大跨度雙曲面玻璃幕墻設(shè)計

關(guān)鍵詞：大跨度；雙曲面；玻璃幕墻；設(shè)計分析 

abstract: this paper combining multiple engineering example hyperboloid of long glass curtain wall design several aspects, including the typical shanghai china maritime museum big span hypoid glass curtain wall design of technical problems, commonly used simulation analysis and calculation typical roof design and structure of hangzhou grand theatre material etc. 

key words: big span; hypoid; glass curtain wall; design analysis 

中圖分類號：s611文獻(xiàn)標(biāo)識碼：a 文章編號： 

引言 

由支承結(jié)構(gòu)體系和玻璃所組成的，能夠相對于主體結(jié)構(gòu)具有一定的唯一能力且不分擔(dān)主體結(jié)構(gòu)受到作用力的起到在建筑外圍維護(hù)的玻璃幕墻越來越廣泛的應(yīng)用于大跨度建筑之中。玻璃幕墻的結(jié)構(gòu)形式隨著工藝的不斷進(jìn)步發(fā)生著多元化的發(fā)展，其中雙曲面的結(jié)構(gòu)形式憑借其優(yōu)越的綜合性能受到了眾多設(shè)計的偏愛。本文針對大跨度雙曲面玻璃幕墻設(shè)計幾個方面解決的關(guān)鍵問題，結(jié)合具體的工程實(shí)例分別剖析，為相關(guān)設(shè)計項目提供參考。 

大跨度雙曲面超預(yù)應(yīng)力玻璃幕墻技術(shù)設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)難題 

上海市的博物館形象標(biāo)志形象工程中國航海博物館建筑外形效果為中央帆體大跨度，形似兩片風(fēng)帆，具有新穎、宏偉且富于視覺沖擊力。從空間角度看，其帆頁面裝飾工程所用玻璃幕墻采用立面大跨度雙曲面的預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)形式，空間弧度變化較大，寬度上下不等。該玻璃幕墻設(shè)計中出現(xiàn)的很多技術(shù)難題都是具有很強(qiáng)的典型代表性，對其的攻克對于整個大跨度雙曲面玻璃幕墻設(shè)計項目技術(shù)方面來講都具有很好的意義。 

立面上的大跨度雙曲面加上超預(yù)應(yīng)力設(shè)計需要，使得該項目的玻璃幕墻設(shè)計存在多方面的技術(shù)難題。超預(yù)應(yīng)力索網(wǎng)一方面需要成為玻璃幕墻支承的系統(tǒng)，另一方面要聯(lián)系起兩片帆頁的鋼結(jié)構(gòu)使其成為整體結(jié)構(gòu)，這就要求鋼索的形狀設(shè)計滿足工程中的玻璃幕墻安裝誤差精度要求，并且設(shè)計要使得其中始終存在預(yù)張拉應(yīng)力。要實(shí)現(xiàn)上述的設(shè)計目標(biāo)，就要綜合考慮航海博物館結(jié)構(gòu)的特征和施工可能會出現(xiàn)的問題，注意幾個關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)。首先，設(shè)計所用的計算模型不一定能夠毫無偏差的反應(yīng)真實(shí)的結(jié)構(gòu)，工程不可避免會有材料性能和制作安裝等方面的離散和偏異，而且該結(jié)構(gòu)復(fù)雜，施工中長期的內(nèi)力及形狀波動在設(shè)計中必須充分考慮。針對這個難題，玻璃幕墻設(shè)計方采用雙控制設(shè)計理論計算方法對位移及索力進(jìn)行分析計算，除了建立模型進(jìn)行分析之外，通過理論計算調(diào)和力與形狀之間的設(shè)計差異。其次，索端的預(yù)埋件設(shè)計存在難點(diǎn)，曲面索網(wǎng)結(jié)構(gòu)的中央帆體各個預(yù)埋件的定位設(shè)計精度要求非常高，因施工中可以控制的誤差僅能保證2cm，設(shè)計要盡量避免狹長空間出現(xiàn)錯亂，減少索網(wǎng)支撐點(diǎn)和幕墻的分格點(diǎn)測定難度。再次是索網(wǎng)形態(tài)的控制要實(shí)現(xiàn)設(shè)計的簡化處理，三維空間的大跨度集合完成雙曲面形態(tài)既需要保證拱形的曲率設(shè)計要求又要保證帆體內(nèi)彎曲效果。此外大跨度雙曲面玻璃幕墻的預(yù)應(yīng)力要充分給予設(shè)計控制，該項目初步設(shè)計為18根豎索56根橫索控制預(yù)應(yīng)力，技術(shù)設(shè)計階段要考慮施加預(yù)應(yīng)力順序和步驟可能造成的索力值影響，施工保證率情況。另外各玻璃面板間的連接設(shè)計也至關(guān)重要且是設(shè)計難點(diǎn)，柔性鋼索結(jié)構(gòu)和剛性玻璃面板的結(jié)合使得其連接設(shè)計需要角度和定位的嚴(yán)格準(zhǔn)確精度。 

解決了幾個設(shè)計技術(shù)難題并不代表航海博物館的玻璃幕墻設(shè)計達(dá)到了高規(guī)格的設(shè)計要求，要保證最終的設(shè)計能夠順利施工，得到良好的工程效果，必須模擬施工過程進(jìn)行前期計算指導(dǎo)。在充分分析大跨度雙曲面玻璃幕墻的索力相關(guān)性和設(shè)計難題之后，使用有限單元法分析計算軟件建立克服障礙后的超預(yù)應(yīng)力玻璃幕墻計算機(jī)模型對張拉方式、張拉順序、受力特點(diǎn)、位移控制、預(yù)應(yīng)力控制和綜合性能全面進(jìn)行模擬分析，準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)存在的設(shè)計瑕疵，使用更好的設(shè)計技術(shù)手段使其完美化。 

大跨度雙曲面屋頂設(shè)計通過模擬分析計算技術(shù)運(yùn)用 

圖1 杭州大劇院建筑設(shè)計效果圖 

上圖1所示杭州大劇院具有新穎獨(dú)特的外觀造型，倒置的大跨度雙曲面屋頂玻璃幕墻同橢球屋頂交錯布局，形成大劇院整體外輪廓的設(shè)計效果。由于杭州地區(qū)的地理位置特點(diǎn)和該玻璃幕墻設(shè)計項目的結(jié)構(gòu)特色，使得本設(shè)計抗風(fēng)模擬分析計算成為必須，該項目實(shí)驗研究工作由浙江大學(xué)的土木工程系建立風(fēng)洞試驗?zāi)Ｐ屯瓿裳芯�。該項目通過風(fēng)洞試驗去尋找大跨度雙曲面玻璃幕墻幾個重要的設(shè)計參數(shù)，是該領(lǐng)域較為先進(jìn)的研究方向。 

技術(shù)人員通過完成1：200的剛性模型制作構(gòu)建了閉口式的大試驗段，長度10m，截面的尺寸寬為3m、高為2m。對于小試驗段非別采用了開口和閉口兩種不同的形式，長為9m，截面的尺寸寬為1.2m、高為2m，模擬分析風(fēng)洞采用46m/s最高風(fēng)速。采用尖塔、粗糙元和擋板形式的風(fēng)洞模擬技術(shù)，能夠匹配各個試驗段所模擬出的同縮尺模型在不同地形地貌及大氣邊界氣流條件下的情況。經(jīng)過分析比較，考慮到大跨度雙曲面屋頂結(jié)構(gòu)的尺寸，最終確定采用風(fēng)洞大試驗段形式的模擬方式。風(fēng)速的測量系統(tǒng)之中，參考風(fēng)速采用微壓計和皮托管進(jìn)行測量及監(jiān)控，使用兩套測量系統(tǒng)并行測試。使用了a/d板、個人計算機(jī)、自主編制的軟件和風(fēng)速儀所組成系統(tǒng)測量和調(diào)試大氣邊界層處的風(fēng)場模擬環(huán)境。另一套記錄測量及數(shù)據(jù)處理的系統(tǒng)由a/d數(shù)據(jù)采集面板、個人計算機(jī)、機(jī)械掃描設(shè)備和信號采集及相關(guān)數(shù)據(jù)處理的軟件系統(tǒng)所組成。 

按照方案設(shè)計和初步設(shè)計得出建筑設(shè)計圖紙幾何要求，使用有機(jī)玻璃進(jìn)行模型制作，采用1:200的縮比尺寸，總的模型高度大概0.23m，縱方向長度0.85m，橫方向的長度0.68m，按照圖1效果模型制作。該模型最大的阻塞比都不大于6%，滿足了風(fēng)洞試驗的要求，所以試驗中所得到無量綱的參數(shù)能夠直接在建筑物實(shí)體中應(yīng)用。按照對稱性的要求，使用大跨度雙曲面屋頂和橢球屋頂玻璃幕墻一半進(jìn)行測點(diǎn)布置，在雙曲面屋頂?shù)谋砻嫣幉贾?27個測點(diǎn)，玻璃幕墻表面處布置103個測點(diǎn)，雨篷的上下表面處分別布置32個測點(diǎn)，入口處的圓臺上布置88個測點(diǎn)，總共布置測點(diǎn)382個。各個測點(diǎn)依據(jù)具體的尺寸要求使用外徑1.6mm不銹鋼的鋼管進(jìn)行埋設(shè)，測壓管在建筑物表面垂直設(shè)置，測壓管的一端同模型的表面要齊平，不允許有凹凸。地面粗糙度選用0.12的指數(shù)，采取50年一遇基本風(fēng)壓值0.45kn/m2，平均風(fēng)速取26.8m/s，風(fēng)洞口及粗糙單元實(shí)現(xiàn)剖面風(fēng)速及湍流模型模擬。 

經(jīng)過風(fēng)洞試驗的模擬分析，經(jīng)過計算得到了大跨度雙曲面玻璃幕墻處平均風(fēng)壓系數(shù)在0.51至0.543之間，風(fēng)壓值在0.489 kn/m2至0.521kn/m2之間；雙曲面屋頂最不利的風(fēng)向角為1800、600和00；脈動風(fēng)壓最大正向風(fēng)壓系數(shù)在1.002到1.146之間。對模型全面分析，確定該大跨度玻璃幕墻的設(shè)計采用最大正風(fēng)壓0.521 kn/m2，最大負(fù)風(fēng)壓值-1.261 kn/m2，對1800、1350、1050、600和00進(jìn)行二次設(shè)計驗算。