全玻璃幕墻設計

繆 錦 婷

(嘉特納幕墻(上海)有限公司，上海 200000)

1 概述

隨著人們對于建筑外觀的要求越來越高，通透、大氣的裙樓主入口成為了建筑師及業主首選。在玻璃幕墻體系中，屬全玻璃幕墻最為透明、晶瑩。單樓層櫥窗已不能滿足現今需求，挑高、超寬板塊已漸漸成為主流。

全玻璃幕墻是指由玻璃肋和玻璃面板構成的玻璃幕墻。玻璃既作為飾面，又作為承重結構。

全玻璃幕墻按構造分為：帶肋全玻幕墻和無肋全玻幕墻(也稱櫥窗)。

按安裝類型分為：座地式和吊掛式。

一般帶肋全玻幕墻采取吊掛式結構，無肋全玻幕墻多采用座地式。

下面通過描述及案例，具體介紹此兩種方式。

2 座地式無肋全玻幕墻

2.1 規范要求及注意事項

1)根據規范JGJ 102—2003，下端支撐全玻璃幕墻最大高度見表1。

表1 下端支撐全玻幕墻的最大高度

但隨著玻璃制造工藝的更新改進，超寬超高全玻璃幕墻應用已成為可能，現有很多項目已超出規范要求值，例如上海恒基名人Apple Store以及下文提及的工程案例等。規范限制玻璃高度及厚度主要考慮在自重作用下，面板、肋板處于偏心受壓狀態，容易出現平面外的失穩，且玻璃變形較大，影響美觀。如今，夾膠玻璃層數已不局限于兩層玻璃夾膠，四層、五層玻璃夾膠比比皆是。玻璃厚度的增加以及構造措施可以有效解決失穩及變形問題，為建筑外觀帶來了更多的可能性。

2)玻璃表面與端面不應與剛性材料接觸，容易造成玻璃破損。為避免玻璃破碎，規范規定：

a.玻璃底部應采用至少兩塊彈性墊塊，長度不小于100 mm，厚度不小于10 mm。

b.玻璃與槽壁間需采用硅酮密封膠，與剛性材料間空隙需不小于8 mm。

c.座地式全玻璃幕墻需驗算自重荷載下玻璃端面及墊塊的強度。

2.2 超高座地式全玻璃幕墻應用

下面我們來舉個實例敘述如何通過結構計算及構造措施解決超高座地式全玻幕墻存在的問題：

某深圳直營旗艦店項目，位于廣東省深圳市南山區深南大道與沙河西路交匯處(科技園東區)萬象天地。該項目建筑是獨棟單體，幕墻總高度為16 m，幕墻面積約為3 000 m2。幕墻主要系統包括：1)樓梯側超大玻璃幕墻系統;2)一樓超大落地玻璃幕墻系統;3)二樓立面玻璃幕墻系統;4)二樓裙邊玻璃幕墻系統；5)超大玻璃欄桿系統。

樓梯側超大玻璃幕墻系統最大高度為9 000 mm，寬度為1 500 mm，采用12+1.52SGP+12+1.52SGP+12+1.52SGP+12+1.52SGP+12超白鋼化均質玻璃，共5片，頂底采用鋼槽通過螺栓與主體鋼架連接。

玻璃結構校核如下：

由于采用SGP夾膠片，保守計算等效厚度為所有玻璃厚度相加，實際計算等效厚度會大于此值。

玻璃等效厚度為t=12+12+12+12+12=60 mm；

風壓標準值為Wk=1.77 kPa。

按對邊簡支考慮，根據規范計算得：

變形值為：df=102.9 mm<變形允許值：9 000/60=150 mm;

應力值為：σ=47.5 MPa<強度設計值：84 MPa。

根據Sap2000按實際受力建立模型計算得：

變形值為：df=12.78 mm;

應力值為：σ=50.4 MPa。

變形圖見圖1，應力圖見圖2。

模型主要考慮了玻璃間結構膠的作用，使玻璃互相依靠，有效控制變形，而公式計算則完全考慮豎向邊不受約束，與實際存在差異，因此模型計算更能反映實際結果。

從模型中我們能看到玻璃底部只有一個承重點，節點參考圖3，與規范要求不符，那么為何會如此設計。原因就是為了避免因玻璃過高引起左右玻璃的豎向沉降不一致，出現錯縫現象。我們將一般工程玻璃高度及層間位移角與此工程的特殊情況做了對比，具體對比數據如表2所示。

表2 不同高度玻璃的變形

通過對比我們發現玻璃豎向位移相差非常多，若底部墊兩個墊塊，容易造成其中一個墊塊失效，玻璃更會撞到槽底，造成破壞。因此考慮在正中位置裝置搖擺器承重，保證玻璃承重不出現問題，始終處于垂直狀態，同時能滿足樓層間的變形要求,見圖3。

3 吊掛式帶肋全玻幕墻

3.1 規范要求及注意事項

1)玻璃肋結構及構造要求。

a.玻璃肋截面厚度不小于12 mm，高度不小于100 mm。

燈樁設計建設標準化主要效果：從建設方而言，減少勘察設計工作量、降低建設成本、縮短建設周期、方便施工管理和工程質量控制、便于維護管理。從航標用戶而言，統一顏色便于識別、燈樁成鏈信號更可靠。

b.采用夾膠玻璃的玻璃肋，其等效厚度可取玻璃厚度之和。

c.風荷載作用下，玻璃肋撓度限制取1/200跨度。

d.玻璃肋跨度大于8 m，需進行平面外穩定驗算。

2)玻璃肋連接要求。

a.連接玻璃肋的金屬件厚度不小于6 mm，連接螺栓直徑不小于8 mm。

b.采用夾膠玻璃的玻璃肋，其等效厚度可取玻璃厚度之和。

c.螺栓與玻璃孔之間應設置軟鋁、軟銅等金屬襯套，也可采用環氧膠填充密實。

d.玻璃肋孔邊距離需大于3倍玻璃厚度和2倍孔徑，且大于70 mm。相鄰兩孔邊距大于5倍玻璃厚度和4倍孔徑，孔中心距小于8倍孔徑。

e.計算連接時，需考慮玻璃孔壁承壓及孔內填充材料的擠壓強度。

3.2 超高吊掛玻璃肋全玻幕墻應用

下面我們結合實際工程案例來闡述一下超高吊掛玻璃肋全玻幕墻的設計要點：

某商業建筑底層，位于北京市通州區，裙房入口采用吊掛式玻璃肋全玻幕墻，最大高度為9 m，面板玻璃寬度為1 500 mm。玻璃肋頂部通過吊夾連接于主體結構，底部入槽固定，留有上下位移空間。玻璃面板分為上下兩片，上片重量通過頂部吊夾傳遞于主體結構，下片重量通過連接件連接于玻璃肋底部，由玻璃肋承擔重量，因此在自重作用下，玻璃肋呈偏心受拉狀態。在風荷載作用下，玻璃肋頂底連接，可看做簡支梁模型。故可將玻璃肋看做拉彎構件。

本工程玻璃肋采用15 mm+1.78SGP+15 mm+1.78SGP+15 mm的三片夾膠玻璃，寬度根據計算取500 mm，風荷載標準值為1 kPa，組合荷載設計值為2.13 kPa。

玻璃肋最大彎矩M=qL2/8=(1 500 mm×2.18 kPa)×(9 000 mm)2/8=33.11 kN·m。

1)穩定性校核如下(參考澳大利亞規范AS 1288—2006)：

有效防失穩剛性約束的間距，一般取玻璃肋跨度：Lay=h=9 000 mm；

玻璃肋繞弱軸方向抗彎剛度：EIy=d×t3/12=72 000 MPa×500 mm×(45 mm)3/12=273.37 kN·m2；

屈曲系數：g2=3.6,g1=1.4;

玻璃肋抗扭慣性矩：J=db3/(1-0.63b/d)/3=1 432.64 cm4;

玻璃肋抗扭剛度：GJ=28.7 GPa×1 432.64 cm4=411.17 kN·m2;

荷載作用點與玻璃肋中性軸距離：yh=500 mm/2=250 mm;

玻璃肋的屈曲臨界彎矩：Mcr=(g2/Lay)[(EIy)(GJ)]1/2{1-g3(yh/Lay)[(EIy)(GJ)]1/2}=129.85 kN·m。

安全系數為1.7,考慮國標計算荷載時已包含安全系數1.4，且國內外對于材料安全系數取值有所差異，因此按屈曲臨界彎矩大于玻璃肋承受彎矩荷載設計值的1.14倍作為校核依據。

Mcr/1.14=113.91 kN·m>M=33.11 kN·m。

綜上所述，此玻璃肋的整體穩定性滿足要求。

2)吊掛玻璃肋除了注意穩定性，還需要注意吊掛位置的連接設計，如下：

a.由于此節點除了承受直接風荷載及自重作用，還要考慮彎矩引起形成的剪力值，為了盡量減小此剪力值，設計時需盡可能加大螺栓間距，同時也要考慮邊距破壞影響。

b.由于玻璃開孔存在偏差，且螺栓與玻璃孔之間存在間隙，容易導致玻璃旋轉，甚至出現單片玻璃受力的情況，因此需要在此間隙填充軟性材料，且要求材料有較強的抗擠壓性能，例如喜利得HY-70。

本工程采用喜利得HY-70填充，經計算單顆螺栓所受合成剪力值為6.43 kN，玻璃面擠壓力為2×6.43 kN=12.86 kN，玻璃厚度為45 mm，螺栓直徑為20 mm，根據表3得出5.1 kN+9.8 kN=14.9 kN,滿足設計要求。

表3 喜利得結構膠承載設計值

根據產品手冊要求，螺栓或套筒與玻璃孔之間的間隙應在3 mm～20 mm之間，且溫度要在60 ℃以下，才能使此材料有效工作，保證結構安全。另外需注意玻璃開孔工藝上，孔壁不平整度應不小于1.0 mm。

4 方案對比

座地式無肋玻璃幕墻及吊掛式帶肋玻璃幕墻都是以全玻璃幕墻形式體現，前者由于其通透性、室內空間阻擋少，更受建筑師喜愛，但由于玻璃面板需要厚度較厚，面積多超標準規格，價格也就稍高。后者在工程上的運用相較前者更為普遍，但現場施工方面也相應增加難度，例如現場打膠、玻璃拼接等問題。從性價比考慮，更多業主會選擇后者，既能達到一定的通透性，也不至于價格過高。

5 結語

跨層全玻幕墻的應用越來越廣泛，而國內的規范對于這部分還屬于初級階段，對超高玻璃肋的穩定性計算國內規范更是空白，本文主要針對此空缺做了簡要描述，結合實際工程案例，對全玻璃幕墻的兩種形式給出了一些建議和注意事項，供大家參考。