梅花形曲面玻璃幕墙设计

    无锡新区科技交流中心设计为梅花——无锡市市花，是一座富有时代感和科技特色的地标性建筑，建筑面积约36000m2，主体为钢筋混凝土框架结构，平面布置布置（如图1所示），地下1层，地上3层，局部4层，屋面结构层为钢结构网壳，其外层为平滑连续起伏的金属表面，檐口标高最矮处为129.m，最高处为31.2m。梅花形建筑立面的底部2层向内收进，3层钢平台（9m标高处）沿建筑周边挑出约5m作为景观走廊。建筑主体外立面是夹板式点支玻璃幕墙，采用无孔的Low-E中空玻璃：厚度10+12A+10mm，弧形弯钢化。晶莹剔透的梅花形体点支式玻璃幕墙展开面积近10000m2。

    二、幕墙支承体系的方案设计

    针对梅花形曲面玻璃幕墙的工程特点，对支承结构体系进行了4个设计方案比较。设计过程中先后共提出过4种传力体系设计方案：方案一为拉索吊挂体系；方案二为桁架吊挂体系；方案三为钢柱支承体系；方案四为刚性挑梁支承体系。综合对比分析建筑效果、结构传力、幕墙变形、施工难度和工程造价5项主要内容，最终幕墙支承结构体系设计选择建筑效果简洁大方的刚性挑梁支承体系（如图2所示）：景观走廊以上的幕墙竖向荷载传递给37根悬挑的牛腿梁，部分荷载由194根钢管柱（Φ203×16）传递给地下室顶板；水平荷载由组合钢柱和钢管柱有效地传递给混凝土结构。将景观走廊钢平台的径向挑梁设计成“刚”性，选用I1000×300×30×16焊接工字形型钢，同时将根部节点设计为“刚”性，选用H600×300×25×16的H型钢短柱浇筑到主体混凝土圆柱内，作为特殊的预埋件，如图3所示：

    梅花形曲面玻璃幕墙的支承体系为超静定结构，景观走廊的悬挑钢梁和其下方的钢管柱是重要的受力构件，其变形将影响整个体系的受力和变形，由于悬挑梁和钢管柱沿梅花形周边布置，简化的平面计算模型无法准确计算各构件的受力和变形，因此，采用SAP2000有限元分析软件建立空间三维模型进行整体分析。荷载组合考虑7种主要控制工况进行强度验算与刚度验算。为了确保梅花形玻璃幕墙的结构体系空间稳定，在景观走廊上空的混凝土环梁处设置水平钢结构支撑ZC1和ZC2（如图4所示），由于“梅花”的花瓣尖端附近结构受力复杂，因此在该处采取密布水平支撑的构造措施。

    梅花形玻璃幕墙的面板体系设计主要考虑因素和相应的选择：

    1. 考虑建筑效果的通透性，选择无框的点支式玻璃面板体系，玻璃基本分格尺寸设计为b×h=1680mm×2400mm。

    2. 考虑建筑节能，设计选择中空Low-E玻璃，根据热工计算和力学计算，玻璃截面尺寸选择为10+12a+10mm。

    3. 虑节材性和加工性，玻璃的固定形式采用夹板式。中空玻璃无须钻孔，可以节能节材，降低造价。

    4. 考虑“梅花”造型的逼真，设计采用弧形弯钢化中空玻璃以便与建筑外轮廓弧线吻合；同时考虑合理降低工程造价，在保证不影响视觉效果、保证弧线平滑过渡的前提下，部分采用平直玻璃。其选用原则为：弧线的矢高δ与弦长L的比值δ/L≥0.01时，选用弧形弯钢化玻璃；δ/L<0.01时，选用平直玻璃。根据实物放样确定，在“梅花”的每个花瓣尖端约40m范围内采用弧形弯钢化玻璃（如图5所示），其他部位选用平直玻璃。

    5．考虑中空玻璃沿弧形轮廓线安装，玻璃之间的夹角会发生变化，且玻璃面板在水平荷载作用下应能夹板中产生转大的转动以释放弯曲应力，在不锈钢夹板中巧妙地设计了球铰装置（如图6所示）：其主要配件有前后夹头、前后夹板和紧固螺栓，后夹板的尾部安装在支撑结构上，紧固螺栓将前、后夹板紧固在一起，前后夹头为两个同心的半球体，铰接在夹板上。

    依据规范GB/T21086-2007的相关规定，梅花形玻璃幕墙的空气渗透性能设计为3级要求，雨水渗漏性能亦设计为3级。大面的幕墙较容易保证气密性和水密性，幕墙的上口封边是设计的重点和难点，既要保证幕墙的物理性能达到国家规范要求，又要达到建筑立面的美观要求。通过多方案对比分析，设计的防水系统构造包括：不锈钢天沟、2㎜厚铝板防水层、风琴板防水胶条等构件。双曲面的蜂窝铝板外包幕墙封口节点，使金属屋面与玻璃幕墙自然过渡，确保建筑造型美观，如图7所示：

    通过对梅花形曲面玻璃幕墙的精心设计，选择了合理的结构支承体系，保证了结构体系的简洁和安全；恰当地布置弧形弯钢化中空玻璃和平直玻璃，既保证了幕墙的平滑过渡和美观性的要求，又具有良好的经济性；巧妙的封口节点设计，确保了幕墙的物理性能，又满足了建筑造型的美观要求。