墻工程案例(多塊雙曲面玻璃組拼而成的自由曲面)
異形曲面玻璃幕墻的形式很多，有由多塊雙曲面玻璃組拼而成的自由曲面玻璃幕墻，如北京長(zhǎng)安中心的索結(jié)構(gòu)雙曲面玻璃體。北京天新文館南北立面入口處的雙曲面玻璃洞口，和馬鞍體玻璃通道的異形自由曲面夾膠玻璃等。
1.1.A、本文所要提到的第一個(gè)項(xiàng)目是北京長(zhǎng)安中心的索結(jié)構(gòu)雙曲面玻璃體。該案例是我在2005年完成的一項(xiàng)預(yù)應(yīng)力索結(jié)構(gòu)支承自由曲面玻璃幕墻的探索。其支承結(jié)構(gòu)是利用水平布設(shè)的反向預(yù)應(yīng)力（詞條“應(yīng)力”由行業(yè)大百科提供）支承索桁架結(jié)構(gòu)與單向單索結(jié)構(gòu)組合形成自由曲面玻璃幕墻。其水平跨度為24m。豎向?yàn)閱蜗騿嗡髦С凶畲蟠怪笨缍葹?m ，幕墻結(jié)構(gòu)的受力特征為豎向單索首先承受水平風(fēng)荷載，再傳遞給橫向水平鋼索桁架，由橫向水平鋼索桁架交給鋼結(jié)構(gòu)，最后傳遞到地面或者建筑主體結(jié)構(gòu)。
在實(shí)際工程中，空間曲面玻璃面板的支承結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，除異型鋼結(jié)構(gòu)外也可以通過索、桿的空間合理布設(shè)，將鋼索布置出個(gè)性鮮明的造型，形成合理的受力體系。通過點(diǎn)支式玻璃連接系統(tǒng)來支承雙曲面玻璃面板，形成建筑造型中理想的自由曲面。(如圖1.1A-a、b、c、)
1.1.B、北京天新文館南北立面入口處和馬鞍體玻璃通道，是典型的雙曲面玻璃幕墻。從工程竣工到現(xiàn)在已有近二十年的時(shí)間了。位于南、北立面的夾膠中空玻璃雙曲面幕墻和馬鞍形玻璃通道的異形夾膠玻璃面板，已經(jīng)經(jīng)受到了時(shí)間的考驗(yàn)。
在該項(xiàng)目的異形幕墻中從玻璃幕墻到玻璃旋體造型。以及玻璃采光頂（詞條“玻璃采光頂”由行業(yè)大百科提供）、屋頂玻璃體造型等相關(guān)于異形幕墻的特殊構(gòu)造節(jié)點(diǎn)有二十種之多。由于節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的比較合理，針對(duì)性和可實(shí)施性強(qiáng)，對(duì)異形玻璃幕墻的結(jié)構(gòu)安裝和面板安裝起到了決定性的作用。使得雙曲面的玻璃造型流暢順滑。(如圖1.1B-a、b、c、)
1.1.C、壽光文化中心玻璃橢球形劇場(chǎng)(由單曲板擬合雙曲面玻璃幕墻的典型項(xiàng)目)的長(zhǎng)軸是60米短軸為40米 由多根相互平行的立柱支撐在8米高的空中。球形劇場(chǎng)的一端是通過通道與大堂連接，球形劇場(chǎng)的結(jié)構(gòu)是由鋼管通過經(jīng)緯線的布置形成的球殼。外層的玻璃是中空彩釉夾膠熱彎玻璃，是典型的“單曲板擬雙曲面”的做法。(如圖1.1C照片)
整個(gè)橢球體外飾面的雙曲面玻璃是通過彩釉點(diǎn)密度的變化實(shí)現(xiàn)透光率（詞條“透光率”由行業(yè)大百科提供）的變化。玻璃與鋼結(jié)構(gòu)的連接節(jié)點(diǎn)是通過玻璃之間的空隙將內(nèi)片玻璃固定在結(jié)構(gòu)上，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械連接的隱框效果。
1.2、異形幕墻項(xiàng)目平板擬雙曲面(采取平板擬雙曲面的做法)
北京天文館新館內(nèi)的四個(gè)空間鋼結(jié)構(gòu)玻璃旋體。無論從設(shè)計(jì)和施工的技術(shù)難度都超乎想象，采用了上下玻璃板塊對(duì)接，左右玻璃板塊錯(cuò)位搭接的連接方式。其曲率半徑變化不同，都是典型的平板擬雙曲面的工程案例。(如圖1.2A-a、b、c、d)
北京天文館新館的整體建筑物由五層鋼筋混泥土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、玻璃幕墻及采光頂、馬鞍形玻璃通道和四個(gè)各具象征意義的玻璃旋體組合而成。四個(gè)玻璃旋體的最大直徑為25m，最小直徑為13米，總高度為38.5m;旋體的玻璃為上下兩點(diǎn)支承和邊部四點(diǎn)支承，玻璃之間為開縫式，上下玻璃板塊對(duì)接，左右玻璃板塊錯(cuò)位搭接的連接方式。其建筑創(chuàng)意新穎、造型別致、層次分明，用玻璃與鋼結(jié)構(gòu)的有機(jī)結(jié)合體現(xiàn)了過去與未來、藝術(shù)與自然的和諧統(tǒng)一。
哈爾濱大劇院是哈爾濱標(biāo)志性建筑，劇院的設(shè)計(jì)力圖從劇院、景觀、廣場(chǎng)和立體平臺(tái)多方位給市民及游人提供不同的空間感受。考慮到觀演和觀光的需要， 大劇場(chǎng)采用了世界首創(chuàng)的將自然光引入劇場(chǎng)的方式，豐富了非演出時(shí)段的照明方式，創(chuàng)造了節(jié)能環(huán)保新模式;
劇場(chǎng)中部采光頂?shù)牧骶�造型與建筑外造型的整體風(fēng)格相統(tǒng)一。其群錐式玻璃采光頂?shù)牟Ａ耆捎昧?a target='_blank' style='font-size:1em; border-bottom:1px dotted blue;'>平板玻璃（詞條“平板玻璃”由行業(yè)大百科提供）折線拼接的方式塑造出高低起伏群體堆積大流線的視覺效果。(如圖1.2B)
更為典型的采取平板擬雙曲面玻璃幕墻是鳳凰衛(wèi)視北京總部大樓。屹立在朝陽公圓旁，外型有些奇特，有人說造型像個(gè)‘窩’，建筑的大小線條都是螺旋立體雙曲線。這個(gè)整體雙曲面的建筑幕墻，是采用了鋁合金框架型材支承，平板玻璃折線安裝的工藝方案成型的，是典型的“平板擬雙曲面”玻璃幕墻。建筑具有極強(qiáng)的視覺震撼效果。(如圖1.2C、D、E)
2、異形玻璃幕墻節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)
這類玻璃幕墻的節(jié)點(diǎn)可以說在每個(gè)項(xiàng)目都會(huì)由于外形的變化而有所不同，都需要進(jìn)行具體分析對(duì)連接節(jié)點(diǎn)的功能適應(yīng)性作單獨(dú)設(shè)計(jì)。其設(shè)計(jì)的基本原則是，有效的傳遞荷載，將面板與支承結(jié)構(gòu)之間有機(jī)的結(jié)合，使得支承體系在穩(wěn)定的同時(shí)能適應(yīng)多角度的荷載變化對(duì)幕墻曲面帶來的影響。還要充分考慮到其視覺效果，造型美觀有一定的觀賞性。
2.1、雙曲面異形幕墻節(jié)點(diǎn)應(yīng)用案例
2.1.1、北京天文館在南、北立面的馬鞍通道入口處，由于外形和玻璃分割線所限，使鋼結(jié)構(gòu)龍骨的加工和玻璃的加工安裝碰到很大的難題。固定玻璃的次龍骨是曲線形，而固定玻璃的槽口又要與玻璃的邊緣對(duì)應(yīng)，這就出現(xiàn)了次龍骨為曲線扭曲形狀;異形邊雙曲面玻璃最大長(zhǎng)度達(dá)3680mm×1200mm，這在當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)的玻璃加工業(yè)是從未遇到過的難題。突破難題的方案是在異形雙曲面玻璃的加工時(shí)采用網(wǎng)格式空間模形確定玻璃下料尺寸。在模具（詞條“模具”由行業(yè)大百科提供）制作時(shí)按網(wǎng)格橫豎向線條的曲度將鋼管加工彎曲（詞條“彎曲”由行業(yè)大百科提供）成形并組拼成型。(如圖2.1.1-a、b)
幕墻結(jié)構(gòu)系統(tǒng)采用了橫向由T型鋼龍骨支承，在外部增加了鋁（詞條“鋁”由行業(yè)大百科提供）合金裝飾扣條。使其既作為外視橫線條也作為玻璃面板的水平支承結(jié)構(gòu)。北立面異形玻璃幕墻節(jié)點(diǎn)圖中所示的為大面的基本節(jié)點(diǎn)，在轉(zhuǎn)角處和曲面幕墻處的節(jié)點(diǎn)是在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了加強(qiáng)改造。(如圖2.1.1-c、d)
在旋體玻璃與結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)過程中，玻璃板塊之間采用上下玻璃板塊對(duì)接，左右玻璃板塊錯(cuò)位搭接的連接方式，在板塊之間打膠處理使之形成閉縫式連接的特殊雙層玻璃點(diǎn)駁接節(jié)點(diǎn)也叫“雙頭連接駁接頭”解決了這一難題。該節(jié)點(diǎn)還申請(qǐng)了國(guó)家實(shí)用新型專利，為這類連接形式找出了路子。(如圖2.1.1-e、f)
為解決技術(shù)難題，在設(shè)計(jì)中根據(jù)工程特點(diǎn)發(fā)明了新的節(jié)點(diǎn)并使用在本工程上：“雙頭連接駁接頭”、“可調(diào)式轉(zhuǎn)角支承爪件”、“雙層玻璃定位夾”等，都是針對(duì)本工程設(shè)計(jì)的特殊節(jié)點(diǎn)。既解決了設(shè)計(jì)于施工難題又滿足了建筑造型的要求。 在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上充分利用先進(jìn)的結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件建立四個(gè)旋體的空間模型，對(duì)旋體的每一條桿件都進(jìn)行靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)的分析.確保結(jié)構(gòu)的安全性。
由于造型的需要在玻璃旋體上也有玻璃板塊為上下兩點(diǎn)支承的玻璃旋體的雙曲面造型。由于玻璃板塊與旋體的空間鋼結(jié)構(gòu)的連接是采用在玻璃板塊的中部固定的,用玻璃板塊的上、下兩點(diǎn)來支承板塊所受的荷載。(如圖2.1.1- g)
這種連接方式雖然能解決了玻璃板塊自重和水平荷載（詞條“水平荷載”由行業(yè)大百科提供）的傳遞,但同時(shí)又出現(xiàn)了板塊平面外不穩(wěn)定的問題。為了能在不增加結(jié)構(gòu)連接件（詞條“連接件”由行業(yè)大百科提供）的情況下，解決玻璃板塊平面外固定的問題，我們專門為該項(xiàng)目設(shè)計(jì)了玻璃面板卡扣式連接節(jié)點(diǎn)，也叫“雙層玻璃定位夾”。 (如圖2.1.1- h、i )
在北京天文館新館玻璃幕墻和玻璃旋體施工中采用了多項(xiàng)新工藝、新材料、新技術(shù)，其難度之大精度之高為國(guó)內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)和幕墻的設(shè)計(jì)、安裝所不多見的，其中許多地方都打破了常規(guī)，為國(guó)內(nèi)幕墻特殊異型鋼結(jié)構(gòu)的安裝，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。
2.1.2、壽光文化中心玻璃橢球形劇場(chǎng)的隱框曲面玻璃幕墻是采用了“隱形夾板式連接裝置”。該連接裝置結(jié)構(gòu)包括母座、轉(zhuǎn)接件、托板件、銷軸、壓板、緊定螺釘等;安裝時(shí)將母座固定在支撐結(jié)構(gòu)上，轉(zhuǎn)接件通過螺紋旋入母座中，托板件通過銷軸和鎖緊螺母固定在轉(zhuǎn)接件上。壓板裝在中空玻璃的空腔內(nèi)，壓板上裝有橡膠（詞條“橡膠”由行業(yè)大百科提供）壓條，在中空玻璃空腔內(nèi)設(shè)置有鋁槽，中空玻璃安裝后，壓板通過連接螺釘固定在托板上，壓板壓合在鋁槽上將玻璃面板固定。
這種用于橢球體全隱框曲面玻璃板固定的節(jié)點(diǎn)，發(fā)明后立即應(yīng)用在了壽光文化中心玻璃橢球形劇場(chǎng)上。解決了曲面板四點(diǎn)不共面的固定安裝難題。該節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)了國(guó)家發(fā)明專利專(利號(hào)：ZL 2008 1 0024546.5)(如圖2.1.2- a、b )
在這里想強(qiáng)調(diào)的是，這種“隱形夾板式連接裝置”在使用過程中應(yīng)該注意內(nèi)片玻璃應(yīng)該是夾層玻璃其受力體系為點(diǎn)支承受力。
2.1.3、北京長(zhǎng)安中心的索結(jié)構(gòu)雙曲面玻璃體。由于本項(xiàng)工程的外形是采用不規(guī)則的雙曲面體，支承結(jié)構(gòu)又是不對(duì)稱的魚尾式索桁架和豎向單索結(jié)構(gòu)，再加上主體結(jié)構(gòu)只能承擔(dān)水平荷載不能承受豎向力，這就要求每個(gè)節(jié)點(diǎn)夠造都要適應(yīng)結(jié)構(gòu)性能的要求。
豎向索的頂部節(jié)點(diǎn)比較復(fù)雜，由于受力變形的要求鋼索與鋼桁架的連接節(jié)點(diǎn)必須能夠在鋼索受水平荷載變位時(shí)自由轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)又要能吸收索材料的軸向長(zhǎng)度誤差和安裝誤差。我們?cè)诖颂幇惭b了球形腳支座和誤差調(diào)節(jié)器。
由于水平索桁架的鋼索內(nèi)力極大，在設(shè)計(jì)時(shí)采用了雙索同時(shí)受力的方案。為了解決雙拉索（詞條“拉索”由行業(yè)大百科提供）與桿的在工作狀態(tài)時(shí)能牢固連接又能相對(duì)位移，設(shè)計(jì)了特殊節(jié)點(diǎn)(如圖2.1.3-a、b、c)
3、結(jié)束語
近年來，異形建筑和異形幕墻在國(guó)內(nèi)有了快速的發(fā)展，這就為這些特殊幕墻節(jié)點(diǎn)的使用提供了一個(gè)更大的空間，對(duì)幕墻工程師們?cè)谀粔?jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)上提供了一個(gè)又一個(gè)的新的富有挑戰(zhàn)的課題�？偨Y(jié)和介紹過去二十年來，我所經(jīng)歷的雙曲面異形玻璃幕墻項(xiàng)目在特殊節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)施工技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。旨在為了給新的，更復(fù)雜的異形項(xiàng)目在節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與施工時(shí)提供有針對(duì)性的參考。為幕墻設(shè)計(jì)師們利用當(dāng)今數(shù)字化高科技的手段解決技術(shù)難題提供借鑒的方案和依據(jù)。
文章中所涉及的項(xiàng)目都已經(jīng)經(jīng)受了時(shí)間的考驗(yàn)。北京天文新館項(xiàng)目、壽光文化中心玻璃橢球形劇場(chǎng)、哈爾濱大劇院群錐式玻璃采光頂、鳳凰衛(wèi)視北京總部大樓、北京長(zhǎng)安中心的索結(jié)構(gòu)雙曲面玻璃體項(xiàng)目都已經(jīng)成為當(dāng)?shù)氐牡浞豆こ毯?a target='_blank' style='font-size:1em; border-bottom:1px dotted blue;'>地標(biāo)項(xiàng)目。應(yīng)該是雙曲面異形玻璃幕墻可以借鑒的樣板。
參考文獻(xiàn)
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作者單位：北京德宏幕墻工程技術(shù)科研中心
