支承在弹性边界上的 双曲面单层索网玻璃 幕墙设计与施工

    临港新城冬冷夏热，四季分明，冬夏主导风向分别为西北和东南对吹。中国航海博物馆位于临港新城中心区。建筑总面积约46434m2，主体采用钢筋混凝土框架结构，天象馆采用单层网壳结构，中央帆体为钢网格结构与钢索张拉结构，坐落在+12m标高的平台上。

    中国航海博物馆以其富于表现的屋面形式而独具特色。两个对置的轻质屋面壳体在广义上表现了海洋这一主题，使人联想起航海的风帆，构成了整个博物馆建筑的重要而富有个性的标志(图1)。在此屋顶下大厅空间可展示大型古代船舶，对其进行历史文化的鉴赏并向公众开放。博物馆简洁平实的外观与船帆壳体的富有表现力的结构相呼应。独特的形象突出了临港新城与航海事业的密切关系，强调了其在全球航海贸易中的杰出作用。从象征意义上讲，博物馆表现了一个巨大的船舶停泊在城市的这个显著的位置上。水中部分表现海洋和陆地的联系。而附近的水体则突出了展览的海洋特性，建筑内外的各种展品在这种自然环境中变得更加生动和美妙。两个相互交错对峙的“风帆”悬浮般地立于建筑裙楼之上。裙楼中设置博物馆的各种功能。大型台阶吸引人们前往逗留并建立了与开放景观空间的直接联系。通过宽大露天台阶自由进入裙楼的形式设计要素在两侧建筑中亦体现出来。两个设计造型上相似的建筑在一条假想的轴线上相对而立，框合了具有海洋型遥望可见的轻质屋面的航海博物馆。

    博物馆中央帆体犹如两张仅在一点上相互接触的弯曲的风帆。这两张风帆有3个独立的呈三角形的端点。大型的透明的弧形立面玻璃幕墙将建在两张风帆之间。该结构总高度约为58m(至风帆顶端)。每个三角形风帆的底部两支点间间距约70m。两张风帆的交叉点也就是立面最高点约离地40m。弧形立面玻璃幕墙各处宽度不等，但最宽不超过24m。最高处为6.7m的斜立面玻璃幕墙位于建筑的边缘。中央帆体结构体系可分为主、从结构体系，主结构体系包括：边缘箱梁和三铰拱(图2)；从结构体系包括侧幕墙立柱､屋面两向正交月牙形桁架体系和单层索网体系(图3)

    结构设计存在下列难题：

        (1) 建筑造型独特，帆体为不可解析的曲面，对计算模型的建立带来困难；

        (2) 结构体量庞大，两片钢结构帆体仅通过离地52m高处的铰接点相连，底部通过四个支座将荷载传递到下部混凝土结构，所以五个节点的设计是项目安全的关键；

        (3) 建筑处于海边，风荷载大，且结构为风敏感结构，合理确定风荷载在建筑表面的分布及风振系数是结构设计的关键因素；

        (4) 支承在造型奇特钢结构壳体上的单层索网玻璃幕墙，据查是世界首例，无规范可依，设计与施工有世界性的难度；

        (5) 单层索网刚度与帆体钢结构刚度相互影响，必须合理设计单层索网的预应力形态，满足建筑形态、结构安全的双重要求；

        (6) 钢结构的吊装施工、索网张拉过程必须控制，保证施工终态满足设计要求。

    2.1 有限元计算模型

     博物馆中央帆体结构为杂交结构体系，既包含传统意义上的刚性结构，还包括依靠形态、预应力提供结构刚度的柔性结构，并且两者互相影响。因此，有限元计算模型必须是整体模型，必须体现刚性、柔性结构的协同工作机理(钢结构为索网结构提供了弹性支承边界，索网结构的预张力将两片钢结构帆体紧密联系在一起，对整体受力有利)。

    计算模型共包括4种计算单元：分别是梁单元、杆单元､索单元和壳单元。单层索网结构连接两个帆体，分为纵向锚地索和横向稳定索。对两个方向施加不同的预张力，在空间组成双曲扭面。在进行外荷载作用下的结构计算前，单层索网结构在指定预张力作用下进行了有限元找形分析。找形前后的形态比较如图4所示。

    结构的支座分为三种类型，一为边缘箱梁和三铰拱支座；二为结构侧面玻璃幕墙立柱支座；三为正面索网幕墙竖向索锚地点，均为三向铰接支座。两片帆体在三铰拱中点相连，该节点为三向铰接节点。

    2.2 风荷载

    风荷载是控制航海博物馆结构设计的主要荷载之一。在同济大学大气边界层风洞中进行了刚性模型测压试验。建筑模型的几何缩尺比约为1/150。实验风向角间隔为15°，即模拟24个风向。根据建筑物表面脉动压力的实验结果，利用数值模拟方法，计算结构风振动力响应，计算结构的等效静力风荷载(类似于我国规范中的风振系数)。为便于研究风洞试验结果，比较各风向角对结构影响程度，统计各风向角下，东、西帆体和南、北索网上风荷载引起的总剪力如图5所示(+为指向曲面、-为背离曲面，图中纵坐标为风向角)。针对设计关心的几个指标，得出基于该指标的等效风荷载，如表1所示。

    2.3 结构形态设计

    本工程的核心设计是索网形态设计。索网结构自身刚度是由其形态决定的，而其中的最重要部分就是初始形态设计。初始刚度设计必须满足四个条件：

        (1) 根据建筑功能、建筑形状、荷载情况、结构支承条件以及对结构受力性能的估计等因素来综合考虑结构形式，即索网布置；

        (2) 索网结构在荷载态下必须满足单索破断力、不松弛的要求；

        (3) 通过合理的刚度设计，保证正交索网四点基本共面；

        (4) 在满足前两条要求前提下，索网刚度设计还必须考虑不给作为其支承边界的钢结构壳体受力带来过大的负担；本工程最大的特点就是单层索网固定在弹性边界上，其使用状态下的受力和施工过程势必受到弹性边界的影响。采用协同分析方法开展索网形态分析，原理见图6。

    2.3.1 协同找形后索网变形

    图7为索力作用下的结构变形情况，结构最大变形位于帆体上端，最大值为0.153m；索网上的最大变形0.146m，索网形态更稳定合理；结构的整体变形对称。

    2.3.2 协同找形后索网索力分布

    图8为协同找形后索网张力分布，横向索65.82kN~89.667kN，靠边箱梁端小，靠三铰拱端大，逐渐减小，张力力较均匀、变化较小.纵向索153.174kN~164.554kN，整根纵索的张力均匀。

    2.3.3 网格翘曲度分析

    中部基本小于15mm，顶部第一排30mm以上，顶部第2~5排为20mm，地部靠边箱梁角区域比较大，为30mm~60mm。总网格数量为1046块，小于18mm的有884块、且总体翘曲小，占总数的84.5%，大于50mm的有7块，占总数的0.67%。

    2.4 张拉施工模拟

    2.4.1 张拉施工模拟的必要性

    从理论上说，如果索网的终态找形目标(即张拉施工完成时的索网形状和预应力状态)确定，完全可以根据索网的形状和预应力状态反演索网的零应力下料长度，在施工中可以通过标定索零应力长度的方法进行张拉施工。在张拉各索的时候直接把索张拉至标定的索零应力长度位置固定即可，而且理论上可以一次张拉成功，即所谓定长张拉。但实际上，这种通过控制索的零应力长度的张拉方法受到结构加工精度､索下料长度准确性等多方面因素的影响，容易产生较大的误差，因此在施工中往往通过控制索张拉力和位移进行施工张拉。

    由于施工条件和设备的限制，施工中不可能所有的索同时张拉，一般采用分批分步的张拉方法。由于后批索的张拉会影响前批张拉索的索力，每批索均按终态找形目标的索力进行张拉并不合适，为了最终达到终态找形目标的张拉力分布需要反复调整。因此有必要对施工过程进行数值模拟，考虑各批索张拉的相互影响，精确控制整个张拉过程中各索的索张力，从而减少调整的次数，提高施工过程可控性及施工精度。

    2.4.2 张拉方案

    首先在帆体钢结构卸载完成后进行挂索，横向索均按照原长挂在钢结构两端，纵索仅上端挂在钢结构上，下端自由。挂索完成之后，按照钢索的无应力长度将横向索和纵索用索夹连接，进行下面的施工模拟分析。本文的施工模拟计算考虑到施工张拉的实际过程，以纵索为张拉对象，施工模拟采用索长控制的方法。纵索索长变化按照总长度的80%、50%、20%、0%四个阶段进行控制，每个阶段分成两次张拉，先张拉两边纵索，后张拉中间纵索(如图9)。

    2.4.3 施工控制方法

    整个索网的张拉是在钢结构卸载之后进行的，首先是挂索和安装索夹，接着按张拉顺序和张拉方案进行索网的整体张拉。整个施工模拟过程分成4个阶段。

    张拉阶段A：帆体钢结构卸载。中间索网处于最终的张拉结束状态，在这一步计算过程当中索网节点被约束，仅边界区域索长发生变化，此索网形态作为挂索计算初始状态。

    张拉阶段B：索网挂索(单独挂索)。挂索时纵索下端自由，另外两边固定，索网边界固定节点是上一步钢结构卸载之后的节点坐标。挂索计算初始状态是钢索的无应力状态，初始长度为钢索的无应力长度(该长度通过索网最终状态的索长和内力计算得到)。将此索网数据(仅形态坐标和连接拓扑、无张力)导出，但此时当前索长为平衡态张力下长度，可由弹性模量反求出各索无应力长度(下料长度、初始长度)。根据机构混合分析理论，分析在自重(将索段、索节点均转化为节点集中荷载施加于节点)作用下、保持索无应力长度不变，计算其平衡态，此结果为单独挂索态。该步骤实现了节点自重作用下索网初始无内力时的索网平衡状态。

    张拉阶段C：索网挂索(协同挂索)。张拉阶段B实现了挂索机构的转换，但挂索产生的索张力对钢结构有影响，即挂索的协同工作未考虑。因此，将单独挂索结束时索网节点坐标和索内张力带入初始几何状态的钢结构当中，约束内部索网节点，重新进行钢结构的卸载分析，然后去掉约束，得到索网挂索(协同挂索)之后整体结构的初始张拉状态，该状态作为索网张拉施工模拟的初始状态。索网变形见图10所示。

    张拉阶段D：施工模拟。在整体结构挂索结束计算基础上，按照张拉顺序和张拉方案进行索网的分段､分批施工模拟分析。

    如图11所示，横向索上端短索内力较大，已经达到横向索最终张拉结束状态内力；横向索从上到下内力逐渐减小，下端最小有9kN。纵索下端自由，所以纵索内力较小，上端较大为28.8kN，下端逐渐减小为0。

    张拉纵索50%时，纵索内力增大，横向索内力下端逐渐增大，最大达到106kN，上端基本保持不变，索网整体内力提高(图12、图13)。张拉纵索100%时，竖向在161kN~188kN之间，达到了索力张拉最终要求。横向索内力基本保持在60kN~90kN之间(图14、图15)，也达到横向索的最终张拉要求。

    2.4.4 小结

    (1) 经过施工模拟分析，可以在施工过程中采用位移和力同时控制的方法，实现索网的整体张拉；

    (2) 整个计算过程中没有出现索退出工作的现象，并且最终的索力已经达到索网设计要求，所以竖索张拉方案可行；

    (3) 经过挂索分析之后，索网位移在钢结构卸载之后较小，可以认为这个状态即为索网张拉的初始状态，这样的分析也比较符合实际情况，能够比较真实地反应索网挂索之后内力和曲面状况。

    3. 现场施工

    本工程的施工由多家施工分包参与其中，而具体的施工分项又分为：混凝土分项、帆体钢结构分项､索网幕墙分项､屋面分项，头绪众多，对现场的管理造成很大的困难。概括说来，本工程施工具有以下难点：

    (1) 中央帆体结构座落在+12m标高的钢筋混凝土结构上，两部分间的过渡区域必须提供安全、可靠的刚度，以保证作用于帆体上的荷载顺利传递至基础；

    (2) 体量巨大的帆体结构两部分主要通过五个铰接节点相连，并通过张拉后的单层索网连成整体。因此五个铰接节点是结构成败的关键，受力巨大并且复杂，如何在满足安全度及转动构造要求的同时满足建筑美观的要求是个难题；

    (3) 南北向布置的单层索网结构体系为玻璃幕墙的柔性支承结构，必须施加足够的预张力以保证其变形符合相关规范。索网的预张力和壳体刚度是密不可分的，互相影响，必须整体建模分析｡

    (4) 现场施工对玻璃的安装精度､最终的建筑形态影响非常大。索网的张拉过程和周边支承结构的受力是互相关联的，必须进行结构施工过程分析，确定不同步骤索内张力大小、分布和支承结构的内力，并形成刚度，为下一步荷载步骤提供初始条件。在分级､分批张拉索的同时考虑玻璃安装顺序，从而较精确地确定玻璃安装过程中结构的变形形态，为现场施工提供控制指标，使现场施工是可控的。根据以上特点，从设计角度出发，认为本工程的施工应满足以下原则：精心施工，动态控制，分阶段验收，确保各道工序顺利衔接，把施工总风险通过层层把关、层层控制予以消除。经过施工专题技术研究和施工准备。整个安装分为三个阶段。第一阶段先安装至C节点合拢，实现钢结构初步稳定。第二阶段进行帆体悬挑部分的安装，完成整个帆体钢结构施工及最终的整体卸载。第三阶段进行索网部分张拉施工。由于前期精心准备，施工中严格按施工组织设计施工，工程质量通过业主、监理组织的验收，一次验收合格。

    通过对中国航海博物馆项目设计过程的总结，对结构关键技术进行了提炼，并揭示了设计与研究的互相促进、互相依存的内在联系。复杂空间结构项目设计的固有特点决定了对结构工程师的高标准的要求，不仅要求他必须象建筑师一样思考(结构、节点就是建筑美)，更要求他具有决策、协调、整合资源、营销设计思想的能力。希望本文能为同行提供借鉴，共同促进结构设计的繁荣，提升结构工程师对复杂项目设计的掌控力｡            文/周晓峰