国家电网科研产业基地高层索网玻璃幕墙结构设计

廖树建

（上海鸿栋幕墙装饰有限公司，上海 201514）

1 工程概况

1.1 项目概述

本项目为国家电网公司智能电网科研产业（南京）基地的幕墙工程建设项目，幕墙结构整体采用框架剪力墙结构。幕墙尺寸规模较大，整体高度为98.5m，总面积为4.63万m2，工程总造价为6439万元。就所涉及的幕墙子系统而言，整体工程涵盖塔楼竖明横隐式单元幕墙、索网结构点式玻璃幕墙、肋支撑点式玻璃幕墙、开放式干挂洞石幕墙、全隐框玻璃幕墙、明框玻璃幕墙、铝单板幕墙、钢结构玻璃雨蓬、铝合金格栅、铝合金玻璃栏杆和地弹门系统等，项目内容之多、质量把控之严，都对设计施工团队的组织架构、前期设计和现场管理提出了极高的要求[1]。

1.2 工程建设流程

工程的总体流程包括组织架构制定、前期现场勘验、深化设计及图纸加工、主体结构材料的工艺设计、材料的制备及预张拉、材料的质量把控及验收、入场前期准备及平台搭建、幕墙结构拉索的安装、玻璃的安装以及各类载荷及应力的仿真计算等。

本论文主要讨论的是从幕墙工程子系统中的高层建筑索网玻璃幕墙（用于南立面主楼）的难点分析、图纸设计、材料加工、施工安装、节点优化等内容入手，探索出一套施工效率高、创新程度高、结构安全性高、视觉效果好的高层索网幕墙整体解决方案。

2 高层索网玻璃幕墙设计难点

南立面主楼的高层索网玻璃幕墙设计难点主要可以从施工概述、性能标准、材料选择、深化设计等方面来阐述：

2.1 施工概述

本案所涉及的单层索网幕墙用于主楼南立面，最大施工标高到57.3m，索网幕墙面积约1600m2，尺寸为宽度27m，高度60m，覆盖南立面的6～9轴间。拉索的设置方式覆盖1～12层，在五层、九层增设拉索桁架，将竖向索分成三段：1～5层所需竖向索长约21m，共17根，横向索27m根，共7根；5～9层的竖向索长约16.4m，共需竖向索17根，横向索7根；9～12层的竖向索长约15m，共需竖向索17根，横向索6根。

2.2 标准规范

本项目严格遵循如《玻璃幕墙工程技术规范》（102-2003）及其他相关的国家标准和行业技术规范，同时还需满足甲方所制定的更高需求，具体如下：项目所涉的玻璃幕墙要能够承受Wo=0.40kN/m2的风压，承受0.65kN/m2的雪压，抗震设防烈度为7度，主体安全结构为二级，同时对气密性能、水密性能、保温性能、隔声性能、平面内变形性能等都有着严苛的要求；

2.3 材料选择

高层索网玻璃幕墙所涉及的主要材料包括10Low-E+12A+10钢化中空玻璃（均质热处理），幕墙钢桁架和拉索耳板采用Q345B及Q235B钢材，铝板选用3003-H24型氟碳喷涂处理的铝板，碳钢拉索采用高钒碳钢M28拉索，配备高钒碳钢夹具、不锈钢玻璃肋夹板及SUS316不锈钢接驳材质；

2.4 深化设计

经过前期的现场测量，得到所需制备的拉索玻璃幕墙的尺寸：因此幕墙面积较大，这对于拉索应力的分布和形变的控制提出了很高的要求，需用通过深化设计来优化，具体体现在采用新的拉索工艺，应用新的拉索和夹具材料，最终通过仿真验证之后进行材料的制备、进场和安装。

3 高层索网玻璃幕墙设计

3.1 结构体系构建

高层索网玻璃幕墙主体结构面积约1600m2，宽27m2，高60m2，为规则的矩形平面。在结构体系上，鉴于本案的挠度控制难度大于结构强度控制，所以本幕墙为挠度控制结构体系。在受力体系上，考虑到由于主体结构的特征，单层索网幕墙受力体系应为横向拉索和竖向拉索共同抵抗风载的方式，其中横向拉索传递给主体结构的拉力相对偏小。挠度控制结构体系的技术指标为索网体系的挠度变形控制小于1/50；上部桁架梁的挠度变形控制小于1/400。

3.2 选型设计

本案中横向拉索和竖向拉索的选材均采用GALFAN材质，即高钒拉索[2]。高钒拉索是一种锌、铝和稀土混合合金涂料，作用于钢材的防腐增强，其中锌所占比例为95%以上，其显著特征是能够克服环境因素带来的电化学钢索腐蚀，且延展性和可变性能力亦较强，具有良好的机械性能。竖向采用管径φ28的高钒拉索，横向则为φ22。其中竖向φ28高钒拉索的抗拉强度等级达到1670MPa，拉索最小破断力为668kN，其强度和硬度与原方案中的而SUS316不锈钢φ32直径的竖向拉索相当，竖向索与桁架连接采用三角链接的方式，具有可靠的安全性能和耐久性能。由此观之，替换后的机械性能、抗腐蚀性能和经济效益都得到了良好的保障。

3.3 节点设计及优化

高层索网玻璃幕墙主体结构由多层竖向及横向拉索构成，初期的设计方案中，竖向拉索采用三段式体系，其优势在于三段拉索能够减小中间拉索的应力形变，一定程度上增强结构体系的稳定性。三段式的竖向拉索缺陷特征也较为明显，即将三段拉索分段之后，拉索的预应力无法得到统一的调节，且交界处容易产生明显的压力差，导致此处玻璃容易受应力影响而破裂。

优化后的方案则是直接布置了60m通长的竖向拉索，解决了竖向索预应力施加难的问题，且便于后期预应力调节和检查。同时，团队还设计非标准夹具，利用20m和40m标高位置主体钢桁架，固定竖向拉索，从而有力地解决竖向拉索中间变形过大问题，从而确定了如下的拉索张拉施工方案：

3.3.1 拉索结构幕墙预实验

首先针对幕墙的基础设计性能（抗风压性能、水密性、气密性、地震位移等进行检测）；对拉索结构的承载静力按照1.5倍设计值的大小检测；进行钢索破坏力的检测；对连接机构的机械强度进行鉴定；对材料的物化性能进行试验。

3.3.2 安装方案

竖向拉索：鉴于本案中最长的竖向拉索φ32约60m，重约378.6kg，因此采用1t拉力的电动葫芦，从下向上拉设钢索直至顶部与耳板进行连接。

横向拉索：横向拉索的安装采用人工方案，即利用脚手架操作平台上，人工抬搬安装到位，两端耳板连接完成安装。

3.3.3 不锈钢玻璃夹具安装

本案创新使用了一套不锈钢玻璃夹具系统，即在两块玻璃的缝隙之间用夹具直接将玻璃边缘夹住，不仅避免了在玻璃上开孔产生应力集中的安全隐患，同时提升了安装精度，有利于施工的维护与调节，从经济效益而言，不锈钢玻璃夹具的使用同时也节约了玻璃开孔的生产成本，提高施工的效率和可靠性。

夹具的安装工序在竖向和横向索安装完成之后，这样可以有效避免索网张拉完成后无法进行夹具安装的问题。玻璃夹具与索的连接，其固定螺栓无须完全紧固（达到一半的紧固程度即可），这样可以有效规避索网在张拉过程中的拉伸变化对拉索造成的应力损伤。

3.3.4 预应力张拉

预应力张拉是拉索体系安装的重要环节。预应力张拉的核心要素是使得预应力分布均匀，从而减少拉索对主体钢结构的影响，提高整个体系的稳定性。拉索在张拉之前，根据设计方案节点，先安装与横向索和竖向索固定连接的不锈钢支撑杆，不锈杆支撑与拉索的固定使用螺栓固定方式，固定牢固度约为30%，等拉索的三级张拉完成后再调整固定；预应力张拉环节在单层双向索网系统的横向和竖向索网全部安装完成后进行。对于预应力张拉的测试，单层双向索网系统的测试选用液压式张拉仪，该张拉仪配的液压器，张拉压紧装置，压力测试显示仪等，能够方便快捷得出张拉的结果，有助于施工效率的提升，具体的张拉和测量过程如下，分为三级：

第一级：当横向索和竖向索全部安装到位后，跟随计划进行拉索张拉，采用专用工具将索拉直，并使用有拉力传感器的液压张拉仪进行第一级张拉（施加预应力按最终预应力值的50%），从两端向中部逐条张拉，误差控制在5%的范围内。

第二级：中部节点空间定位尺寸基本到位后进行第二级张拉（施加到最终预应力值的85%）。从两端向中部逐条张拉，索的张拉过程必须检查不锈钢支撑杆连接横竖索对其的影响，保证主体结构的安全性能，误差控制在5%的范围内，张拉完成24h之后检查各边部节点和中部节点以及边缘支承结构。

第三级：当确定各节点和边部支承结构无异常情况后，进行第三级张拉（施加到最终预应力值的100%），之后进行尺寸精度测量调整（消除横、竖索的相互干扰）锁紧各节点的连接机构。第三级张拉完成72h后再进行尺寸复合，采用高精度的索内力测定仪对索内应力进行检测，确认内力均衡后方可进行下一道安装工序。

预应力的张拉过程中需要考虑温度、节点随应力的定位精准度、测量仪器的标定、支撑结构的形变情况以及张拉完毕后的卸载速度（卸载速度应小于等于10kN/min）等关键因素，确保预应力张拉过程对拉索本身和支撑结不带来损伤。

3.3.5 玻璃安装

完成上述拉索安装和预应力张拉后，即进行配重检测和玻璃安装，其中配重量为玻璃自身重力荷载的1.2倍，通过逐级增加的方式减小形变和应力集中现象，保证配种检测完成后，节点位移量低于2mm。玻璃的安装方案为点支式，从下向上逐层进行，一边拆除配重，一边安装玻璃板块，每层安装完毕后以“横平、竖直、面平”的标准进行检查，同时核验胶缝大小。待玻璃敷设完成后进行嵌缝注胶，通过酮硅胶进行注胶，加强玻璃接缝的吻合度和机械应力。

4 设计效果

从整体的设计效果而言，通过上述方案，本工程实现了大面积的高层双向索网玻璃幕墙的安装，制备了归正矩形形貌的拉索玻璃幕墙，从视觉效果而言达到了甲方的设计需求。从工程技术而言，由于采用了新工艺、新材料替代了传统方案，在保证索网幕墙的机械强度的同时，减轻了拉索的自重，节约了的材料的制备成本，提升了拉索的抗电化学腐蚀性能。从工程质量管理而言，本案对于拉索安装细节的注意事项把控到位，同时应用创新的不锈钢玻璃夹具提升了施工的效率和精准度，有效地消除了质量安全隐患，达到了超越预期的设计效果，最终获得了南京市的“金陵杯”优质工程设计。

5 结论

南京市国家电网科研产业基地高层索网玻璃幕墙的结构设计和工艺优化项目的顺利交付，促进了新材料、新工艺和新方案的工程应用，展示了基于工程质量的创新突破对工程带来的经济效益和质量效益双重优势，为今后的相关建设项目提供了技术经验。