大跨度双曲面玻璃幕墙设计

郭振东

郭振东哈尔滨工业大学空间钢结构幕墙有限公司150090

[摘要]大跨度双曲面玻璃幕墙是建筑设计中比较常见的类型，本文结合工程实例，从多个方面对这一设计的特点进行了介绍，并对大跨度双曲面玻璃幕墙设计的技术难点、模拟分析模式以及结构材料等进行了分析。大跨度双曲面玻璃幕墙在博物馆、剧院等大型建筑中应用比较多，这种设计可以提高建筑的美观性，但是在应用的过程中，一定要结合实际，对设计进行优化与改进，这样可以提高施工的效率，降低安全事故的发生率。

关键字：大跨度；双曲面；玻璃幕墙；设计大跨度双曲面玻璃幕墙主要是由支撑体系以及玻璃构成，这种建筑的结构比较特殊，其可以分担建筑主体结构受到的作用力，其玻璃幕墙主要是应用在建筑外围维护设计中，而且在大跨度建筑施工中有着较好的应用效果。随着我国建筑行业的发展，工艺技术不断提高，玻璃幕墙的结构也出现了较大的变化，双曲面玻璃幕墙的结构，优点比较多，而且在大跨度建筑设计中有着广泛的应用。本文结合工程实例，对跨度双曲面玻璃幕墙设计中需要注意的问题进行了介绍，希望对相关设计人员提供一定参考价值。

一、大跨度双曲面玻璃幕墙设计中的技术难点

在我国一些经济较为发达的地区，现代化城市的建设进程比较快，在这些城市中大跨度建筑的数量比较多，这类建筑的美观性比较强，而且功能比较多。在一些博物馆建筑中，应用大跨度双曲面玻璃幕墙设计，建筑的外形比较新颖，而且有着一定视觉冲击力，增加了城市的现代化气息。双曲面玻璃幕墙的空间弧度比较大，而且具有宽度不对等的特性，这给施工带来了一定难度，设计人员一定要努力提升技术水平，克服技术难点，这样才能促进大跨度双曲面玻璃幕墙的广泛推广。

将大跨度双曲面应用在建筑立面设计中，需要增加超预应力设计，这增加了玻璃幕墙设计的难度。超预应力一般是作为玻璃幕墙的支撑体系，其在钢结构中起着连接的作用，在应用的过程中，可以增加结构的整体性，所以，设计人员一定要对钢索的形状进行优化，降低玻璃幕墙安装中出现误差的概率，这样可以保证幕墙设计中钢结构预张拉应力一致。为了优化幕墙设计，设计人员需要掌握技术的关键点。首先，在选择计算模型时，一定要结合建筑结构实际，选择有针对性的模型，还要尽量降低材料性能以及安装过程的误差，由于大跨度建筑结构比较复杂，所以，为了避免其形状出现较大的波动，必须从多个细节对设计进行改进。除了建立有效的分析计算模型，设计人员还需要通过相关理论知识，计算调整力与变形间存在的差异。其次，针对索端预埋件存在的误差，设计人员要需要结合曲面索网结构，增加预埋件定位的精确度，将误差控制在2cm之内，在设计的过程中，还要尽量避免狭长空间错乱的问题，应减少索网支撑点的数量，降低幕墙分割点测定的难度。最后，还要对索网的形态进行优化，要尽量保证构件的弯曲效果，增加建筑外形的美观性。在施工的过程中，要按照设计的要求以及步骤，规范操作，还要掌握设计难点，对玻璃面板的连接质量进行严格把控。

二、大跨度双曲面屋顶设计通过模拟分析计算技术运用

某剧院具有新颖独特的外观造型，倒置的大跨度双曲面屋顶玻璃幕墙同椭球屋顶交错布局，形成大剧院整体外轮廓的设计效果。由于该地区的地理位置特点和该玻璃幕墙设计项目的结构特色，必须进行抗风性能模拟分析试验，该项目实验研究工作由某大学的土木工程系建立风洞试验模型完成研究。该项目通过风洞试验去寻找大跨度双曲面玻璃幕墙几个重要的设计参数，是该领域较为先进的研究方向。

技术人员通过完成1：200的刚性模型制作构建了闭口式的大试验段，长度10m，截面的尺寸宽为3m、高为2m。对于小试验段分别采用了开口和闭口两种不同的形式，长为9m，截面的尺寸宽为1.2m、高为2m，模拟分析风洞采用46m/s最高风速。采用尖塔、粗糙元和挡板形式的风洞模拟技术，能够匹配各个试验段所模拟出的同缩尺模型在不同地形地貌及大气边界气流条件下的情况。经过分析比较，考虑到大跨度双曲面屋顶结构的尺寸，最终确定采用风洞大试验段形式的模拟方式。风速的测量系统之中，参考风速采用微压计和皮托管进行测量及监控，使用两套测量系统并行测试。使用了A/D板、个人计算机、自主编制的软件和风速仪所组成系统测量和调试大气边界层处的风场模拟环境。另一套记录测量及数据处理的系统由A/D数据采集面板、个人计算机、机械扫描设备和信号采集及相关数据处理的软件系统所组成。

按照方案设计和初步设计得出建筑设计图纸几何要求，使用有机玻璃进行模型制作，采用1:200的缩比尺寸，总的模型高度大概0.23m，纵方向长度0.85m，横方向的长度0.68m。该模型最大的阻塞比都不大于6%，满足了风洞试验的要求，所以试验中所得到无量纲的参数能够直接在建筑物实体中应用。按照对称性的要求，使用大跨度双曲面屋顶和椭球屋顶玻璃幕墙一半进行测点布置，在双曲面屋顶的表面处布置127个测点，玻璃幕墙表面处布置103个测点，雨篷的上下表面处分别布置32个测点，入口处的圆台上布置88个测点，总共布置测点350个。各个测点依据具体的尺寸要求使用外径1.6mm不锈钢的钢管进行埋设，测压管在建筑物表面垂直设置，测压管的一端同模型的表面要齐平，不允许有凹凸。地面粗糙度选用0.12的指数，采取50年一遇基本风压值0.45kN/㎡，平均风速取26.8m/s，风洞口及粗糙单元实现剖面风速及湍流模型模拟。

三、大跨度双曲面玻璃幕墙结构形式和材料等的设计分析

规划建造在北京市中心街道的北京天文馆新馆总的建筑面积为22000平方米，将成为我国综合性的大型天文馆。建筑项目中国航天建筑设计研究院同建筑师事务所联合完成建筑设计任务，该项目马鞍形的玻璃幕墙通道项目采用大跨度的双曲面玻璃形式，较为复杂。建筑物的中间部位设置曲面钢结构组成的用360块尺寸不同规格不一样的支撑体系的双曲面玻璃幕墙完成马鞍形的玻璃通道拼接，空间上形成大跨度体型。

设计之中按照工程项目的特点发明使用了新型节点处理方法来解决这一系列的技术难题，针对该工程的技术特殊节点形式分别采用了可调节式的转角支承爪状构件、双接头连接的驳接接头和双层的玻璃定位夹等措施。结构设计过程中考虑到大跨度双曲面玻璃幕墙的空间变化和形体上的复杂，采用了专用的3D软件建模，准确的确定了曲面的位置及结构空间参数设置，保证所完成施工图纸设计及工艺精确程度。为了达到建筑设计所要得到的立面通道效果，设计中采用9m的变截面形式水平玻璃肋支承结构支撑大跨度玻璃幕墙，通过横向的玻璃肋和方钢管组合形式结构支撑横向线条立面的玻璃，在平面稳定处为保证玻璃肋效果首次采用12mm直径钢拉杆。玻璃肋选用总厚度为25.52mm双钢化的夹胶玻璃，连接也采用了不锈钢夹板，多途径的保证安全、稳定和可靠。

四、结语

随着我国建筑行业的不断发展，玻璃幕墙设计质量越来越高，其结构形式也发生了较大的变化，在现代社会的影响下，玻璃幕墙的施工工艺越来越完善，而且向着多元化的形式也在不断发展。双曲面结构的玻璃幕墙设计，具有较多的优越性，其在大跨度建筑设计中应用比较多，而且收到了良好的效果，不但提高了建筑结构的稳定性，还增加了建筑外形的美观性，促进了现代城市建设脚步的加快，也提高了设计人员的技术水平，使我国建筑事业发展越来越好。

参考文献[1]王永慧.单层平面索网点支式玻璃幕墙结构性能研究[D].昆明理工大学2009[2]毛文俊.大跨度点式玻璃幕墙柔性支承体系的研究分析[D].天津大学2007[3]邓暖.单层索网玻璃幕墙结构抗风研究[D].重庆大学2008[4]王德勤.北京天文馆新馆玻璃幕墙及玻璃旋体设计与施工技术[J].中国建筑金属结构.2005(06)