超大面積弧面單層單向點支式拉索幕墻施工技術

張振禮 汪 濤 佘清雅

1. 上海建工二建集團有限公司 上海 200080；2. 南昌市城鄉建設綜合行政執法支隊 江西 南昌 330000

1 工程概況

南昌綠地國際博覽中心位于南昌市九龍湖新城起步區綠地國際博覽城核心地段，是國際先進的第三代會展中心，對加大市場化運作力度，推進會展產業與區域旅游產業緊密結合，助力打造南昌核心增長點有著重要意義。建筑立面應用大面積的框架金屬幕墻和拉索玻璃幕墻構成強烈虛實對比，增強了室內外公共空間的聯系，雍容大氣、風采多姿。

項目幕墻系統總面積達3萬 m2，由前廳拉索幕墻系統、金屬板幕墻系統和框架玻璃幕墻系統等組成，其中前廳拉索幕墻面積約1.8萬 m2，高度約27 m，總延長米約670 m。

結合展館A～G這7個連續獨立結構分區，前廳拉索幕墻由變形縫劃分為5個標準段和2個山墻轉角組合段（圖1），共7個施工段。

圖1 拉索幕墻平面分布

2 設計概況

2.1 系統特征

傳統拉索幕墻多采用交叉索網系統，本工程拉索幕墻在傳統雙層、單層交叉索網幕墻的基礎上，為實現建筑效果的極致通透和輕盈美觀，針對幕墻面積超大、高度超高、立面為曲面的特點進行優化設計，取消橫向拉索設置，通過不同直徑的豎向鋼索組成單層單向點支拉索幕墻體系體系，幕墻結構僅由豎向鋼索承受，通過拉索張拉后的預應力滿足幕墻的抗風和自重承載需求[1-3]。該系統具有以下特點：

1）構造設計應消除索結構在幕墻自重下的變形影響，保證幕墻系統在任何荷載組合作用下，拉索均處于受拉狀態。

2）拉索的規格設計科學，拉索最小破斷拉力滿足實際需要。

3）拉索跨度大，拉索拉力大，對拉索拉力大小控制精準，幕墻玻璃安裝質量高。

4）幕墻玻璃安裝簡便，大大改善了柔性支承體系上的幕墻拼縫的質量感觀效果。

2.2 結構體系

本工程拉索幕墻標準區段橫向跨度89.43 m，由變形縫分隔，包括36根豎向鋼索。端部山墻轉角連接段最大連續長度94.87 m。

本工程拉索幕墻豎向鋼索長約28 m，上端固定鋼梁和下端基礎及埋件應根據拉索設計施加的預應力，保證拉索預應力施加后的穩定性。上端連接在屋蓋鋼結構桁架上（圖2），與鋼結構屋蓋形成一個整體，下端連接在混凝土基座之上（圖3），基礎自重大，整體性好，拉索埋件設置合適，同時將張拉端設置在下部基礎端，便于施工，安全易操作。

圖2 拉索幕墻上端固定節點

圖3 拉索幕墻下端固定節點

豎向拉索選用φ38 mm高釩索，拉索標準側向間距2.484 m，變形縫處1.15 m，橫向依靠玻璃面板提供剛度和支撐。玻璃面板板材（括號內為山墻轉角段）選用TP10（12）＋12Ar＋TP10（12）超白中空鋼化雙銀Low-E玻璃，標準玻璃面板尺寸2 484 mm×1 937.5 mm，因弧面曲率較小，由直線段玻璃分格擬合圓弧拼裝而成，連續拼接夾角約179.5°。面板間采用中性硅酮結構密封膠密封。面板固定采用定制不銹鋼球鉸式固定夾具（圖4），玻璃與夾具間采用EPDM三元乙丙橡膠墊片過渡連接，夾具固定轉向靈活，避免緊固受力時夾具轉動對玻璃面板產生不利影響。

圖4 標準不銹鋼夾具連接節點

端頭轉角部位考慮到外部荷載作用下邊緣構件的應力集中，豎向拉索根據受力計算調整為φ45 mm、φ65 mm高釩索，夾具間局部增設橫向不銹鋼彈簧阻尼拉桿（圖5），用以抑制風振反應，控制轉角區域的側向位移和位移速度，確保幕墻結構安全。

圖5 轉角部位幕墻連接節點

3 重難點分析及針對措施

3.1 系統性能無經驗可循

本工程超大面積超高單層單向拉索幕墻體系應用在國內外尚屬罕見，一般情況單向拉索不適合應用于大面積幕墻立面，高度不宜大于15 m。單層單向預應力鋼索不僅需要承受幕墻玻璃的豎向荷載，還需要承受風荷載等水平荷載，和玻璃板材及板材間結構膠共同形成幕墻結構體系總體剛度，國內外尚無此類成熟應用，因此需要通過試驗驗證該幕墻體系的各項性能是否滿足要求。

3.2 施工工期緊、任務重

本工程工期緊、任務重，需要科學劃分前廳幕墻施工段和施工部署，合理布置幕墻材料運輸、堆放和安裝施工場地，分段施工，為后續工種施工盡快讓出工作面。

3.3 測量精度要求高

本工程立面造型呈內凹外凸的弧面造型，測量放線工作量大且精度要求高，且需要考慮屋蓋鋼桁架結構施工變形及溫度變形影響，需要通過過程檢測數據指導幕墻設計和施工，正確調整施工預控值。

為保障測量精度和及時性，項目成立獨立測量團隊，配置高精度的測量儀器徠卡0.5秒級TS30全站儀，確保工程實施精度需求；過程中強化對屋蓋鋼桁架結構體系的動態跟蹤監測；結合施工氣候、氣象條件選擇合適測量時間，避免鋼結構因溫度變化影響測量精度。

3.4 拉索安裝施工難度高

安裝施工過程中，由于前場為連續等曲率凹弧面造型，拉索最終成形形狀既需要滿足幕墻安裝的精度要求，還需要保證預應力張拉過程中多工況狀態下的張拉力平衡，使玻璃面板始終保持垂直不變。

受鋼桁架屋面結構體系構造設置及變形影響，標準區段拉索安裝自兩側向中間同步對稱安裝。拉索連續對稱張拉過程中，后期拉索張拉造成上端鋼構件變形，會減小先期相鄰已完成張拉拉索的索力，同時上端受力鋼梁的應力重分布會對同區段其他已張拉拉索造成不利影響，因此需要對張拉過程進行動態計算分析和實時監測，并采取如下針對性措施：

1）結合計算分析優化標準區段張拉順序，通過跳拉等措施減小索力相互影響。

2）分級張拉過程中強化索力變化監測和分析，總結索力相互影響的變化規律，動態調整張拉方案，控制索力變化偏差值不大于3%。

3）分級張拉完成后，系統檢測分區所有拉索索力，依據標準和設計要求進行微調，保障拉索系統整體受力滿足要求。

4 幕墻性能試驗

本工程單層單向拉索幕墻設計超過過往同類工程應用極限，為驗證幕墻體系的各項性能，經對全國多家檢驗機構進行調研和溝通，最終確定委托湖北省建筑工程質量監督檢驗測試中心進行幕墻性能試驗檢測。

結合本工程拉索幕墻應用實際情況，為最大限度還原應用實際狀況，確定試樣系統寬9 936 mm，高9 688 mm，由25塊標準玻璃分格和6根拉索組成，在實驗室內共制作2組試樣滿足試驗檢測項目需求。依據國標GB/T 15227進行氣密性能、靜態水密性能、風壓變形性能和平面內變形性能檢測測試，再依據美標ASTM E283、AAMA501.1/501.4、ASTM E330進行氣密性能、動態水密性能、層間側向位移性能、靜態水密性能和風荷載下結構安全性能檢測測試（圖6）。

圖6 幕墻性能測試實景

1）氣密性能國標檢測幕墻整體部分透氣量在正負壓下均為0.3 m3/（m2·h），滿足國標不大于0.5 m3/（m2·h）要求，達到標準4級要求。美標兩次氣密性能測試幕墻固定透氣量分別為0.311、0.655 m3/（m2·h），滿足不大于1.08 m3/（m2·h）要求。

2）靜態水密性能測試（國標）壓力在700 Pa時，2處玻璃夾具內側出現水滴狀滲漏，1處膠縫內側出現水滴狀滲漏，但未出現持續噴濺出試件界面或者持續流出試件界面的嚴重滲漏現象，達到國標2級要求。靜態水密性能測試（美標）結果與國標類似，經補膠復試后未滲水，符合要求。

3）動態水密性能測試（美標），1處玻璃夾具內側出現水滴間斷滴落滲水，未連成線，經夾具節點補膠復試后未滲水，符合要求。第二次動態水密性能測試時未出現滲漏，符合要求。

4）風壓變形性能測試（國標）在1 000 Pa最大風壓（負壓）時，拉索最大撓度149.9 mm＜容許撓度196.0 mm，玻璃最大撓度值40.5 mm＜容許撓度41.4 mm，抗風壓變形測試符合要求。

5）層間側向位移性能測試（美標），在液壓裝置推動時間做側向層間變形12 mm三次后，試件主要構件及玻璃均未發生損壞，符合設計要求。

6）3次循環后平面內變形性能測試（國標）的平面位移量滿足標準2級性能要求。

7）美標75%和150%風荷載作用下結構安全性能檢測，在對試件分別施加正負壓達到750 Pa和1 000 Pa時，試件主要構件未出現損壞及明顯永久變形，試件未破壞，滿足設計要求。

5 總體技術路線及工藝流程

本工程超高單層單向拉索玻璃幕墻施工罕見，因此在設計階段需要考慮施工工藝流程和環境影響等各種不利因素進行針對性設計，過程中也應強化設計對現場的跟進指導和服務工作。同時在施工過程中應結合現場實際情況及時反饋設計，對施工方案尤其是張拉工藝進行動態調整，既要最大限度避免施工對屋蓋主體鋼結構造成的不利影響，又需要保證幕墻體系施工與設計方案吻合。

針對本工程上端屋蓋鋼桁架體系分區獨立、同心弧向分布的特征，本工程標準區段拉索施工采用自兩端向中間、兩點對稱同步張拉、區段張拉完成后進行玻璃安裝施工的總體施工技術路線。

方案階段通過仿真模擬計算，明確各區域拉索張拉預應力，選擇相應直徑拉索采用兩點同步張拉、單索分級張拉法施加預應力以達到幕墻整體穩定性要求。

6 拉索安裝施工要點

6.1 拉索預張拉

預應力鋼索應按標準規定在專業預應力鋼索廠采用應力下料，下料完成后應對實際索長進行實測，索長誤差需控制在±10 mm。為保證拉索的工作性能，在專業工廠內應進行預張拉，消除拉索原有非彈性變形因素，保證其彈性工作性能要求，工廠內預張拉次數不少于3次，張拉力為破斷力的45%～55%，持續時間不少于0.5 h，達到張拉時間后應緩慢卸載。

6.2 拉索張拉分級

現場張拉施工前，應以保障端部承載結構構件和拉索安全儲備，拉索過程受力不超過極限狀態設計值為原則，結合施工步驟計算各階段拉索目標索力、結構受力和索力變化數值，并匯集成表，確定過程階段張拉拉力控制值。

本工程以拉索設計索力分布為目標值，方案階段確定按設計值30%、70%、105%實施三級張拉，張拉結束后對施工段內所有拉索進行檢測與微調。

后期受工程施工工期影響，通過現場試驗將張拉方案調整為設計值60%、105%的二級張拉加檢測微調并獲得成功應用，但山墻轉角施工段因構造復雜，仍采用三級張拉方案確保工程實施質量。

6.3 張拉設備操作要點

本工程下端拉索張拉設備選用已成熟的成套液壓張拉設施（圖7），實際施工前對張拉設施按照分級張拉方案進行標定，保證張拉施工質量，便于現場實施操作。

圖7 拉索張拉設施及施工

張拉設備應結合施工工藝要求對稱安裝，確保設施索孔形心與豎向拉索設計位置一致，杜絕張拉過程出現偏心現象。張拉施工應嚴格遵循施工操作要求，強化索力變化檢測，嚴格控制加壓速度和分級目標索力。

張拉施工過程中，為確保方案同步對稱張拉實施效果，在張拉施工分級的基礎上，對各級張拉過程按10%索力變化進行細分過程控制分級，間隔停頓實時測量拉力變化和拉索伸長量。

6.4 張拉過程索力監測

拉索施工應用多組索力動測儀和配套液壓傳感器對分級張拉過程進行動態實時檢測，張拉過程中通過動測儀實時檢測索力變化并匯總階段成果，既用于對稱張拉過程中的控制和指導，又用于施工段內索力影響變化的階段分析。

7 玻璃面板安裝施工

玻璃面板的安裝質量是幕墻體系能否滿足設計建筑效果的關鍵，因此也應嚴格控制玻璃安裝各個環節的施工質量。本工程玻璃面板安裝采用吊車配合駁運，吊籃施工，自上而下，從中間向兩端對稱推進的施工方案，其過程控制要點如下：

1）玻璃板材水平駁運和吊籃豎向吊運過程中，均應采取對應的成品保護措施，避免板材及邊緣處出現破損。

2）吊籃豎向吊運應緩慢勻速，施工人員在吊籃內用吸盤穩定玻璃。

3）吊運至安裝位置后，人工將玻璃推送至已安裝不銹鋼夾具處，先臨時固定下角，后臨時固定上角，夾具出現偏轉應及時調整，當板材四周間隙調整符合設計要求后，將不銹鋼六角螺栓緊固至設計值。

4）施工段整個區域施工完畢后，相關單位對板材固定、立面整體平整度進行檢查驗收后，方可進行板材縫隙及夾具間隙處密封施工，密封用膠、施工工藝應符合規范和設計要求。

8 結語

南昌綠地國際博覽中心單層單向點支式拉索幕墻體系結構形式前衛、新穎，超越傳統應用限制。本工程通過科學設計、試驗驗證、特制支撐夾具、規范張拉工藝等措施，實現了幕墻實施效果與設計方案的吻合和成功應用，為后續在類似幕墻工程中的應用積累了經驗。