转自：中国建筑金属结构杂志
作者：王德勤
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1引言
在现代建筑设计中,建筑师追求建筑外观的新、奇、特艺术效果，出现了不少三维自由曲面造型的建筑立面。其基本表现手法是利用异形玻璃幕墙,通过对面板曲面的变化形式来表现的，这给了幕墙公司的技术人员和科研研发，提出了不小的挑战和巨大的契机。可以说，异形幕墙的出现和发展给了幕墙设计师们发挥其聪明才智的空间，促使建筑幕墙的设计与施工技术向前发展。本文想通过对经过时间考验的实际工程项目使用过的成熟节点的介绍和分析，进一步提高我们对新的异形幕墙节点的设计和理解能力。北京天文馆异形玻璃幕墙和玻璃旋体，是典型的双曲面玻璃幕墙。从工程竣工到现在已有十多年的时间了。位于南、北立面的夹胶中空玻璃双曲面幕墙和马鞍形玻璃通道的异形夹胶玻璃面板，已经经受到了时间的考验。在该项目的异形幕墙中从玻璃幕墙到玻璃旋体造型。以及玻璃采光顶、屋顶玻璃体造型等相关于异形幕墙的特殊构造节点有二十种之多。由于节点设计的比较合理，针对性和可实施性强，对异形玻璃幕墙的结构安装和面板安装起到了决定性的作用。使得双曲面的玻璃造型流畅顺滑。本文对在北京天文馆项目中使用的几种特殊节点进行一下分析介绍。这些节点在近十多年中除本项目使用外，部分已经大量应用在其它的异形幕墙的项目中，成为通用的标准节点，取得了良好的经济效益和社会效果。有些节点已经审请了专利，成为被******认可的专利技术并取得了相应的专利证书，为幕墙行业技术的发展做出了贡献。下面，结合实际工程案例作一些粗浅的解析。1.1、异形幕墙项目北京天文馆新馆简介北京天文馆新馆的建筑位置位于北京市西直门外大街138号，总建筑面积22000平方米.是一个大型综合性天文馆。工程建筑设计由美国王弄极建筑师事物所和中国航天建筑设计研究院联合承担完成。玻璃工程分成三个主要部分：北立面幕墙以及采光顶、马鞍形玻璃通道、四个空间钢结构玻璃旋体。无论从设计和施工的技术难度都超乎想象。(如图1.1-a、b、c、d)
建筑物由五层钢筋混泥土结构、钢结构、玻璃幕墙及采光顶、马鞍形玻璃通道和四个各具象征意义的玻璃旋体组合而成。在四个玻璃旋体内部分别布置多功能厅、动感影剧院、天文观测台等功能建筑。在建筑物中部设置了一个由异形玻璃拼接的马鞍形玻璃通道贯穿整个建筑，将北立面的玻璃幕墙和南立面的石材幕墙连接。其建筑创意新颖、造型别致、层次分明，用玻璃与钢结构的有机结合体现了过去与未来、艺术与自然的和谐统一。
1、2、北立面幕墙和采光顶、屋顶玻璃体的构造
北立面玻璃幕墙由于建筑节能要求，玻璃采用8mm(钢化)+12A(中空)+8mmLow-e(钢化)玻璃，玻璃基本分割尺寸为3000mmX1000mm。幕墙按横明竖隐构造。幕墙结构系统采用了横向由T型钢龙骨支托，既作为外视横线条也作为玻璃面板的水平支承结构。(如图1.1-a)
在建筑物北立面幕墙与东、西立面幕墙的衔接过渡处的弧形面是由两段不同半径的弧面衔接过渡，避免通常情况下的直角衔接;在北立面玻璃幕墙的西侧，局部为凹球型玻璃表面，而球面与平面衔接处为顺滑过渡的空间三维曲面。其设计、加工及安装难度，迄今为止均为国内幕墙业所不多见。整个建筑物线条流畅合理，与周围建筑物益显和谐。(如图1.1-b、c)
北立面幕墙结构按9m跨度布置18根ф800mm直经的钢管柱,为适应玻璃幕墙的艺术造型，在18根直径为ф800mm、高度为30m，每根重量为9.9吨钢立柱中就有8根为弯曲钢柱。由于钢管的直径太大，弯曲孤线要求精度高，又是每根弯曲弧线不一致，给加工制作和现场安装造成了很大的难度。经技术人员、施工人员多次试验，克服了各种困难，***后采用方案是：在后场分级热弯剪裁成型;在现场放样逐级校正的办法。(图1.2-b)
为达到立面通透的效果，在柱与柱之间的支承结构上我们采用了9m跨的变载面水平玻璃肋作为玻璃幕墙受风荷载的主要支承结构，用横向玻璃肋与钢方通的组合结构支撑着有横向线条的立面玻璃，用φ12mm的钢拉杆来保证玻璃肋的平面处稳定，这在国内是首次使用的。为确保安全，玻璃肋采用25.52mm的双钢化夹胶玻璃，用不锈钢夹板连接，并通过运用ANSYS软件作整体计算和幕墙三项性能实体试验证明，该结构安全、合理。(如图1.2-c)
采光顶采用隐框作法，玻璃为中空钢化夹胶玻璃。排水坡度为3%。根据建筑物的功能要求设置13个电动通风排烟窗。为避免夏季阳光的过度照射，在采光顶的室内我们设置了玻璃遮阳百页。合理的节点设计和材料组合保证幕墙的功能要求。在屋面的顶部，球形天文望远镜的周边安装了多个无使用功能的玻璃体造型，其结构都是由钢结构支承的点支式玻璃幕墙，实现的效果是在室内的玻璃旋体穿透屋面与天空相呼应(如图1.2-d、e)2、节点设计2.1、马鞍形玻璃通道与南北立面异形幕墙在建筑物中部设置了一个由曲形钢结构支撑，用360片不同尺寸、不同规格的双曲面热弯夹胶玻璃拼接而成的马鞍形玻璃通道，这个通道贯穿整个建筑。它将北立面的曲面玻璃幕墙和南立面的石材幕墙连接。它的特殊之处在于极具创造性的利用钢结构和双曲面玻璃组成连续的马鞍形空间双曲面，实现了一个富有想象力的梦幻空间。(如图2.1-a、b、c)
在南、北立面的马鞍通道入口处，由于外形和玻璃分割线所限，使钢结构龙骨的加工和玻璃的加工安装碰到很大的难题。固定玻璃的次龙骨是曲线形，而固定玻璃的槽口又要与玻璃的边缘对应，这就出现了次龙骨为曲线扭曲形状;异形边双曲面玻璃***大长度达3680mm×1200mm，这在国内玻璃加工业是从未遇到过的难题。经多次论证和试验，确定了加工安装方案。钢龙骨的制作分两步进行，首先将龙骨的外形按设计要求的曲线制作成形，保证将误差控制在±1.5mm之内，并预安装到位，再按每隔100mm作一个与玻璃面的切线对应点，确定扭曲度数并逐级校正成形，确保玻璃边缘与龙骨槽口吻合。
在北立面玻璃幕墙和马鞍形玻璃通道入口的玻璃幕墙，采用了横明竖隐的玻璃幕墙形式。幕墙结构系统采用了横向由T型钢龙骨支承，在外部增加了铝合金装饰扣条。使其既作为外视横线条也作为玻璃面板的水平支承结构。图2.1-d北立面异形玻璃幕墙节点图中所示的为大面的基本节点，在转角处和曲面幕墙处的节点是在此基础上进行了加强改造。(如图2.1-d)
异形双曲面玻璃的加工采取每片玻璃对应一个钢模具的办法。用网格式空间模形确定玻璃下料尺寸。在模具制作时按网格横线条的曲度将钢管弯曲成形。每隔100mm一根曲形钢管并按网格的竖向线条曲度拼接成空间双曲面模具，并预留出玻璃在烧制过程中回弹尺寸余量，保证玻璃的曲面偏差在±2.5mm之内，外形尺寸偏差在±3mm之内。经过严格的对加工制作、现场安装每道工序控制，解决了一个又一个的技术难题，一个由360个钢模具加工出来的尺寸各异、形状不同的玻璃马鞍体通道如期建成，******的达到了建筑效果的要求。2.2、玻璃旋体异形幕墙四个各具特色空间玻璃旋体的共同特点是，在竖向坐标的一系列圆心随着高度的变化在空间不断飘移，每一层玻璃水平分割线的圆心坐标位置各不一样，***大相差3670mm,并由半径不断变化的圆弧在空间组合形成空间弧面。旋体***高为38.5m并高出屋面8.5m,异形玻璃的基本分割为1000mmx1000mm。四个空间玻璃旋体的的玻璃面板组合，都采用了上下玻璃板块对接，左右片错位搭接的方案来实现独特的建筑艺术效果。(如图2.2-a、b、c、d)1号玻璃旋体的***大直径为24m，***小直径为15.8m，总高度34m。玻璃为上下两点支承，玻璃之间为开缝式，上下玻璃板块对接，左右玻璃板块错位搭接的连接方式，玻璃安装在旋体空间钢结构的外侧。(如图2.2-a、)
公司由一群才华横溢经验丰富的熟练操作车、铣、磨、电火花、线切割、数控设备操作人员和经验丰富的模具设计、装配高级工程师组成的员工队伍，全面实现计算机辅助设计（PRE/UG./SLIDWORK）及计算机制造加工系统（CAD/CAE/CAM），运用******的制造工艺和完善的质量控制流程，北京铝合金零件加工,北京军工零件加工产品质量严格按照ISO9000质量体系标准执行。
2号玻璃旋体的***大直径为25m，***小直径为19.5m，总高度为34m，玻璃为上下两点支承，玻璃之间为开缝式，上下玻璃板块对接，左右玻璃板块错位搭接的连接方式。玻璃板块安装在旋体空间钢结构的内侧。(如图2.2-b)3号玻璃旋体的截面为大、小两个圆相交，并分为室内、室外两个部分。大圆***大直径18m，小圆***小直径13m，总高度为38.5m;玻璃板块均为四点支承。玻璃板块之间采用了上下玻璃板块对接，左右玻璃板块错位搭接的连接方式，在板块之间打胶处理使之形成闭缝式连接。在室内的玻璃采用钢化夹胶玻璃，室外为中空钢化玻璃。在3号旋体的顶部也就是在屋面的上面设置了点支式斜面玻璃采光顶。(如图2.2-c)
4号旋体的截面随圆形，竖向支承结构和竖向玻璃缝均为螺旋式，旋体总高度为32.8m，玻璃为上下两点支承，玻璃之间为开缝式，上下玻璃板块对接，左右玻璃板块错位搭接的连接方式，玻璃安装在旋体空间钢结构的外侧。(如图2.2-d)空间玻璃旋体钢结构的设计、施工难点在于结构空间组合的任意性.共计320根体形各异的钢管需要进行空间三维加工,其中主管为φ159X6mm，次管为120X60X5mm矩形管，结构与玻璃板面是通过不锈钢爪件连接，安装精度要求极高。在6200个玻璃安装点上，每个点的尺寸误差都必须控制在±2mm之内。在3号旋体玻璃与结构连接节点设计过程中，经过设计人员对多个方案的反复论证，并经多次实验解决了玻璃板块之间采用上下玻璃板块对接，左右玻璃板块错位搭接的连接方式，在板块之间打胶处理使之形成闭缝式连接的特殊双层玻璃点驳接节点也叫双头连接驳接头。解决了这一难题，该节点还申请了******实用新型专利，为这类连接形式找出了路子。(如图2.2-e、f)
为解决技术难题，在设计中根据工程特点发明了新的节点并使用在本工程上：双头连接驳接头、可调式转角支承爪件、双层玻璃定位夹等，都是针对本工程设计的特殊节点。既解决了设计于施工难题又满足了建筑造型的要求。在结构设计上充分利用******的结构计算软件建立四个旋体的空间模型，对旋体的每一条杆件都进行静力学和动力学的分析.确保结构的安全性。由于造型的需要在1号、2号、4号玻璃旋体上玻璃板块为上下两点支承，玻璃之间为开缝式，上下玻璃板块对接，左右玻璃板块错位搭接的连接方式来实现整个玻璃旋体的双曲面造型。由于玻璃板块与旋体的空间钢结构的连接是采用在玻璃板块的中部固定的,用玻璃板块的上、下两点来支承板块所受的荷载。这种连接方式虽然能解决了玻璃板块自重和水平荷载的传递。(如图2.2-h、i)但同时又出现了板块平面外不稳定的问题。为了能在不增加结构连接件的情况下，解决玻璃板块平面外固定的问题，我们专门为该项目设计了玻璃面板卡扣式连接节点，也叫双层玻璃定位夹。(如图2.2-g)
由于该结构体系为空间变化，形体复杂，一方面要保证龙骨结构视觉造型上的艺术性，另一方面还要控制钢结构加工、安装的误差。在结构设计中采用专用3D建模软件，准确确定弦体曲面位置和结构的空间参数，以保证施工图设计和加工工艺的******度;工厂加工时采用了三维刚性胎模控制、检测几何尺寸保证每根钢管的空间弯曲度;现场安装时将每根钢管的电脑定位座标用全站仪三维空间定位，再用激光经纬仪配合跟踪测量，以确保玻璃安装时准确无误。在北京天文馆新馆玻璃幕墙和玻璃旋体施工中采用了多项新工艺、新材料、新技术，其难度之大精度之高为国内钢结构和幕墙的设计、安装所不多见的，其中许多地方都打破了常规，为国内幕墙特殊异型钢结构的安装，积累了丰富的经验。3、结束语近年来，异形建筑和异形幕墙在国内有了快速的发展，这就为这些特殊幕墙节点的使用提供了一个更大的空间，对幕墙工程师们在幕墙节点设计上提供了一个又一个的新的富有挑战的课题。总结和介绍经过十年考验北京天文新馆项目的节点设计和使用情况，目的在于为今天的幕墙工程师们在异形幕墙的节点设计中提出一个借鉴的方案。参考文献[1]《玻璃幕墙工程技术规范》，中华人民共和行业规范,JGJ102-2003[2]王德勤，《北京天文馆新馆幕墙结构相关技术》，铝门窗幕墙论文集，2005[3]王德勤，《北京天文馆设计与施工技术》，建筑技术，2005-9期[4]王德勤，《异型玻璃幕墙工程施工测量技术探讨》，中国建筑装饰装修，2005
来源:2014铝门窗幕墙年会论文集
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