預應力雙向單層拉索幕墻技術在建筑外飾設計上的應用

程玉英

上海竹園工程管理有限公司 上海 200127

隨著現代建筑技術的不斷發展，建筑的美觀性也越來越受到人們的青睞，幕墻在建筑工程中的應用也越來越廣泛。玻璃幕墻的結構形式也由單一的框架式向多元化發展，出現了肋玻結構形式、鋼桁架結構形式、網架結構形式、索桁架結構形式等等。而其中以預應力拉索或拉桿作為支撐結構的玻璃幕墻，以其簡潔、通透的特點在國內外得到了廣泛的應用[1]。

單層拉索幕墻是點支式玻璃幕墻體系的一種重要類型，可分為單向索網和雙向索網。預應力雙向單層拉索幕墻由豎向受力索和橫向穩定索組成，對于玻璃幕墻來說，是一種全新的受力體系。

單層拉索幕墻結構以其自身的柔性大、質量輕、阻尼小、自振頻率低[2]等特點開始不斷地被應用于實際當中，代表著大尺度幕墻結構的發展趨勢[3]。本文介紹了上海國際金融中心項目大面積采用的拉索幕墻系統，供其他類似項目參考。

1 項目概況

上海國際金融中心項目（下稱“國金項目”）位于浦東新區竹園公園商貿區內，項目主體建筑包括3棟超高辦公樓及連通3棟塔樓的廊橋。

外幕墻采用預應力雙向單層拉索幕墻，立面效果晶瑩剔透（圖1）。拉索幕墻總體量約為26 000 m2，主要位于各塔樓立面的中間部位。國金項目3棟塔樓拉索幕墻的水平寬度均為24 m。高度方向分低區和高區：低區均為40.0 m；高區則根據塔樓高度的不同而不同，最高達117.5 m，創目前行業內預應力雙向單層拉索幕墻之最。

圖1 上海國際金融中心項目

2 預應力雙向單層拉索幕墻的結構形式和特點

本工程中拉索幕墻結構采用預應力拉緊索網以組成穩定的表面系統，主要的支承結構體系為施加預應力后的正交布置拉索。

拉索固定于兩側鋼立柱和上下結構梁上，形成在外荷載作用下具有必要剛度和形狀穩定的結構。通過對柔性的拉索施加預應力，使預應力和內力在體系內實現自平衡，克服了單索剛度低、穩定性差、非對稱荷載作用下變形比較大的缺點。

幕墻表面材料選用10 mm＋1.52 SGP＋10 mm＋16 Ar＋10 mm＋1.52 PVB＋10 mm的全鋼化中空雙夾膠Low-E超白玻璃。玻璃外側比內側能抵擋更大風壓，外側夾膠玻璃采用高性能SGP夾膠片用于提高承載力。采用均質熱浸處理技術，降低玻璃的自爆率。玻璃中空腔體內充入氬氣，提高熱工效能。

采用夾持式無孔點支承玻璃幕墻體系（圖2），駁接件（包括夾具和夾邊式駁接頭）通過玻璃間的縫隙夾持玻璃，利用摩擦力傳遞荷載。在玻璃板和駁接件間設置橡膠墊片，保證節點處能發生一定程度的轉動，且防止玻璃與駁接件的金屬件直接接觸造成玻璃的破損。采用該幕墻體系的建筑通透性好，可以避免采用點爪式夾具時，在玻璃上面鉆孔引起的漏氣、破壞Low-E膜、影響美觀等一系列問題。

圖2 無孔點支撐玻璃幕墻的固定效果

3 預應力雙向單層拉索幕墻的設計要點

本工程中拉索幕墻系統的設計主要涉及拉索幕墻結構荷載的取值、索網受力模式及拉索截面的確定、拉索幕墻系統中開啟窗和門的構造設計、拉索固定后的微調等方面，具體分析如下。

3.1 拉索幕墻結構荷載取值

拉索幕墻設計的首要工作是結構計算，基礎為荷載取值原則。由于國內沒有專門的拉索幕墻規范可以參照，因此，在確定風荷載的計算值時，綜合了GB 50009—2012《建筑結構荷載規范》、JGJ 257—2012《索結構技術規程》和項目風洞測試報告，并從安全方面考慮，取其三者中的較大值。

3.2 索網受力模式確定

根據洞口水平向為短邊、豎直向為長邊，且洞口水平寬度尺寸遠小于垂直高度距離的情況，采用橫向短邊承受風荷載、豎向長索承受重力的受力模式。拉索上下間距2.5 m，大多數層高5 m，一個樓層有2根水平拉索。由于采用短邊受力，跨度較小，因此可以大幅度減少預應力，減小主索截面，達到既經濟合理又輕巧美觀的效果[4-6]。

3.3 拉索截面確定

確定索網受力模式后，根據荷載情況和邊界條件確定基礎性力學數據，通過允許變形值計算出預應力，得出軸拉力后，反推拉索截面的大小。

拉索的材質采用高釩碳鋼，與傳統不銹鋼材質相比，其破斷力大為提高，拉索的直徑可降低20%左右。

借助Strand7軟件進行拉索截面計算，得到可滿足要求的下列結果：橫向采用φ55 mm高強度（破斷拉力為3075 kN）的高釩碳鋼拉索，實際取值為φ59 mm；豎向分別采用φ28 mm（高區，破斷拉力為713 kN）和φ20 mm（低區）的高釩碳鋼拉索。

3.4 索網變形問題處理

3.4.1 重力引起的索網變形問題

在設計構造上，為抵消一部分由重力產生的變形，拉索頂部水平主體結構鋼梁在加工時進行局部起拱處理，待拉索幕墻全部安裝完成后，加載的玻璃重力與梁的起拱變形相抵消，解決了夾具在高度方向的變形公差問題。

3.4.2 索網張拉完成后的松弛問題

國金項目拉索的一端增加直徑154 mm、長度400 mm左右的調節端，通過調節端螺紋的旋進或旋出實現微調（圖3），消除張拉完成后索網的微量松弛位移。調節端的零件需要設計到極限小，以減小對整個拉索幕墻通透效果的影響，調節端最終固定于兩端的鋼立柱或主體結構上。

圖3 帶調節端的索頭

本項目若不設調節端，雖立面效果會更通透，但對施工、安裝的要求更高，需一次精準到位，且安裝完成后，一旦主體結構有微量變形，只能重新張拉索網，否則將造成拉索松弛、變形過大而使玻璃面板之間產生擠壓破碎的后果。因此，調節端的設置是非常有必要的[7-8]。

3.5 拉索幕墻中開啟窗和門的實現

由于拉索幕墻結構支撐件少，構造難度較高，故通常情況下不設開啟窗和門。本項目通過特制的鋼質轉接件，實現了在拉索幕墻上連續可開啟窗和門的設置。

3.5.1 拉索幕墻中開啟窗的構造設計

1）開啟窗框的固定。國金項目拉索幕墻設計中有大量整排開啟窗（圖4），垂直向有6樘連續開啟窗，窗高約800 mm；水平向為14樘，寬度約1 500 mm。開啟窗框采用鋁框，構造上無法實現與拉索之間的直接固定。本項目在開窗部位截斷豎向拉索，把每段厚20 mm、長約2.5 m的2塊鋼板豎向依次固定于垂直方向拉索上。采用特制鋼質轉接頭，一端連接豎向拉索索頭，另一端夾住鋼板。開啟窗框轉接件與鋼板之間用螺絲或焊接固定（圖5），解決了開啟窗框的支撐固定問題。

圖4 拉索幕墻開啟窗效果

圖5 拉索幕墻開啟窗構造大樣

2）索網與窗框的同步變形。豎向連續開啟窗跨越橫索的部位，需解決開啟窗框與橫索的同步變形問題。用特制鋼轉接件通過φ35 mm銷軸分別與上、下端窗框鋼板連接，把固定橫索的索夾固定于轉接件上，確保轉接件與橫索相對轉動，保持窗邊的橫索在24 m跨度內連續不間斷，實現開啟窗框與橫索、豎索之間的同步變形，確保了拉索幕墻的整體安全性和水密性。同時考慮到窗扇位于高處，只能借助設備采用自動開窗的形式。

3.5.2 拉索幕墻中門的構造設計

1）首層旋轉門和平開門的構造設計。國金項目拉索幕墻落地，首層主入口處需設門。首層以旋轉門和平開門為主。拉索幕墻的變形位移量約為100 mm，經常啟閉的門誤差最多為2 mm，所以拉索幕墻不能與門直接相連接。采用在門上端增加大鋼梁，把拉索和門分為上下2個獨立的系統，分別解決拉索和門的構造及變形差異問題。在旋轉門頂部增加大鋼梁，梁上端用于固定拉索，下端用于固定門框或地彈簧天地門軸，以此來解決首層所有門及門框的固定問題。

2）獨立單扇門的設計。采用拉索封邊鋁框與門框之間的相對滑移構造，解決門框和拉索之間的變形不同步問題。高區拉索幕墻的出入口為平衡易推門，即平開門，高約2.5 m、寬約1.5 m，恰為一個玻璃分格。采用厚20 mm、寬550 mm的鋼板組成門框，鑲嵌于拉索幕墻的一個分格單元內。門框頂部拉索夾具固定住鋁合金邊框，邊框與門框之間采用2道密封膠條封閉，確保拉索幕墻與門框之間能相對伸縮且位移量大于100 mm。門框與底部主體結構之間單獨固定，與索網完全脫離，索網的變形不受門框的影響，門框兼有雨棚功能。

4 結語

上海國際金融中心項目拉索幕墻的結構索網體系由正交單層索組成，具有穩定性好、變形小等優點，實現了拉索幕墻上連續可開啟窗和門的設置，其外觀更加通透、簡潔，深受建筑師的青睞。預應力雙向單層拉索幕墻的使用，使得像國金項目這種大空間、大跨度的高難度拉索幕墻得以實現并成為建筑藝術佳品，具有廣闊的應用前景。