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提要：本文主要介紹了在我國(guó)首次采用的五跨豎向連續(xù)受力拉索（詞條“拉索”由行業(yè)大百科提供）結(jié)構(gòu)體系的預(yù)應(yīng)力施加、控制和檢測(cè)，以及曲面幕墻的空間定位、安裝精度控制等。回顧深圳市少年宮弧形索結(jié)構(gòu)玻璃幕墻在二十年前設(shè)計(jì)與施工時(shí)總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)，介紹了一種經(jīng)過(guò)多年實(shí)際使用安全可靠的玻璃幕墻支承體系的索桁架形式，“魚尾式索桁架”的工作狀態(tài)及設(shè)計(jì)與安裝。
關(guān)鍵詞：預(yù)應(yīng)力索桁架 魚尾式索桁架 預(yù)應(yīng)力超張拉 配重檢測(cè)。
1、引言
在2020年10月份，我有機(jī)會(huì)去了一趟正在開放營(yíng)運(yùn)中的“深圳少年宮”。我被那里豐富多彩的活動(dòng)和小朋友們井然有序的秩序所打動(dòng)。我這個(gè)年齡的人對(duì)兒童有著一種特殊的親切感，我對(duì)這棟玻璃建筑更有著深刻的印象。
深圳少年宮位于深圳市福田中心區(qū)，建筑面積5.29萬(wàn)平方米，工程由少年山、科學(xué)山和水晶石大廳組成。水晶石大廳在整個(gè)建筑中部，外形為直徑50m，高30m,的弧形玻璃幕墻。其主要支承結(jié)構(gòu)是由φ18mm不銹鋼鉸線經(jīng)預(yù)張拉形成的雙層索系索桁架。這個(gè)項(xiàng)目建成于2001年11月并投入使用。
隨著空間索結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（詞條“結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”由行業(yè)大百科提供）與施工技術(shù)的發(fā)展，許多新思想、新技術(shù)、新材料和新工藝被開發(fā)出來(lái)，并成功應(yīng)用到建筑外圍護(hù)的設(shè)計(jì)和建造上。從而使建筑幕墻、玻璃采光頂以及由建筑玻璃為載體的各種大型,有著強(qiáng)烈藝術(shù)感染力的造型體，在近年來(lái)獲得飛速的發(fā)展。這些技術(shù)給建筑設(shè)計(jì)師們提供了有著很高現(xiàn)代技術(shù)含量的藝術(shù)表現(xiàn)手段。在建筑藝術(shù)的塑造上得到了廣泛的應(yīng)用。
作為不斷發(fā)展中的前沿建筑技術(shù)，索結(jié)構(gòu)是一種較活躍的結(jié)構(gòu)類型。工程師們充分發(fā)揮鋼材抗拉性能好的特性，利用對(duì)鋼索的各種布設(shè)形式來(lái)適應(yīng)透明的玻璃幕墻的造型。這項(xiàng)技術(shù)我在二十年前就開始了相關(guān)技術(shù)的探索。
點(diǎn)支承玻璃連接技術(shù)，因安全可靠的連接構(gòu)造早已廣泛應(yīng)用于各類建筑之中。已從剛架、桁架、網(wǎng)架、玻璃肋等剛性支承體系，發(fā)展到基于預(yù)應(yīng)力張拉技術(shù)的柔性支承體系。柔性結(jié)構(gòu)體系與點(diǎn)支式玻璃結(jié)合使用，將二者輕盈、通透的共性發(fā)揮到極致。使建筑內(nèi)外空間自然和諧的融為一體。
我站在水晶石大廳的中央，仰視著由不銹鋼索組成的銀色結(jié)構(gòu)，支撐著弧形玻璃幕墻和采光頂。不時(shí)的想起在20年前我在設(shè)計(jì)和組織施工這個(gè)建筑時(shí)的場(chǎng)景深為感動(dòng)。
該建成于2001年的11月到今天已經(jīng)已經(jīng)等20年了但是無(wú)論是從建筑設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)造型，還是幕墻的節(jié)點(diǎn)形式，工作狀態(tài)都表現(xiàn)的非常良好。一直都是深圳青少年重要的活動(dòng)基地。
我在現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)我當(dāng)年親自重點(diǎn)測(cè)試監(jiān)控的那幾根不銹鋼索進(jìn)行了簡(jiǎn)單的測(cè)試，感到工作狀態(tài)很好，安全度很高。當(dāng)年在設(shè)計(jì)和施工過(guò)程的很多擔(dān)心是有必要的迫使我們做了很多細(xì)致的工作。今天看來(lái)這些工作都是切實(shí)可行的。我還清楚的記得，為了保證這種索結(jié)構(gòu)形式在每一支承段內(nèi)力（詞條“內(nèi)力”由行業(yè)大百科提供）均衡。研究了很多方法。最后確定了，預(yù)應(yīng)力超張拉的施工方案和配重檢測(cè)法。為后來(lái)索結(jié)構(gòu)玻璃幕墻在國(guó)內(nèi)的廣泛應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。
這個(gè)項(xiàng)目是我在國(guó)內(nèi)最先探索使用了魚尾式雙層索系作為玻璃幕墻的支承結(jié)構(gòu)。并總結(jié)了一整套設(shè)計(jì)與施工技術(shù)。我看著這塊玻璃幕墻在經(jīng)歷了二十年的風(fēng)雨考驗(yàn)后，仍有著良好的工作狀態(tài)，真的很感驕傲和自豪。在回看我當(dāng)年的設(shè)計(jì)和施工總結(jié)時(shí)，我覺(jué)得有必要將這個(gè)項(xiàng)目的一些關(guān)鍵技術(shù)再一次介紹出來(lái)。給今天的幕墻設(shè)計(jì)師們一點(diǎn)啟發(fā)。
2、預(yù)應(yīng)力索結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
在二十年前對(duì)于這樣的項(xiàng)目是沒(méi)有任何資料可以借鑒的。當(dāng)時(shí)建筑師給的是外立面效果圖和鋼結(jié)構(gòu)布置圖。幕墻的支承體系由我們自行設(shè)計(jì)。我利用了鋼結(jié)構(gòu)的環(huán)形梁，布置了雙層索系索桁架，以此作為弧形玻璃幕墻的支承結(jié)構(gòu)。
在設(shè)計(jì)初期布置的是魚腹式索桁架。但是感覺(jué)到失高有些大，這樣會(huì)造成腹桿會(huì)很長(zhǎng)，影響視覺(jué)效果。經(jīng)過(guò)優(yōu)化后，將索桁架的前后受力索在中部并攏，形成了一種全新的雙層索系支承形式。我們經(jīng)過(guò)對(duì)這種索系的1:1實(shí)體靜力試驗(yàn)和測(cè)試確定了方案是可行。由于體型輕盈，造型美觀得到了建筑師的高度贊揚(yáng)。
由于這樣新穎的雙層索桁架樣式的兩端索形像魚的尾部，所以我們稱之為“魚尾式索桁架”，正好和“魚腹式索桁架”相對(duì)應(yīng)。深圳少年宮這個(gè)項(xiàng)目就是在國(guó)內(nèi)采用“魚尾式索桁架”支承的點(diǎn)支式玻璃幕墻的第一個(gè)項(xiàng)目。這個(gè)項(xiàng)目的建成也標(biāo)志著索結(jié)構(gòu)支承玻璃幕墻逐步走向成熟。
2.1、預(yù)應(yīng)力索桁架結(jié)構(gòu)形狀與布設(shè)
水晶石大廳的圓柱形玻璃幕墻，是由多片曲面玻璃組成，這就要求每個(gè)支撐點(diǎn)有極高的尺寸精度，每片玻璃的形狀和尺寸誤差要控制在很小的范圍內(nèi)，施工中尺度精度能否達(dá)到設(shè)計(jì)要求是整個(gè)施工成敗的關(guān)鍵。
預(yù)應(yīng)力懸索桁架屬柔性結(jié)構(gòu)，其支撐剛度是通過(guò)預(yù)應(yīng)力的施工而形成的，在索桁架形狀確定后，其支撐剛度的大小和每榀索桁架的剛度是否一致都取決于施加預(yù)應(yīng)力值和預(yù)應(yīng)力是否均衡。索桁架的空間定位和均衡施加預(yù)應(yīng)力是保證玻璃安裝精度和受力平衡的關(guān)鍵工序，是本工程的施工難點(diǎn)。
2.1.1 、由于本工程為少年宮，是青少年的活動(dòng)園地，在索桁架結(jié)構(gòu)形狀確定時(shí)考慮到結(jié)構(gòu)的形體語(yǔ)言與建筑主題相適應(yīng)，選用了具有蓬勃向上為內(nèi)含的Y形多跨豎向連續(xù)受力拉索結(jié)構(gòu)體系，這種結(jié)構(gòu)形式在我國(guó)是首次被使用在幕墻結(jié)構(gòu)上(如圖2)。
后受力索A-A'、前受力索B-B'、承重索B-B'都是整根連續(xù)索，通過(guò)懸空腹桿和固定撐桿上的連接夾塊固定鋼索形成索桁架結(jié)構(gòu)形狀，其中，A'和B'為固定端，A和B為調(diào)整端。
2.2、預(yù)應(yīng)力鋼索的選用
鋼索直徑的選定除考慮到能承受50年一遇的最大荷載和邊緣結(jié)構(gòu)對(duì)其影響;同時(shí)考慮到視覺(jué)感受及心理因素。在本工程的主受力索(前受力索和后受力索)和承重索都選用1×37，直徑為φ18mm的不銹鋼鋼絞線。其最小破斷力為191 KN,彈性模量E=1.45×105N/mm2 ，懸空桿和撐桿及駁接系統(tǒng)均選用1Cr18Ni9奧氏體不銹鋼件。玻璃采用深圳三鑫公司生產(chǎn)的2442mm×1988mm的拱高為30mm的10FT+2.28PVB+10FT透明圓弧形曲面彎鋼化夾膠玻璃，其透光率為76% 。(在這里說(shuō)明一下：在當(dāng)時(shí)中空玻璃還沒(méi)有大面積的推廣。為了實(shí)現(xiàn)建筑師的高通透，內(nèi)外呼應(yīng)的要求，我們選用了夾膠彎鋼化玻璃作為水晶石大廳玻璃幕墻的主要材料。)
2.3、索桁架預(yù)應(yīng)力值的確定
索桁架預(yù)應(yīng)力值的設(shè)定和預(yù)應(yīng)力平衡的施工方案決定著本工程的成敗。水晶石大廳的索桁架支撐體系，是由90條φ18mm的豎向前后受力索、63條φ18mm的垂直承重索和756條φ10mm的水平穩(wěn)定索組成.最大高度為27900mm。豎向前后受力索的預(yù)應(yīng)力值設(shè)定考慮的因素有：受最大荷載作用時(shí)反向索內(nèi)力大于零的應(yīng)力、溫度變化應(yīng)力、保持索桁架剛度的應(yīng)力(剩余張力)、保持索桁架剛度(50年)松馳應(yīng)力。經(jīng)SAP8450和ANSYS5.4電算軟件作平面和空間整體計(jì)算確定：在合攏溫度在20℃-25℃時(shí)，前后受力索預(yù)拉力P1=29KN，垂直承重索的預(yù)拉力值P2=33KN。(在這里說(shuō)明一下：在二十年前能利用有限元軟件進(jìn)行受力分析和安全度的分析，已經(jīng)是很高大上的了。是最前沿的技術(shù))(見(jiàn)圖)
3、主要施工安裝技術(shù)
測(cè)量放線空間定位→尺寸精度控制單元的確定→連接耳板固定撐桿安裝→前后受力索安裝調(diào)整→承重索安裝調(diào)整→索內(nèi)力檢測(cè)調(diào)整定位→水平索安裝定位→駁接系統(tǒng)安裝→玻璃安裝→調(diào)整打膠收口→交驗(yàn)。
這一整套安裝順序今天看來(lái)都是索結(jié)構(gòu)玻璃幕墻安裝的常規(guī)做法。而在當(dāng)時(shí)確實(shí)經(jīng)過(guò)了各種情況的分析和步驟推演才確定下來(lái)的。真正為后來(lái)在索結(jié)構(gòu)玻璃幕墻施工安裝工藝的編寫提供了依據(jù)。
3.1、空間尺寸定位
由于本工程是曲面點(diǎn)駁接幕墻玻璃是靠邊緣的四個(gè)孔通過(guò)駁接系統(tǒng)與索桁架連接，這就對(duì)預(yù)應(yīng)力索桁架的安裝尺寸精度有著極高的要求，按可調(diào)整度確定索桁架上的每個(gè)支撐定位點(diǎn)誤差必須控制在±1.5mm以內(nèi)，因此我們采用了三維空間坐標(biāo)定位的方法。對(duì)每一個(gè)支撐點(diǎn)進(jìn)行尺寸精度控制，同時(shí)設(shè)定尺寸控制單元和觀測(cè)點(diǎn)，防止誤差積累，對(duì)整體圓弧面進(jìn)行幾何尺寸控制(如圖3)。每一個(gè)尺寸控制單元水平和豎向誤差控制在±3mm以內(nèi),對(duì)角線誤差控制在±5mm以內(nèi)。
3.2、施加預(yù)應(yīng)力
在每榀索桁架內(nèi)，前受力索和后受力索的預(yù)應(yīng)力值誤差要控制在1.5KN以內(nèi)。各榀索桁架中鋼索預(yù)應(yīng)力值誤差控制在2.5KN以內(nèi)。
3.2.1、在國(guó)內(nèi)首次創(chuàng)新采用了超張拉技術(shù)達(dá)到內(nèi)力平衡
在索桿布置的初期，我們是將每一個(gè)受力跨作為一段索進(jìn)行分布的。這樣就出現(xiàn)了在環(huán)形梁的上下都有固定節(jié)點(diǎn)。影響視覺(jué)效果。同時(shí)，在施加預(yù)應(yīng)力時(shí)也會(huì)由于上下相鄰的兩跨之間內(nèi)力不同，對(duì)于環(huán)形梁會(huì)產(chǎn)生一定的附加應(yīng)力。會(huì)影響其穩(wěn)定性。經(jīng)過(guò)細(xì)致的模擬分析和試驗(yàn)，最終確定了采取一根通長(zhǎng)的鋼索，從下到上整體受力。在環(huán)形梁的節(jié)點(diǎn)處，采用可滑移的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，使其每跨索結(jié)構(gòu)的內(nèi)應(yīng)力保持一致。
豎向受力索桁架是采用整條索通過(guò)固定支點(diǎn)形成的多榀桁架。在預(yù)拉力施加時(shí)只能在一端進(jìn)行，當(dāng)預(yù)拉力通過(guò)固定支點(diǎn)時(shí)，因磨擦阻力等因素造成的內(nèi)力損失，經(jīng)試驗(yàn)證明每通過(guò)一個(gè)固定支點(diǎn)其內(nèi)力損失為10%左右，會(huì)出現(xiàn)內(nèi)力不平衡的現(xiàn)象，為消除此現(xiàn)象，我們采用了超張拉的方法。
在施加預(yù)應(yīng)力時(shí)根據(jù)單根索所通過(guò)的固定支點(diǎn)的數(shù)量按損失的內(nèi)力值來(lái)確定超張拉力。經(jīng)12小時(shí)持荷后將超張拉值松馳到設(shè)定的預(yù)拉力值后達(dá)到內(nèi)力平衡。
3.2.2、預(yù)應(yīng)力張拉步驟
首先安裝垂直承重索并將預(yù)應(yīng)力值一次施加到位，然后安裝受力索。前后受力索必須同時(shí)在一端張拉，分四步進(jìn)行：①在索布設(shè)結(jié)束后先進(jìn)行第一級(jí)張拉,按總預(yù)拉力值的20%控制拉力.②經(jīng)調(diào)整達(dá)到內(nèi)力基本平衡,空間定位基本到位后進(jìn)行第二級(jí)張拉，按總預(yù)拉力值的80%控制拉力。當(dāng)拉力到位后粗調(diào)懸空桿的位置并保持拉力48小時(shí)再進(jìn)行定位尺寸調(diào)整。③當(dāng)內(nèi)力穩(wěn)定后測(cè)量每榀桁架的內(nèi)力損失情況，確定超張拉值進(jìn)行超張拉，并持荷12小時(shí)。④當(dāng)超張拉內(nèi)力穩(wěn)定后將內(nèi)力放松至100%的預(yù)拉力控制值，經(jīng)測(cè)量調(diào)整后使每一榀索桁架的內(nèi)力均達(dá)到預(yù)張拉值后將節(jié)點(diǎn)固定鎖緊并與垂直承重索連接鎖緊(如圖5)。
3.3、索桁架檢測(cè)
經(jīng)預(yù)張拉后的索桁架要按尺寸控制單元進(jìn)行全面的尺寸精度檢測(cè)確保安裝節(jié)點(diǎn)的精度。索內(nèi)預(yù)拉力值的檢測(cè)使用索內(nèi)力測(cè)定儀進(jìn)行100%檢測(cè)，并記錄在案。同時(shí)進(jìn)行跟蹤測(cè)量。為確保在玻璃安裝后的桁架變形（詞條“變形”由行業(yè)大百科提供）量達(dá)到設(shè)計(jì)要求，必須采用配重檢測(cè)的玻璃安裝前進(jìn)行。配重的重量按玻璃自重的1.2~1.3倍。觀察支承結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的工作性能和抗變形能力。(這里提到的配重檢測(cè)，也是后來(lái)為索結(jié)構(gòu)玻璃幕墻安裝工藝的確定提供的第一手資料。)
3.4、曲面玻璃的質(zhì)量控制與安裝
曲面玻璃的彎曲尺寸必須按模板進(jìn)行彎鋼化成型檢查，與標(biāo)準(zhǔn)弧線吻合度±2.5mm,弦長(zhǎng)尺寸公差為±2mm。水平孔位和豎向孔位的尺寸公差為±0.5mm。
彎鋼化玻璃必須進(jìn)行100%的均質(zhì)處理(引爆處理)降低鋼化玻璃的自爆率，保證玻璃幕墻的使用安全性能。
玻璃安裝的原則是先上后下，先中部后邊緣，采取邊安裝邊調(diào)整的辦法，待全部玻璃安裝后進(jìn)行整體調(diào)整，達(dá)到設(shè)計(jì)要求后進(jìn)行打膠收口處理。
4、 結(jié)束語(yǔ)
近年來(lái)，由于建筑技術(shù)的發(fā)展和建筑形式的多樣化、個(gè)性化處使各種新技術(shù)、新工藝、新材料在建筑外圍護(hù)上得到廣泛的應(yīng)用。特別是作為不斷發(fā)展中的前沿建筑結(jié)構(gòu)技術(shù)索結(jié)構(gòu)，是一種較活躍的結(jié)構(gòu)類型。對(duì)于建筑師和幕墻工程師來(lái)說(shuō)，索結(jié)構(gòu)支承體系的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為常見(jiàn)的形式。對(duì)于幕墻行業(yè)來(lái)說(shuō)對(duì)此類幕墻的設(shè)計(jì)與施工技術(shù)也已日趨成熟。但是，新的支承結(jié)構(gòu)體系還將不斷出現(xiàn)。仍需要我們?nèi)タ偨Y(jié)新的技術(shù)。
值得一提的是，由于當(dāng)年對(duì)該項(xiàng)目的設(shè)計(jì)到施工各方面的探索，和總結(jié)。形成了一整套技術(shù)資料。為我在后來(lái)編寫國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，提供了第一手技術(shù)資料和數(shù)據(jù)。
本文中所介紹的內(nèi)容和設(shè)計(jì)方案都是我在當(dāng)年方案設(shè)計(jì)和工程實(shí)踐中的一點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，如果能給建筑外圍護(hù)體系設(shè)計(jì)的同仁們提供一些有益的啟發(fā)也就深感欣慰了。
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
