大跨度雙曲面玻璃幕墻設計

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摘要：本文結合多個工程實例對大跨度雙曲面玻璃幕墻的設計幾個方面進行闡述，包括具有代表性的上海中國航海博物館大跨度雙曲面玻璃幕墻設計中的技術難題、常用的模擬分析計算典型杭州大劇院屋頂設計及結構材料等。 

關鍵詞：大跨度；雙曲面；玻璃幕墻；設計分析  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文獻標識碼：a 文章編號：  引言  由支承結構體系和玻璃所組成的，能夠相對于主體結構具有一定的唯一能力且不分擔主體結構受到作用力的起到在建筑外圍維護的玻璃幕墻越來越廣泛的應用于大跨度建筑之中。玻璃幕墻的結構形式隨著工藝的不斷進步發(fā)生著多元化的發(fā)展，其中雙曲面的結構形式憑借其優(yōu)越的綜合性能受到了眾多設計的偏愛。本文針對大跨度雙曲面玻璃幕墻設計幾個方面解決的關鍵問題，結合具體的工程實例分別剖析，為相關設計項目提供參考。  大跨度雙曲面超預應力玻璃幕墻技術設計中的關鍵技術難題  上海市的博物館形象標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應力結構形式，空間弧度變化較大，寬度上下不等。該玻璃幕墻設計中出現的很多技術難題都是具有很強的典型代表性，對其的攻克對于整個大跨度雙曲面玻璃幕墻設計項目技術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應力設計需要，使得該項目的玻璃幕墻設計存在多方面的技術難題。超預應力索網一方面需要成為玻璃幕墻支承的系統(tǒng)，另一方面要聯系起兩片帆頁的鋼結構使其成為整體結構，這就要求鋼索的形狀設計滿足工程中的玻璃幕墻安裝誤差精度要求，并且設計要使得其中始終存在預張拉應力。要實現上述的設計目標，就要綜合考慮航海博物館結構的特征和施工可能會出現的問題，注意幾個關鍵技術點。首先，設計所用的計算模型不一定能夠毫無偏差的反應真實的結構，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，而且該結構復雜，施工中長期的內力及形狀波動在設計中必須充分考慮。針對這個難題，玻璃幕墻設計方采用雙控制設計理論計算方法對位移及索力進行分析計算，除了建立模型進行分析之外，通過理論計算調和力與形狀之間的設計差異。其次，索端的預埋件設計存在難點，曲面索網結構的中央帆體各個預埋件的定位設計精度要求非常高，因施工中可以控制的誤差僅能保證2cm，設計要盡量避免狹長空間出現錯亂，減少索網支撐點和幕墻的分格點測定難度。再次是索網形態(tài)的控制要實現設計的簡化處理，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計要求又要保證帆體內彎曲效果。此外大跨度雙曲面玻璃幕墻的預應力要充分給予設計控制，該項目初步設計為18根豎索56根橫索控制預應力，技術設計階段要考慮施加預應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計也至關重要且是設計難點，柔性鋼索結構和剛性玻璃面板的結合使得其連接設計需要角度和定位的嚴格準確精度。  解決了幾個設計技術難題并不代表航海博物館的玻璃幕墻設計達到了高規(guī)格的設計要求，要保證最終的設計能夠順利施工，得到良好的工程效果，必須模擬施工過程進行前期計算指導。在充分分析大跨度雙曲面玻璃幕墻的索力相關性和設計難題之后，使用有限單元法分析計算軟件建立克服障礙后的超預應力玻璃幕墻計算機模型對張拉方式、張拉順序、受力特點、位移控制、預應力控制和綜合性能全面進行模擬分析，準確發(fā)現存在的設計瑕疵，使用更好的設計技術手段使其完美化。  大跨度雙曲面屋頂設計通過模擬分析計算技術運用  圖1 杭州大劇院建筑設計效果圖  上圖1所示杭州大劇院具有新穎獨特的外觀造型，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計效果。由于杭州地區(qū)的地理位置特點和該玻璃幕墻設計項目的結構特色，使得本設計抗風模擬分析計算成為必須，該項目實驗研究工作由浙江大學的土木工程系建立風洞試驗模型完成研究。該項目通過風洞試驗去尋找大跨度雙曲面玻璃幕墻幾個重要的設計參數，是該領域較為先進的研究方向。  技術人員通過完成1：200的剛性模型制作構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，模擬分析風洞采用46m/s最高風速。采用尖塔、粗糙元和擋板形式的風洞模擬技術，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。經過分析比較，考慮到大跨度雙曲面屋頂結構的尺寸，最終確定采用風洞大試驗段形式的模擬方式。風速的測量系統(tǒng)之中，參考風速采用微壓計和皮托管進行測量及監(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、自主編制的軟件和風速儀所組成系統(tǒng)測量和調試大氣邊界層處的風場模擬環(huán)境。另一套記錄測量及數據處理的系統(tǒng)由a/d數據采集面板、個人計算機、機械掃描設備和信號采集及相關數據處理的軟件系統(tǒng)所組成。  按照方案設計和初步設計得出建筑設計圖紙幾何要求，使用有機玻璃進行模型制作，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%，滿足了風洞試驗的要求，所以試驗中所得到無量綱的參數能夠直接在建筑物實體中應用。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行測點布置，在雙曲面屋頂的表面處布置127個測點，玻璃幕墻表面處布置103個測點，雨篷的上下表面處分別布置32個測點，入口處的圓臺上布置88個測點，總共布置測點382個。各個測點依據具體的尺寸要求使用外徑1.6mm不銹鋼的鋼管進行埋設，測壓管在建筑物表面垂直設置，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，采取50年一遇基本風壓值0.45kn/m2，平均風速取26.8m/s，風洞口及粗糙單元實現剖面風速及湍流模型模擬。  經過風洞試驗的模擬分析，經過計算得到了大跨度雙曲面玻璃幕墻處平均風壓系數在0.51至0.543之間，風壓值在0.489 kn/m2至0.521kn/m2之間；雙曲面屋頂最不利的風向角為1800、600和00；脈動風壓最大正向風壓系數在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計采用最大正風壓0.521 kn/m2，最大負風壓值-1.261 kn/m2，對1800、1350、1050、600和00進行二次設計驗算。