單層索網(wǎng)幕墻結構在高層建筑中的設計與施工

摘要：國民經(jīng)濟的發(fā)展推動了建筑行業(yè)技術進步，以柔性鋼索為主體結構的單層索網(wǎng)幕墻技術在我國高層建筑中得到了大范圍應用。單層索網(wǎng)幕墻結構技術相比于常規(guī)幕墻技術具有力學載荷復雜、設計及實施工序繁瑣等特征。與實際工程結合，針對單層索網(wǎng)幕墻結構在高層建筑中的設計及施工中的關鍵環(huán)節(jié)和注意要點展開探討。先對單層索網(wǎng)幕墻結構特征與分類加以概述，進而針對單層索網(wǎng)幕墻結構的設計原理和應用展開分析，并提出了單層索網(wǎng)幕墻結構在高層建筑的倒裝施工的具體應用，為今后相關的單層索網(wǎng)幕墻結構設計與施工實施提供借鑒。

關鍵詞：單層索網(wǎng)幕墻;預應力;載荷;索網(wǎng)布置

0" "引言

單層索網(wǎng)幕墻在建筑施工中的優(yōu)勢明顯，特別是應用在高層建筑中，其結構簡潔、外觀通透、構件占用空間小等特點便可凸顯出來。單層索網(wǎng)幕墻整體通過柔性鋼索構建，在鋼索結構中實施特定的預應力，形成整體剛度，通過鋼索間力的相互作用實現(xiàn)整體力學平衡與穩(wěn)固，使其具備特有的承載能力和剛度特征[1-2]。

單層索網(wǎng)幕墻結構設計復雜，對邊界條件要求嚴格，且索網(wǎng)結構對高層建筑主體結構安全和質量影響較大，因此設計單位應需從單層索網(wǎng)幕墻結構特征及實現(xiàn)原理著手，結合高層建筑的項目實際，提出貼合實際的設計及施工方案，以實現(xiàn)高層建筑質量、安全、外觀等方面的整體提升。

1" "單層索網(wǎng)幕墻結構概述

1.1" "索網(wǎng)幕墻結構特征

在高層建筑應用單層索網(wǎng)幕墻結構技術時，其與建筑中其他既結構是相互作用、影響的。單層索網(wǎng)幕墻除施工較復雜外，其還表現(xiàn)出鋼索之間索力變化幅度大，鋼索之間受形變影響大。

通常高層建筑設計時，單層索網(wǎng)幕墻結構頂端與建筑采光頂連接同一桁架結構，張拉載荷作用使桁架產(chǎn)生形變，形變導致索力重新劃分。下端鋼索同時受建筑雨篷梁及門廳作用產(chǎn)生形變，使得鋼索內力更加敏感。各種載荷作用造成內力的重新分配，使單層索網(wǎng)幕墻結構張力布置施工面臨不小考驗[3]。另一方面，由于高層建筑單層索網(wǎng)幕墻結構縱、橫方向鋼索距離長，導致張拉伸長量較大，常規(guī)的索具器械調節(jié)范圍無法滿足需求，需通過專業(yè)特定的張拉技術加以解決。

1.2" "索網(wǎng)幕墻結構分類

按鋼索的布置方式不同，可將單層索網(wǎng)幕墻劃分為單向結構和多向結構[4]。單向結構是通過縱向單鋼索與建筑玻璃之間建立相互支撐，形成穩(wěn)固結構;多向結構通過多個方向鋼索建立互相連接，并利用連接點建立支撐，形成固定結構。按單層索網(wǎng)幕墻外立面結構差異，可劃分為平面結構和非平面結構，如圖1所示。

按單層索網(wǎng)幕墻結構邊界形式，可將其劃分為一體式結構和附著自承結構。一體式結構的實現(xiàn)原理是將建筑主體與幕墻鋼索直連，建筑主體結構直接承載鋼拉索的載荷作用;附著自承結構并未實現(xiàn)建筑主體與幕墻鋼索的直連，建筑主體結構并未直接承載鋼拉索的載荷作用，而是通過索網(wǎng)幕墻結構自身建立平衡支撐，與主體結構形成“附著”關系。一體式結構和附著自承結構如圖2所示。

2" "單層索網(wǎng)幕墻結構設計

2.1" "單層索網(wǎng)幕墻結構設計原理

在布置預應力前，單層索網(wǎng)幕墻結構平面以外并未構成有效的抗彎剛度，因此不能建立水平作用力支撐。布置預應力后，受水平載荷作用，其結構具備非線性幾何特征及應力鋼化特征，其結構剛度產(chǎn)生變化[5]。其特征主要表現(xiàn)為小應變、大位移，這是在單層索網(wǎng)幕墻結構有限元參數(shù)設計時需重點關注的，也是計算分析軟件選擇的重要依據(jù)。

受面內應力作用耦合影響，橫向剛度轉換為應力鋼化，索網(wǎng)結構平面內外抗彎剛度提高。但僅僅憑借布置預應力來支撐外部水平負載，既要通過擴大索截面來實現(xiàn)，還會給邊框整體造成負擔，違背了建筑科學、經(jīng)濟的設計初衷。受外部載荷作用變化影響，索網(wǎng)結構剛度也會隨之變化，如果在起初較小剛度時受載荷作用，勢必會造成大變形。

此時鋼索應變小，適應小應變原理。在單層索網(wǎng)幕墻結構設計時，應同時參考小應變、大位移的非線性幾何原理。在外載荷恒定條件下，索的形變會引起整體結構形成“懸索”狀態(tài)，形變范圍越大，索用來制衡的內力越小。此時索應力與撓度參數(shù)成反比關系。

由此可見，預張力與撓度參數(shù)確定是單層索網(wǎng)幕墻結構的重點設計環(huán)節(jié)，需經(jīng)過精確的分析計算得出。基于以上分析，單層索網(wǎng)幕墻結構平面內外抗彎剛度設計方案，主要依據(jù)平面外位移原理與外載荷、預應力同時作用的索內力總和加以分析計算得出。

2.2" "單層索網(wǎng)幕墻結構設計應用

單層索網(wǎng)幕墻結構在高層建筑應用時，主要在于建立主體結構間的凹型互連結構。單層索網(wǎng)幕墻結構設計時，應參考非線性幾何參數(shù)和應力剛性參數(shù)。

2.2.1" "設計影響因素

風力作用是單層索網(wǎng)幕墻結構的主要影響因素，設計中參考精確的風力載荷參數(shù)，有助于結構分析運算，因此在設計前應通過風洞試驗收集風力載荷參數(shù)。單層索網(wǎng)幕墻是柔性結構，常規(guī)的剛性測壓檢測難以模擬真實的柔性索網(wǎng)數(shù)據(jù)，因此應將風洞試驗與氣彈模型模型配合使用。同時，設計時還應考慮溫度對鋼索應變性能的影響。

2.2.2" "邊界結構設計

單層索網(wǎng)幕墻結構為平衡外部載荷，為此應合理布置縱、橫方向拉索預拉力。整體邊界結構承載較大的鋼索拉力作用，且作用于建筑主體結構，所以針對邊界結構設計應重點考慮自平衡結構。如未形成自平衡結構，邊界結構為平衡拉索拉力，則需更大的結構剛度以實現(xiàn)穩(wěn)定。某實際高層建筑索網(wǎng)邊界結構設計如圖3所示。

2.2.3" "索網(wǎng)布置設計

設計過程中，應通過控制單層索網(wǎng)幕墻結構形變來保證玻璃的穩(wěn)定性。拉索距離應小于2m距離，通常在1.3m左右。鋼索雙向布置時，網(wǎng)格以正方形為宜。針對單向結構設計，由于縱向鋼索要同時承載縱、橫雙向載荷，因此索網(wǎng)幕墻高度應適宜。

針對雙向結構設計，由于縱、橫鋼索彼此相互支撐，都承載水平載荷，縱向索還應兼顧幕墻自身的質量承載和橫向索平衡功能，即便橫向索損壞，也應確保幕墻不掉落。針對建筑樓頂?shù)碾p向結構，如果長寬比接近，縱、橫鋼索應共同承載縱向載荷。在長寬比大于1.5時，可根據(jù)工程實際，將長向索用于平衡穩(wěn)定功能、短向索用于承載縱載荷功能。

2.2.4" "起始索內力和預應力設計

單層索網(wǎng)幕墻結構的柔性結構特征，使其只有在起始預應力作用下才能有效平衡抵御反向載荷作用。僅憑借布施預應力抵御水平外載荷則會導致索截面擴大，徒增邊界結構壓力，影響設計的科學性。標準的預應力通常控制在鋼索斷載荷的25%左右。

2.2.5" "形變參數(shù)設計

受風力作用影響，單層索網(wǎng)幕墻結構接近中間位置形變曲線切線斜率較小，邊界形變曲線切線斜率較大。接近邊界位置的玻璃面板四處形變差較大，設計時應加以強化，以減低面板的形變差參數(shù)。針對索網(wǎng)結構設計時，為保護幕墻玻璃穩(wěn)定安全，應嚴控單層索網(wǎng)幕墻結構形變;同時，還應避免因控制形變力度過大而引起索拉力提升，從而導致索網(wǎng)邊界剛度應力過大。落實到實際設計中，需保證最高溫度環(huán)境下索應力正常緊繃，且最低溫環(huán)境下索力最大值應低于索的拉力設計額定值，通常應以l/50為標準設計撓度控制索網(wǎng)形變限值參數(shù)。

2.2.6" "連接節(jié)點設計

鑒于縱、橫鋼索在張拉、支撐時，對應節(jié)點位置在索方向移動，為此應利用耦合方式連接節(jié)點。一體式結構是將建筑主體與幕墻縱、橫鋼索形成直連，保證邊界具備滿足需求的剛度。通常橫向邊界上端使用鋼桁架結構，底部與地梁連接固定，縱向邊界使用縱向鋼桁架或型鋼。附著自承結構的縱、橫鋼索兩端和上部與邊框連接固定，縱向鋼索同中部框架梁滑動連接，底端同地下室梁固定，即主體與幕墻結構形成滑動連接。附著自承結構橫向索同邊框連接如圖4所示。

3" "單層索網(wǎng)結構幕墻結構在高層建筑的施工要點

3.1" "單層索網(wǎng)幕墻結構施工工序

根據(jù)單層索網(wǎng)幕墻結構施工方案設計，應按如下工序施工：放線勘測—縱向結構鋼柱拼裝—吊裝主桁架—從上至下吊裝橫向箱梁—焊接連接索耳板—拼裝縱向拉索—張拉處置縱向索—夾具安裝—拼裝橫向拉索—張拉處置橫向索—緊固夾具索壓塊—安裝玻璃、鎖固玻璃夾板—注膠及清洗。

3.2" "放線勘測

雖然利用常規(guī)鋼尺配合經(jīng)緯儀測量模式直觀、方便，但由于單層索網(wǎng)幕墻結構對放線精度要求更高，且涉及較復雜的細部放線工序，因此利用常規(guī)鋼尺配合經(jīng)緯儀方式難以滿足實際放線需求。對于高層建筑幕墻結構，應利用全站儀配合鋼尺及計算設備組建的全站儀測繪系統(tǒng)，完成實際勘測，實現(xiàn)點位的精準測設。參照單層索網(wǎng)幕墻結構平面設計方案和工程實際狀況，利用獨立施工坐標體系，測算不同控制點位的坐標數(shù)據(jù)，完成放樣。

3.3" "吊裝幕墻鋼結構

結構鋼柱主要用于實現(xiàn)橫向拉力在主體結構作用點位的優(yōu)化，同橫向箱梁、頂端桁架結構之間無連接，因此各部位吊裝操作可單獨完成。利用倒裝技術實施吊裝，先完成上端桁架梁吊裝，之后以桁架梁為支點，進行下方橫向鋼箱梁吊裝，最后完成吊裝縱向鋼柱。其中上端桁架梁吊裝是安裝工序的關鍵環(huán)節(jié)，受空中作業(yè)所限，難以搭建施工操作平臺，為達到高空吊裝安全和精度，應利用一體化制備、整體吊裝技術完成桁架的組裝。

在高層建筑施工中，由于吊裝的鋼結構質量大，操作高度高，應利用多軸吊裝機械完成。多軸吊裝機械自身質量大，依靠施工場地地下室頂板難以實現(xiàn)有效的平衡固定，在路面停靠又常常難以達到桁架梁需要的安裝位置，因此利用多軸吊裝機械吊裝桁架梁，應采用專業(yè)的固定處理。桁架梁吊裝過程中，應配合鷹嘴吊完成吊裝。為實現(xiàn)精準吊裝的目的，桁架梁吊裝前應進行預吊裝測試，測試合格方可進行正式吊裝作業(yè)。

完成桁架梁吊裝施工后，利用倒裝技術從上至下進行橫向箱梁的吊裝施工。以桁架梁為支撐，將自動葫蘆固定于桁架梁兩側，從而完成下方橫向箱梁的吊裝施工。利用鷹嘴吊進行掛籃安裝，以為操作人員搭建操作平臺。然后采用相同的方式完成后續(xù)其他箱梁的吊裝。

4" "結語

依靠柔性鋼索為主體結構的單層索網(wǎng)幕墻技術應用在高層建筑中，具備了結構簡潔、外觀通透、構件占用空間小等技術優(yōu)勢，同時也表現(xiàn)出了力學載荷復雜、單層索網(wǎng)幕墻結構設計繁瑣，邊界條件要求嚴格，且索網(wǎng)結構對高層建筑主體結構安全和質量影響較大等特征。本文結合工程實際，圍繞高層建筑單層索網(wǎng)幕墻結構的設計、施工要點展開討論，分析單層索網(wǎng)幕墻結構特點和類別，探討單層索網(wǎng)幕墻結構的設計原理和實際設計應用，提出單層索網(wǎng)幕墻結構在高層建筑的倒裝施工的施工要點，為后續(xù)相關的單層索網(wǎng)幕墻結構設計與施工的安全、質量和外觀提升提供參考。

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