无横梁明框玻璃幕墙系统在铁路站房中的应用

孙士良

（中铁建设集团有限公司北京中铁装饰工程有限公司，北京 100040）

1 设计方案选择

1.1 无横梁明框玻璃幕墙系统

无横梁明框玻璃幕墙系统的主要特征为：由托板代替标准明框玻璃幕墙系统的横梁承担玻璃自质量，并传递给竖向龙骨。针对北京朝阳站幕墙系统项目，在设计方案中，可采用10 mm 厚Q345B 钢托板（见图1），通过焊接的方式固定在竖向钢龙骨上，铝扣座通过打钉的方式与钢立柱连接，玻璃板块安装在相邻2个钢托板上，钢托板设置柔性垫片，并通过铝合金压板固定，最后外扣装饰扣盖。标准横剖节点、纵剖节点示意分别见图2、图3。

1.2 标准明框玻璃幕墙系统

图1 钢托板示意图

图3 无横梁明框玻璃幕墙系统标准纵剖节点示意图

标准明框玻璃幕墙系统分格尺寸玻璃面板配置与无横梁明框方案相同，但横龙骨采用矩形钢横梁（见图4），横梁承担玻璃自重并分担水平荷载。

图4 标准明框玻璃幕墙系统标准纵剖节点示意图

标准明框玻璃幕墙系统（见图5）增加了横向支撑，进一步增加了结构的安全性。但由于室内增加了横梁，室内外横龙骨外露可见，通透效果大大降低。

图5 标准明框玻璃幕墙系统效果图

通过对2种方案的安全性、美观性及经济适用性等方面进行综合对比，得出无横梁明框玻璃幕墙系统不仅简洁明快、线条流畅，通透效果极佳，并且更节能环保、经济适用，更符合“畅通融合、绿色温馨、经济艺术、智能便捷”的新时代智能客站精品工程的文化理念。

2 项目概况

北京朝阳站位于北京市朝阳区星火东路，是京哈高铁的始发站，是连通东三省至京津冀地区的交通动脉。站场规模为7 台15 线，站房规模为18.3 万m2，雨棚区面积6.2 万m2，建筑分为地上2 层，地下1 层，局部设置商业夹层；屋面最高处可达46.3 m，檐口高度37.0 m，屋架采用钢筋混凝土柱加空间钢桁架结构体系［1］。北京朝阳站的无横梁明框玻璃幕墙位于站房的东西南北4个建筑立面，其中主要集中在中央站房的南北东3 个立面的10 m 层以上及西站房的24 m 层以上部分，幕墙总面积达15 000 m2。龙骨形式采用钢龙骨外露的做法，主龙骨采用焊接钢矩管，表面进行氟碳喷涂处理。北立面10～24 m 高度处采用规格为400 mm×250 mm×12 mm 的焊接钢立柱，24 m 以上部分则采用260 mm×125 mm×12 mm 的焊接钢龙骨（见图6）。东立面和南立面等没有金属屋面的幕墙立柱采用300 mm×150 mm×12 mm 的焊接钢龙骨。3 个立面外露扣盖统一为125 mm，整体外观宽窄一致，效果轻盈美观。

图6 北立面焊接钢立柱与钢龙骨

北京朝阳站站房工程的无横梁明框玻璃幕墙系统采用HS8+1.52Pvb+HS8Low-E+12A+HS8+1.52Pvb+HS8 超白半钢化夹层中空双银Low-E 镀膜玻璃，更加突出了幕墙的通透性和美观性（见图7），符合原设计初衷。且无横梁系统的用钢量大大降低，更符合节能环保的设计理念。

图7 无横梁明框玻璃幕墙系统效果图

北京朝阳站无横梁玻璃幕墙项目的重难点在于钢托板支撑的2点受力体系能否满足受力需求，保证长期的稳定和安全性能。如果能够在设计阶段进行合理优化、科学创新，施工过程中通过样板引路加以熟练运用，就可以在满足建筑外观及物理性能的基础上，做到简洁明快、线条流畅、分格清晰、造型独特，充分体现新时代智能客站精品工程的时尚风格与现代气息。

3 设计分析

3.1 玻璃强度、挠度校核

3.1.1 基本参数

（1）分格尺寸：2 000 mm（宽）×2 780 mm（高）；

（2）玻璃配置：双夹胶中空玻璃，第1 片—第4 片均为8 mm钢化玻璃；

（3）驳接形式：对边简支。

3.1.2 玻璃强度校核

建筑结构设计时，对不同荷载应采用不同的代表值［2］。单片玻璃在垂直于玻璃幕墙平面的风荷载和地震力作用下，玻璃截面最大应力应符合下列规定：最大应力标准值可考虑几何非线性的有限元方法计算，也可按以下公式计算：

式中：σwk、σEk分别为风荷载、地震力作用下玻璃截面的最大应力标准值，N/mm2；wk、qEk分别为垂直于玻璃幕墙平面的风荷载、地震力作用标准值，N/mm2；a 为矩形玻璃板材短边边长，mm；t 为玻璃的厚度，mm；E 为玻璃的弹性模量，N/mm2；m 为弯矩系数；η 为折减系数；θ为参数［3］。

则第1片玻璃产生的最大应力为：

可见，玻璃强度满足要求（fg为玻璃强度设计值）。

同理，按照式（4）计算第2 片—第4 片玻璃产生的最大应力，计算结果均为26.386 N/mm²，玻璃强度均满足要求。

3.1.3 双夹胶中空玻璃挠度校核

双夹胶中空玻璃产生的最大挠度为：

式中：df为在风荷载标准值作用下挠度最大值；μ 为挠度系数；wk为垂直于玻璃平面的风荷载标准值，N/mm2；D 为玻璃的刚度；df（min）为风荷载标准值作用下的玻璃挠度限值。

经计算，双夹胶中空玻璃挠度满足要求。

3.2 钢托板及玻璃强度校核

采用大型有限元软件ANSYS 进行计算，选用Solid95 单元（3 维20 节点实体单元）建模分析，玻璃中部最大应力为185.017 N/mm2，小于310.000 N/mm2，满足要求（见图8）。

图8 ANSYS建模计算应力云图

通过计算机软件建模分析，双夹胶中空玻璃每片玻璃产生的最大应力为26.386 N/mm²≤84.000 N/mm²，玻璃强度满足规范要求。

在设计组合下，玻璃产生的最大挠度为24.020 mm≤33.333 mm，变形量满足规范要求。

4 施工工艺流程及重难点分析

4.1 施工工艺流程

根据玻璃幕墙的分格尺寸和图纸要求进行精准放线及定位，参照图纸对所放定位线进行复核无误后，方可进行龙骨施工。

玻璃幕墙10～24 m部分钢结构立柱下口通过栓接的方式固定在预埋钢板上，上口则采用满焊连接的形式固定在钢结构箱梁上。梁柱连接节点可采用栓焊混合连接、螺栓连接、焊接连接、端板连接、顶底角钢连接等构造［4］。24 m以上部分焊接钢立柱下端通过6 mm厚L 形镀锌钢板转接固定在24 m 的钢结构箱梁上，转接件与焊接钢立柱通过螺栓连接。幕墙及其连接件应具有足够的承载力、刚度和相对于主体结构的位移能力［5］。钢龙骨上口通过20 号槽钢与14 号槽钢2 次转接，与建筑屋面钢结构桁架进行栓接，槽钢转接件开长圆孔，防止钢结构桁架下沉，荷载通过钢立柱向下传导造成玻璃大面积自爆。钢立柱安装完成后放出标高线，根据图纸要求对钢托板进行定位。玻璃钢托板通过四面围焊固定在焊接钢立柱上，U形钢件则与钢立柱两面焊接，待满焊完成清除焊渣，检查焊角高度及焊缝质量满足要求即可进行氟碳喷涂施工。

待钢龙骨面漆施工完成，将铝合金底座扣坐在U 形钢件上，每间距300 mm 打钉固定。铝合金扣座安装完成即可安装玻璃。

玻璃通过机械吊装方式进行安装，玻璃板块安装在相邻的2个钢托板之间，玻璃托板设置柔性垫块，玻璃通过铝合金压板安装固定。幕墙玻璃安装完成后，安装铝合金扣盖并打胶清理。

4.2 工程重难点分析

北京朝阳站玻璃幕墙结构支撑采用无横梁的整体支撑受力体系，具有竖向承载构件受力集中，承受风荷载、地震荷载及自重荷载，结构受力复杂等特点，对玻璃及托板的应力变化影响较大。考虑到站房人流密集和旅客安全，既要保证幕墙结构的安全稳定，避免后期玻璃破损造成维修困难，又要保证室内良好的通透性，因此在设计阶段，钢托板的形式、焊接强度及玻璃受力方式等成为影响结构安全与施工质量的重要因素；在施工过程中，玻璃钢托板的焊接质量把控则是保证幕墙结构安全稳定的重点工作。

5 结束语

无横梁明框玻璃幕墙系统在设计上取消了传统横梁，极大地提高了玻璃幕墙的通透性及室内效果。该系统在北京朝阳站站房的运用，在保证建筑外观和物理性能的基础上，节约了大量材料，且托板组件可方便玻璃幕墙的安装，针对局部玻璃面板能够实施快速有效的拆装，操作简单、稳定可靠，为玻璃安装及维修更换节约了大量时间。在铁路部门信息数据具有明显空间分布特征的背景下［6］，为新时代智能客站文化性与艺术性的提升提供了便捷条件。

北京朝阳站站房工程无横梁明框玻璃幕墙系统的设计与施工实践，解决了玻璃在无传统横梁支撑条件下的受力稳定性，降低了玻璃在人群密集站房环境中的破损风险，提高了玻璃幕墙整体安全性能。