商業建筑幕墻結構設計探究
——以上海錦滄文華廣場為例

黎志敏

上海金博建筑工程有限公司 上海 201702

作為建筑的外衣，幕墻設計集建筑的美觀、適用、節能、安全于一體。幕墻結構設計是幕墻抗風壓性能、雨水滲透性能、變形性能及節能性能的重要保證。傳統設計方法難以滿足幕墻美觀與安全的共存，需要運用新技術來滿足需要[1]。

錦滄文華樓宇改建項目是商業與辦公一體的商業建筑，詳細介紹幕墻結構設計中應用的關鍵技術，可供相關項目參考。

1 工程概括

錦滄文華樓宇改建項目位于南京西路，地處繁華鬧市區，建筑高度104.80m，幕墻面積約28000m2。裙樓為商業部分，塔樓為辦公部分。主要幕墻系統包括：（1）單元幕墻系統；（2）全玻璃幕墻系統（3）玻璃雨棚系統（4）框架玻璃幕墻系統 （5）石材幕墻系統（6）鋁單板系統及百葉系統等。其中，單元系統帶豎向大裝飾線條，考慮玻璃風荷載、裝飾條側向風荷載、地震荷載及重力荷載的組合作用；大堂全玻璃幕墻在通透的基礎上滿足了結構安全；鋁合金格柵系統不僅考慮了重力荷載、風荷載，還考慮了施工檢修、清洗維護荷載，選取了鋼鋁組合體系。以上為本項目的幕墻結構設計重點及難點，需采用高強材料及合理的受力體系來完成設計。

圖1 全景圖

2 塔樓單元幕墻系統重點技術

2.1 單元系統介紹

本項目塔樓為單元幕墻系統，單元幕墻具有安裝速度快，施工周期短的特點，特別適合其地處繁華地段的項目情況。全系統豎向通長布置裝飾線條，最大裝飾線條長度達500mm。幕墻龍骨及裝飾線條均采取鋁合金型材，可以減輕自重。裝飾線條通過6061-T6鋁合金轉接件與單元立柱連接可以保證連接安全。

裝飾條屬于突出構件，風荷載局部體型系數μsl 取-2.0，從而得出裝飾條所受側向風壓標準值為2.263kPa，每根裝飾條通過兩個轉接點與單元公立柱連接，由此可以校核裝飾條的應力、剛度及支座反力如下表：

此處的重點設計為裝飾條的連接，需要考慮如下幾種連接螺栓、連接件局部強度的計算。由于螺栓B受力簡明，此處重點對螺栓群A及螺栓群B進行結構分析：

表1 應力、剛度表

圖2 螺栓群布置

對螺栓群A進行最不利螺栓受力計算：

螺栓群A：e1=75 mm；e2=75 mm；ep1=154 mm

對螺栓群C進行最不利螺栓受力計算：

螺栓群C：d1=103 mm，d2=56 mm，d3=25 mm；α=62°；ep2=338 mm

側向荷載對螺栓群彎矩：M=V1×ep2=1.347 kN.m

自重下對螺栓群扭矩：T=G1×ep2=0.493 kN.m

最不利螺栓所受剪力：

為確保螺栓群的連接安全，鋁合金連接件選用高強度的6061-T6，其抗拉、抗彎強度達200 MPa，通過計算得最不利截面彎曲強度為146 MPa，滿足設計要求[2]。

2.2 單元立柱的設計要點

單元立柱主要承受重力荷載、玻璃面板傳遞的風荷載、地震荷載及豎向大裝飾線條傳遞的側向風荷載。為了準確的進行系統分析，側向荷載作用下，結構采取有限元結構分析軟件SAP2000進行整體建模分析計算。取標準層最大板塊2.289×4.5m板塊進行分析，面板重力荷載考慮1.2 kPa，負風壓1.54kPa，地震荷載0.48 kPa 。計算得出正面荷載作用下，單元立柱的內力、變形如下：

下面重點分析側向荷載作用下的內力計算，結構、加載見下圖：

表2 不銹鋼螺栓表（A2-70 S/S Bolt）

表3 正面荷載作用下單元立柱內力

圖3 模型圖

圖4 側向加載圖

左龍骨為單元母立柱，右龍骨為公立柱，公母立柱通過掛件與主體結構連接；單元頂底橫梁、中橫梁與單元立柱均為鉸接，兩端彎矩釋放。豎向裝飾線條通過轉接件與公立柱連接，在側向集中力作用下，桿件內力圖如下：

圖5 彎矩圖

圖6 剪力圖

正面荷載作用下立柱內力最大值出現在跨中，可從內力圖中查出跨中位置側向荷載作用下對應的內力，以便材料的充分利用。經查，公母立柱對應的彎矩分別為0.617kN.m、0.379kN.m。

在側向荷載標準值作用下，立柱的撓度圖如下：

圖7 撓度圖

結合正面荷載作用下的立柱內力，據剛度分配原則得公母立柱各自所受內力，計算結果如下表：

表4 單元立柱計算結果

單元立柱為穿條隔熱型材，選取韌性高、加工后不變形的6063A-T5鋁合金，其抗彎強度為135MPa，抗剪強度為75 MPa；單元立柱高度為4500mm，撓度限制取跨度的1/180與20mm之較小值，故滿足設計要求。

3 大堂全玻幕墻設計關鍵技術

3.1 全玻幕墻概括

全玻幕墻有簡潔通透的建筑效果，在商業建筑的大廳得到普遍青睞。全玻璃幕墻可分為廚窗式玻璃幕墻與帶肋式玻璃幕墻。廚窗式幕墻玻璃面板為上下邊支撐，限制了高度不宜超過6m。本項目全玻幕墻高度達9m，玻璃面板最大分格寬度為2.2m，故采取玻璃肋支撐方式。其中玻璃肋及面板均采取吊掛連接，以保證其穩定性。

3.2 玻璃及玻璃肋設計要點

玻璃面板選取12+2.28SGP+12半鋼化夾膠玻璃，玻璃肋選取19+2.28SGP+19+2.28SGP+19半鋼化夾膠玻璃。SGP膠片作為一種新型離子性夾片，具有高抗撕裂強度、高硬度、耐久性強等特性，大大提高了夾層玻璃的承載力，保證了全玻幕墻系統的結構安全性[3]。

3.3 玻璃連接設計要點

玻璃肋、玻璃面板與上部鋼架均采取吊掛連接，選用訂制不銹鋼316注膠玻璃專用吊夾，連接接頭及玻璃孔邊局部應力均需滿足設計要求。玻璃為脆性材料，玻璃面板及玻璃肋下端需保留足夠空間，以適應結構變形、溫度變化、施工誤差所產生的空間需要。為此，嚴格控制上部鋼架的剛度，在豎向荷載作用下，鋼架豎向變形控制為L/500；水平荷載作用下，鋼架水平方向變形控制為L/300[4]。

4 裙樓鋁合金格柵系統結構設計

4.1 系統介紹

鋁合金格柵因其外觀形狀多變，在幕墻中普遍被使用。本項目格柵最大深度0.9 m，距離主體1.8 m，給建筑外觀產生了較大的視覺沖擊感。結構選取鋼龍骨作為受力構件，外包鋁合金線條的形式，讓系統既有足夠的強度，又滿足鋁合金的外觀藝術效果[5]。

4.2 鋼架的模型和荷載分析

結構采用同濟大學開發的3D3S軟件進行分析，結構布置如下圖。為使結構有較好的穩定性，豎向桿件下端軸力均釋放，豎向桿件處于拉彎狀態。

圖8 鋼架布置圖

鋼架主要考慮承受重力荷載、風荷載及施工活荷載的組合作用，其中最不利組合為負風壓起控制作用下、組合施工活荷載的共同作用。

4.3 鋼架的有限元分析

在最不利荷載組合下，分析得出鋼架的應力比、撓度圖。鋼架應力比最大為0.702；Z方向撓度變形最大為8.224mm，X方向變形最大為8mm，鋼架滿足設計要求。

圖9 鋼架應力比圖

圖10 Z軸撓度圖

圖11 X軸撓度圖

5 結語

經分析可知：①帶大裝飾線條單元體幕墻，裝飾條需要用高強材料轉接件與立柱連接，其連接點靠近單元立柱的掛點，以減少對單元立柱的影響，側向荷載宜單元板塊整體建模分析計算，單元橫梁對裝飾條產生的側向荷載有一定的輔助作用。②全玻幕墻具有很好的通透性與美觀性，大跨度全玻系統需采取吊掛連接，下端保留足夠的伸縮空間。玻璃推薦使用負離子膠片作為夾膠層，能較大限度的發揮玻璃的強度。③大型格柵系統，體型復雜且距離主體結構較遠的，宜采取鋼包鋁形式，需要鋼架來保證結構安全。