轉自：中國建築金屬結（jié）構雜誌
作者：王德勤
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1引言
在現代建築設計中,建築（zhù）師追求建築（zhù）外觀的新、奇、特藝術效果，出現了不少三維自由曲麵造型（xíng）的建築立麵。其基本表現手法（fǎ）是利用異形玻璃幕牆,通過對麵板曲麵的變化形式來表現的，這給了幕牆公司的（de）技術人員和科研研發，提出了不小的挑戰和巨大的契（qì）機。可以說，異形幕牆的出現和發展給了幕牆設計師們發揮其聰明才智的空間，促使建築幕牆的設計與施工（gōng）技術向前發展。本文想通過對經過（guò）時間考驗的實際工程項目使用過的成熟節點的介紹和分析（xī），進（jìn）一步提高我們對新的異形幕牆節點的設計和理解能力（lì）。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）到現在已有（yǒu）十多（duō）年的時間了。位於（yú）南、北立麵的夾膠中空玻璃雙曲麵幕牆和馬鞍形玻璃通道的異形夾膠玻璃麵板，已經經受到了時間的考驗。在該項目的異形幕牆（qiáng）中從玻璃幕牆（qiáng）到（dào）玻璃旋體造型。以及玻璃（lí）采光頂、屋頂玻璃體造型等相關於（yú）異形幕牆的特殊構造節點有二十種之多。由於節點設計的比較合理，針對性和可實施性（xìng）強（qiáng），對異形（xíng）玻璃幕牆的結構（gòu）安裝（zhuāng）和麵板安裝起到了決定（dìng）性的作用。使得雙曲麵的玻璃造型流暢順滑。本文對在北京天文館項目中（zhōng）使用的幾種特殊（shū）節點進行一下分析介紹（shào）。這些節點在近十多年（nián）中除本項目使用外，部分已經大量應用在（zài）其它的異形幕牆的項目中，成為通用的標準（zhǔn）節點，取得了良好的經濟效益和社會效（xiào）果。有些節點已經審請了專利，成為（wéi）被******認可的專利技術並取得了相應的專利證（zhèng）書，為幕牆行業技（jì）術的發展做出了貢獻。下麵（miàn），結合實際工程（chéng）案例作一些粗（cū）淺的解析（xī）。1.1、異形幕牆項（xiàng）目北京天文館新（xīn）館簡介北京（jīng）天文館新館的建築位置位於北京（jīng）市西（xī）直門外大（dà）街138號，總建築（zhù）麵積22000平方米.是一個大型綜合性天文館。工程（chéng）建築設計（jì）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合承擔完成。玻璃工程（chéng）分成三個主要部分：北立麵幕牆（qiáng）以及采光頂、馬鞍形玻璃通道、四個空間鋼結（jié）構玻璃旋體。無論從設（shè）計和施工的技術難（nán）度都超（chāo）乎想象。(如圖（tú）1.1-a、b、c、d)
建築物由五層（céng）鋼筋混泥土結構（gòu）、鋼結構、玻璃幕牆及采（cǎi）光頂、馬鞍形玻（bō）璃通道和四個各具象征意（yì）義（yì）的玻璃旋體（tǐ）組合而成。在四個玻璃旋體（tǐ）內部分別布置多功能廳、動感影劇院、天文觀測台等功能建築。在建築物中部設置（zhì）了一個由異形玻璃拚（pīn）接的馬鞍形玻璃通道貫穿整個建築，將北（běi）立麵的玻璃幕牆和南立麵的石材幕牆連接。其建築（zhù）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、藝術與自然的和諧統一。
1、2、北立麵幕牆（qiáng）和采光頂、屋頂玻璃（lí）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)+12A(中空)+8mmLow-e(鋼化)玻璃，玻璃基本分割尺寸為3000mmX1000mm。幕牆按（àn）橫明豎隱構造。幕牆結構係統采用了橫向由T型鋼龍骨支托（tuō），既作為外視橫線條也作為玻璃麵（miàn）板的水平支承結構。(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（dù）處的弧形麵是由兩段不同半徑的弧麵銜接過渡，避免通常情況下的直角銜（xián）接;在北立麵玻璃幕牆的西側，局部為凹球型玻璃表麵，而球麵與（yǔ）平麵銜接處為順滑過渡的空間三維曲麵。其設（shè）計、加工及安裝難度，迄今為止均為（wéi）國內幕牆業所不多（duō）見。整個建築物線條流暢合理，與周圍建築物益顯和諧。(如圖1.1-b、c)
北（běi）立麵幕牆結構按9m跨度布置18根（gēn）ф800mm直（zhí）經的鋼管柱,為適應玻（bō）璃幕牆的藝術造型，在18根直徑為ф800mm、高度為30m，每根重量為9.9噸鋼立柱中就有8根為彎曲（qǔ）鋼柱。由於鋼管的直徑（jìng）太大，彎曲孤線（xiàn）要求精度高，又是每根彎曲弧（hú）線（xiàn）不（bú）一致，給加工製作和（hé）現場安裝（zhuāng）造成了很大的難度。經技術人員、施工人員多次試驗，克服了各種困難，***後采用方案是：在後場分級熱彎剪裁（cái）成型;在現場放樣逐級校正的辦（bàn）法（fǎ）。(圖1.2-b)
為達到（dào）立麵通透的效果，在柱與柱之間的支承（chéng）結構上（shàng）我們采（cǎi）用了9m跨的變載麵水平玻璃肋作為玻（bō）璃幕牆（qiáng）受風荷載（zǎi）的（de）主要支承結構，用橫向玻（bō）璃肋與鋼方通的組合結（jié）構支撐著有橫向線條的立麵玻璃，用φ12mm的鋼拉（lā）杆來保（bǎo）證玻璃肋（lèi）的平麵處（chù）穩定，這在國內（nèi）是首次使用的。為確保安全，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（tǐ）計算和幕牆三（sān）項性能實（shí）體試驗證明，該結構安全、合理。(如圖1.2-c)
采光頂采用隱框作法（fǎ），玻璃為中空鋼化夾膠（jiāo）玻璃。排水坡度為3%。根（gēn）據建築物的功能要求設置13個電動通風排煙窗。為避（bì）免夏季陽光的過度照射，在采光頂的室內我們（men）設置了玻璃遮陽百頁（yè）。合理的節（jiē）點設計和材料組合保證幕牆的功能要求。在屋麵的頂（dǐng）部，球形天文望（wàng）遠鏡的周邊（biān）安裝（zhuāng）了多個無使用（yòng）功能的玻璃體造型，其結構都是（shì）由鋼結構支承的（de）點支式玻璃幕牆，實現的效果是在室內的玻璃旋體穿透屋麵與天空相呼應(如圖1.2-d、e)2、節點設計2.1、馬鞍形玻璃通道與南北立麵異形幕牆在建（jiàn）築（zhù）物（wù）中部設置了一個由曲形鋼結構支撐，用360片（piàn）不同尺寸（cùn）、不同規格（gé）的雙曲麵熱（rè）彎夾膠玻璃拚接而成的馬鞍形玻璃通道，這個通道（dào）貫穿整個建築。它將北立麵的曲麵玻（bō）璃幕牆（qiáng）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（lì）用鋼結構和雙曲麵玻璃組成連續的馬鞍形空間雙曲麵，實現了一個富有想象力的夢幻空間。(如圖（tú）2.1-a、b、c)
在南、北立麵的（de）馬鞍通道入口處，由於外形和玻璃（lí）分（fèn）割線所限，使鋼（gāng）結構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（bō）璃的槽口又（yòu）要與玻璃的邊緣對應，這就出現了次龍骨為曲線扭曲形狀;異形邊雙曲麵玻璃***大長度（dù）達3680mm×1200mm，這在國內玻璃加工業（yè）是從（cóng）未遇到過的難題。經多次論證和試驗，確定了加工安（ān）裝方案。鋼龍（lóng）骨的製作分兩步進行，首先將龍骨的外形按（àn）設計（jì）要求的曲線製作成形（xíng），保證將誤差控製在±1.5mm之內，並（bìng）預安裝到位，再（zài）按每隔100mm作一（yī）個與（yǔ）玻璃（lí）麵的切線對應點，確定扭曲度數並逐級校正成形，確（què）保玻璃邊緣與龍骨槽口吻合。
在北立麵玻（bō）璃幕（mù）牆（qiáng）和馬鞍形玻璃通道入口的玻璃（lí）幕牆（qiáng），采用了橫明豎隱的玻璃幕牆形式。幕牆結構係統（tǒng）采（cǎi）用（yòng）了橫向由T型鋼龍骨（gǔ）支承，在外部增加了鋁合金裝飾扣條。使其既作為外視橫線條也作為玻璃麵（miàn）板的水平（píng）支承結構。圖2.1-d北立麵異形玻璃幕牆節點圖中所示（shì）的為大麵的基本節點，在轉角（jiǎo）處和（hé）曲麵幕牆處的節點（diǎn）是在（zài）此基礎上進行了加強改造。(如圖2.1-d)
異（yì）形雙曲麵玻璃的加工采（cǎi）取每片玻璃對應一個鋼模具的辦法。用網格（gé）式空間模形確定（dìng）玻璃（lí）下料尺寸。在模具製作時按網格橫（héng）線條的曲度將鋼管彎曲成形。每隔100mm一根曲形鋼管並（bìng）按網格的（de）豎（shù）向線條曲度拚接成空間雙曲麵模具，並預留出玻（bō）璃（lí）在燒製（zhì）過程中回彈尺寸餘量，保證玻璃的曲麵偏（piān）差在（zài）±2.5mm之內，外形尺寸偏（piān）差（chà）在±3mm之（zhī）內。經過嚴格的對加工製作、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（gè）鋼模具加工出來的（de）尺寸各異、形狀不同（tóng）的玻璃馬鞍體通道如期建成（chéng），******的達到（dào）了建築效果的要求。2.2、玻璃旋體異形幕牆四個各具特（tè）色空間玻璃旋體的（de）共同特點是，在豎向坐標的一係列圓心隨著（zhe）高度的變化在空間不斷飄移，每一（yī）層玻璃（lí）水平分割（gē）線的圓心坐標位置（zhì）各不一樣，***大相差3670mm,並由半徑（jìng）不斷變化的圓弧在空間組合形成空間弧麵。旋體***高為38.5m並（bìng）高出屋（wū）麵8.5m,異形玻璃的基本分割為1000mmx1000mm。四個空間玻璃旋體的的玻璃麵板組合，都采用了上下玻璃（lí）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果。(如圖2.2-a、b、c、d)1號玻璃旋（xuán）體的***大直徑為24m，***小直徑為15.8m，總高度34m。玻璃為上下兩點支承，玻璃之間為開（kāi）縫式，上（shàng）下玻璃（lí）板塊對接，左（zuǒ）右玻（bō）璃板塊錯位搭接（jiē）的連接方式，玻璃安裝在旋體空間鋼結構的外側。(如圖2.2-a、)
公司由一群才華橫溢經驗豐富的熟練操作車、銑、磨、電（diàn）火（huǒ）花、線切割、數控（kòng）設備操作人員和經驗豐富（fù）的模具設計、裝配高級工程師組成的員工隊伍，全麵實現計算機輔助設計（PRE/UG./SLIDWORK）及計算機（jī）製造加工係統（tǒng）（CAD/CAE/CAM），運（yùn）用（yòng）******的製造工（gōng）藝和完善（shàn）的質量控製流程，北（běi）京鋁合金零件加工（gōng）,北京軍工零件加工（gōng）產品（pǐn）質量嚴格按（àn）照ISO9000質量體（tǐ）係標準執行。
2號玻璃旋體的***大直（zhí）徑為（wéi）25m，***小直徑（jìng）為19.5m，總高度為（wéi）34m，玻（bō）璃為上下兩點支承，玻璃之間為開縫式，上下玻璃板塊對接，左右玻璃板塊錯位搭接的連接方式。玻璃板塊安裝在旋體空（kōng）間鋼結（jié）構的內側。(如圖（tú）2.2-b)3號玻璃旋體的截（jié）麵為大、小兩個圓相交，並分為室內（nèi）、室外兩個部分。大圓***大直徑18m，小圓***小直徑13m，總高度（dù）為38.5m;玻（bō）璃板塊均為（wéi）四點支承。玻璃板（bǎn）塊（kuài）之間采用了上下玻璃板塊對接，左右玻璃板塊錯位（wèi）搭接的連接方式（shì），在板塊之間打膠處理使之形成閉縫式連接。在室內的玻璃采用鋼化夾膠玻璃，室外為中空鋼化玻璃。在3號旋體的頂部也就是在屋（wū）麵（miàn）的上（shàng）麵設置了點支式斜麵玻（bō）璃采光頂。(如圖2.2-c)
4號旋體的截麵隨圓形（xíng），豎（shù）向（xiàng）支承結構和豎向玻璃縫均為螺旋式，旋體總高度為32.8m，玻璃為上下兩點支承，玻璃（lí）之間為開縫式，上下玻璃板塊對（duì）接，左右玻璃板塊錯位搭接的連接方（fāng）式，玻璃安裝在旋體空間鋼結構的外側。(如圖2.2-d)空間玻璃旋體鋼結構的設計、施工難點在於結構空間組合的（de）任意（yì）性.共計320根體形各異的鋼管需要（yào）進行空間三（sān）維加工,其中（zhōng）主管為φ159X6mm，次（cì）管為120X60X5mm矩形管，結構（gòu）與玻璃板麵是通過不鏽（xiù）鋼爪件連接，安裝精度要求極高。在6200個玻璃（lí）安裝點（diǎn）上，每個（gè）點的（de）尺寸誤差都（dōu）必須控製在±2mm之內。在3號旋體玻璃與結構連接節點設計過程中，經過設計人員對多個方案的反（fǎn）複論證，並經多次實驗解決了玻璃（lí）板塊之間采用上下玻璃板塊對接（jiē），左右玻璃板塊（kuài）錯位搭接的連接方式（shì），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駁接節點（diǎn）也叫雙頭連接駁接頭。解決了這一難題（tí），該節點還申請了******實用新型專（zhuān）利，為（wéi）這類連接形式找（zhǎo）出了路子。(如圖2.2-e、f)
為解決技術難題，在設計中根據工程特點發明了新的節點並使用在本工程上：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（dōu）是針對本工程（chéng）設計的特殊節點。既解（jiě）決了設計（jì）於施工（gōng）難題又滿（mǎn）足了建築造型的要求。在結（jié）構設計上充分利用******的結構計算軟件建立（lì）四個（gè）旋體的空間模型，對旋體的每一條杆件都進行靜力學和動（dòng）力學的（de）分析.確保結構的安全性。由於造型的需要在1號、2號、4號玻璃（lí）旋體上（shàng）玻璃板塊為上下兩點支承，玻璃之間為開（kāi）縫式，上下玻璃板塊對（duì）接，左右玻璃（lí）板塊錯位搭接的連接方式（shì）來實現整個玻璃旋體的雙曲麵造型。由於玻璃板塊與旋體的空間鋼結構的連接是采（cǎi）用在玻璃板塊的中（zhōng）部固定的,用玻璃板塊的上、下兩點來支承板塊所受的（de）荷載。這種連接方式雖然能解（jiě）決了玻璃板塊自重和水平荷載的傳遞。(如圖（tú）2.2-h、i)但（dàn）同時又出現了板塊平（píng）麵外不穩定的問題（tí）。為了能在不增加結構連接件的情況下，解決玻璃板塊平麵外固定的問題，我們專門為該項目設計了玻璃麵板卡扣式連接節點，也叫雙層玻璃定位夾。(如圖2.2-g)
由（yóu）於該結構體（tǐ）係為空間（jiān）變化，形（xíng）體（tǐ）複（fù）雜，一方（fāng）麵要保證龍骨結構視覺造型上的藝術性，另一方麵還要控製鋼結構加工、安裝的誤差。在結構設計中采用專用3D建模（mó）軟件，準確確定弦體（tǐ）曲麵（miàn）位置（zhì）和結（jié）構的空間參數，以保證施工圖設計和加工工藝的******度（dù）;工廠加工時采用（yòng）了三維剛（gāng）性胎模控製、檢測幾何尺寸保證（zhèng）每根鋼管的空間彎曲度;現場安裝時將每根鋼管的電腦定位座標用全站儀三維空（kōng）間定（dìng）位，再用激（jī）光經緯儀配合跟蹤測量，以（yǐ）確保玻璃安裝時（shí）準確無誤（wù）。在北京天文館新館玻璃幕牆和玻璃（lí）旋體施（shī）工中采用了多項新工藝、新材料、新技術，其難（nán）度之大精度之高為（wéi）國內鋼結構和幕牆的設（shè）計、安裝所不多（duō）見的，其（qí）中許多地方都打破了常規，為國內幕牆特殊異型鋼結構的安（ān）裝，積累了豐富的經驗。3、結束語近年來，異形建築和異（yì）形（xíng）幕牆在國內有了快速的（de）發展，這就為這些特殊幕牆（qiáng）節點的使用提供了一個更大的空間（jiān），對幕牆工程師們在（zài）幕牆節點設計上提（tí）供了一（yī）個又一個的新（xīn）的富（fù）有挑戰的（de）課題。總結和介紹經過十年考驗北京（jīng）天文新館項目的節（jiē）點設計和使用情況，目的（de）在於為今天的幕牆工程（chéng）師們在異形幕牆的節點設計中提出一個借鑒的方案。參考文獻[1]《玻璃幕牆工（gōng）程技術規範》，中華人民共和行業（yè）規範,JGJ102-2003[2]王德勤，《北京天文館（guǎn）新館幕牆結（jié）構相關技術》，鋁門窗幕牆（qiáng）論文集，2005[3]王德勤，《北京天文（wén）館設計與施工技術》，建築（zhù）技術，2005-9期[4]王德勤，《異型玻璃幕牆工程施工測量技術探（tàn）討》，中國建築裝飾裝修，2005
來源:2014鋁門（mén）窗幕牆年會論文（wén）集
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