基于烏鎮(zhèn)互聯(lián)網(wǎng)國(guó)際會(huì)展中心項(xiàng)目的不銹鋼拉索幕墻設(shè)計(jì)

楊鳳玲

（浙江省建筑設(shè)計(jì)研究院，浙江 杭州 310006）

0 引言

不銹鋼拉索是一種適用于建筑工程中預(yù)拉力索結(jié)構(gòu)的工程材料，主要由柔性的不銹鋼絞線和鋼索連接件組成，具有良好的耐腐蝕性、耐候性、切削制造加工性能等。不銹鋼拉索在幕墻工程的應(yīng)用中主要分為受力構(gòu)件和裝飾構(gòu)件，國(guó)內(nèi)幕墻項(xiàng)目中的拉索大部分作為受力構(gòu)件，比如安徽合肥市的濱湖時(shí)代廣場(chǎng)C1#樓[1]、南京鐵路新客站[2]和昆明新機(jī)場(chǎng)航站樓[3]等工程中均采用了不銹鋼拉索，但很少將不銹鋼拉索僅作為裝飾構(gòu)件。同時(shí)，國(guó)內(nèi)涉及不銹鋼拉索的規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)文件也都是關(guān)于拉索受力[4]和材料[5]方面。

不銹鋼拉索外形獨(dú)特可作為外立面裝飾構(gòu)件，正符合烏鎮(zhèn)互聯(lián)網(wǎng)中心項(xiàng)目中用鋼索寓意蠶絲和互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)計(jì)理念。但是不銹鋼裝飾索的設(shè)計(jì)由于無(wú)規(guī)范可依，如何設(shè)置拉索的預(yù)應(yīng)力大小及降低現(xiàn)場(chǎng)施工難度，實(shí)現(xiàn)不銹鋼拉索密、細(xì)、直的效果，則成為設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)。本文對(duì)烏鎮(zhèn)互聯(lián)網(wǎng)中心項(xiàng)目中不銹鋼拉索系統(tǒng)的上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)和彈簧補(bǔ)償索結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)分析。

1 項(xiàng)目概況

烏鎮(zhèn)互聯(lián)網(wǎng)國(guó)際會(huì)展中心位于烏鎮(zhèn)歷史水城的北側(cè)，如圖1 所示，是世界互聯(lián)網(wǎng)大會(huì)的永久會(huì)址，也是如今烏鎮(zhèn)景區(qū)承接會(huì)議、會(huì)展的主要場(chǎng)所。項(xiàng)目用地136 911.95m2，地上建筑面積58 493m2，地下建筑面積22 813.32m2，幕墻總面積77 000m2。烏鎮(zhèn)互聯(lián)網(wǎng)國(guó)際會(huì)展中心包含會(huì)議中心、展覽中心和接待中心三座建筑組成。

圖1 烏鎮(zhèn)互聯(lián)網(wǎng)國(guó)際會(huì)展鳥(niǎo)瞰圖

項(xiàng)目方案由“普利茲克建筑獎(jiǎng)”獲得者、中國(guó)美院教授王澍先生領(lǐng)銜設(shè)計(jì)，浙江省建筑設(shè)計(jì)研究院負(fù)責(zé)施工圖深化設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)，浙江省建工集團(tuán)有限公司為施工總承包單位。

考慮到項(xiàng)目的功能定位以及周邊的歷史環(huán)境，其建筑風(fēng)格，需兼具現(xiàn)代化國(guó)際會(huì)議中心功能和中國(guó)江南水鄉(xiāng)的建筑傳統(tǒng)。傳統(tǒng)江南水鄉(xiāng)特有的白墻黑瓦、臨水連廊等古典建筑原色被賦予現(xiàn)代風(fēng)格，現(xiàn)代建筑幕墻材料中的索幕墻元素去體現(xiàn)傳統(tǒng)江南水鄉(xiāng)淅瀝雨絲的靈動(dòng)氣質(zhì)，如圖2-3 所示。以新技術(shù)和新手法演繹出新時(shí)代水鄉(xiāng)特色，讓傳統(tǒng)與現(xiàn)代兩種風(fēng)格在建筑材料、營(yíng)造方式、表現(xiàn)手法等多方面在同一個(gè)建筑空間中對(duì)話，使整個(gè)項(xiàng)目建成后起到承接古今的作用。

圖2 索幕墻元素

圖3 烏鎮(zhèn)互聯(lián)網(wǎng)國(guó)際會(huì)展中心夜景

本項(xiàng)目的建筑幕墻主要包含玻璃幕墻28 530m2，不銹鋼拉索26 200m2，金屬屋面10 200m2，卡普龍雨篷及金屬雨篷3 400m2，太陽(yáng)能板8 600m2。其中，不銹鋼拉索的使用面積僅次于玻璃幕墻是本項(xiàng)目的特色之一。不銹鋼拉索的使用環(huán)境分室內(nèi)和室外。在室內(nèi)使用時(shí)，考慮溫度變化較小并且主體結(jié)構(gòu)也會(huì)有溫度變化，只需要考慮較低的溫差變化和熱膨脹系數(shù)差值。但是，室外用索溫差變化很大，并且很難與室內(nèi)結(jié)構(gòu)同步變形。同時(shí)，不銹鋼拉索的設(shè)計(jì)可參考的規(guī)范較少，本項(xiàng)目只能通過(guò)三維建模分析計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2 不銹鋼裝飾索設(shè)計(jì)

2.1 不銹鋼裝飾索外立面效果

“烏鎮(zhèn)所在地自古有種桑養(yǎng)蠶的習(xí)俗，盛產(chǎn)絲綢；而互聯(lián)網(wǎng)是通過(guò)有形或無(wú)形的線將世界相連，這些鋼索有絲、線的雙重寓意，被分做三層網(wǎng)狀排布，在陽(yáng)光下閃閃發(fā)亮，還能呈現(xiàn)霧化效果，有一種朦朧感。”王澍這樣闡述他的設(shè)計(jì)理念。

展覽中心的外圍及每個(gè)建筑的內(nèi)街面玻璃幕墻外側(cè)均設(shè)置了不銹鋼索垂掛簾幕。根據(jù)建筑效果，不銹鋼索設(shè)置有雙層和三層索墻，如圖4 所示，不銹鋼索簾幕高矮不一，疏密不同。不銹鋼索最長(zhǎng)的達(dá)到17.5m，最短為2.5m，其間距為100mm。

圖4 三層索墻平面分布圖

2.2 不銹鋼拉索細(xì)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)規(guī)范規(guī)定[6]，建筑幕墻用不銹鋼材料應(yīng)當(dāng)采用奧氏體不銹鋼。其中，暴露于室外或處于高腐蝕環(huán)境的不銹鋼承重構(gòu)件（包括背栓）的鎳含量應(yīng)當(dāng)不小于12%；非外露的不銹鋼構(gòu)件的鎳含量應(yīng)當(dāng)不小于10%。本項(xiàng)目不銹鋼拉索屬于外露構(gòu)件，結(jié)合規(guī)范中對(duì)不銹鋼的要求，材質(zhì)選擇了S31608。

2.3 不銹鋼拉索上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目在設(shè)計(jì)之初，不銹鋼拉索的相關(guān)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)文件都是拉索受力方面的，本項(xiàng)目拉索為裝飾索，且密度大，與常規(guī)的受力拉索不同，如何設(shè)置拉索的預(yù)應(yīng)力大小，則成了最大的難題。沒(méi)有規(guī)范依據(jù)可循，且拉索頂部主體鋼結(jié)構(gòu)為懸挑結(jié)構(gòu)，一根拉索的支座反力影響不大，但是5.1 萬(wàn)支索的反力是不可小覷的。最后決定結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值和支座反力的理論計(jì)算值相結(jié)合的方式確定不銹鋼拉索的受力問(wèn)題。

不銹鋼拉索方案在初步設(shè)計(jì)時(shí)，φ8 拉索上部采用了沈陽(yáng)恒安提供的專利球頭栓結(jié)構(gòu)，其上端底座直接與結(jié)構(gòu)焊接，如圖9 所示，在底座內(nèi)部設(shè)置球頭栓來(lái)吸收拉索在風(fēng)荷載作用時(shí)的角度變化。

有關(guān)Tomita評(píng)分臨床價(jià)值的報(bào)道不多［8］，并且PKP治療脊柱轉(zhuǎn)移瘤的臨床效果報(bào)道也較少［9-10］，尤其是納入和排除標(biāo)準(zhǔn)各異，缺乏相關(guān)的研究來(lái)證明其安全性和效益。作者于2014年1月～2017年7月對(duì)31例椎體溶骨性轉(zhuǎn)移癌患者進(jìn)行Tomita評(píng)分，取分值4～7分的患者，對(duì)65個(gè)椎體采用PVP治療，取得了較好效果，報(bào)告如下。

圖5 上部結(jié)構(gòu)方案模型

而后期深圳堅(jiān)朗公司中標(biāo)，由于球頭栓掛接系統(tǒng)的專利權(quán)問(wèn)題，φ8 拉索上部結(jié)構(gòu)修改為上端底座直接與結(jié)構(gòu)焊接如圖6 所示，在底座內(nèi)部設(shè)置內(nèi)螺紋，拉索端部設(shè)置螺桿，通過(guò)螺紋連接代替拉索的固定端接頭。

圖6 上部結(jié)構(gòu)施工模型

整塊鋼梁的梁底每間隔100mm 設(shè)置一根拉索，且設(shè)置了3層，也就預(yù)示著整根鋼梁底部懸掛著密密麻麻的不銹鋼拉索。若鋼底座直接焊接在鋼梁底部，工人們則需要長(zhǎng)期的仰面焊接，增加工作難度及強(qiáng)度，同時(shí)焊渣存在一定的安全隱患。為了方便快捷施工和保證焊接底座的精準(zhǔn)度，特制配合現(xiàn)場(chǎng)焊接的安裝工藝板，如圖7～ 8 所示，每塊安裝工藝板可安裝30 個(gè)底座，圓形工藝孔用于定位底座，孔兩側(cè)分別設(shè)置開(kāi)口為底座的定位焊。然后將帶有30 個(gè)鋼底座的安裝工藝板焊接在主體鋼梁底部，一塊一塊拼接起來(lái)，布滿整根鋼梁。如此一來(lái)，大量的焊接工作在地面完成，大大降低工作難度及強(qiáng)度，減少安全隱患，且節(jié)約了工期。

圖7 上部安裝工藝板

圖8 安裝工藝板三維模型圖

2.4 不銹鋼拉索下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

初步方案中，下部結(jié)構(gòu)的彈簧裝置直接與埋板之間采用間斷焊接以方便施工，如圖9～ 10 所示。同時(shí)，彈簧裝置內(nèi)增加球頭栓來(lái)控制風(fēng)荷載作用下拉索角度的變化。彈簧裝置通過(guò)緊固螺釘連接成一個(gè)整體，便于運(yùn)輸和安裝，安裝完畢后索下端與彈簧裝置連接后拆除緊固螺釘。擰緊轉(zhuǎn)動(dòng)球頭栓即可拉緊索實(shí)現(xiàn)預(yù)緊。索錨具壓制為六邊形，不僅外觀美觀，同時(shí)方便擰緊。錨具的螺紋設(shè)計(jì)在球頭管的中間部位，目的是讓索和錨具進(jìn)入彈簧裝置，降低總體高度。

圖9 下部結(jié)構(gòu)施工圖

圖10 下部結(jié)構(gòu)三維模型

與初步方案中的上部結(jié)構(gòu)安裝板相對(duì)應(yīng)，下部結(jié)構(gòu)也有其特制配合現(xiàn)場(chǎng)焊接安裝的工藝板，圓形工藝孔用于定位底座，孔外側(cè)均勻分布3 處開(kāi)口為底座的定位焊，焊接長(zhǎng)度每段30mm。同時(shí)為了方便焊接，外側(cè)兩排的焊接點(diǎn)設(shè)計(jì)為外點(diǎn)兩點(diǎn)，內(nèi)側(cè)一點(diǎn)；中間排則設(shè)計(jì)在空隙最大的位置。

而后期施工中，為了控制經(jīng)濟(jì)成本和方便施工，彈簧裝置由碟形彈簧改為螺旋彈簧，設(shè)置在頂部鋼板與索端頭鋼板之間（如圖11～ 12）。現(xiàn)場(chǎng)首先根據(jù)拉索位置進(jìn)行放線定位，安裝地腳錨栓。彈簧裝置與拉索、頂部鋼板、底部鋼板通過(guò)螺栓連接成一個(gè)整體，通過(guò)地腳錨栓固定裝飾索下部連接。安裝完畢后索下端與彈簧裝置呈松弛狀態(tài)。擰緊轉(zhuǎn)動(dòng)地腳錨栓的頂部螺母即可拉緊索實(shí)現(xiàn)預(yù)緊。地腳錨栓設(shè)置在排水溝的中部，調(diào)節(jié)螺母設(shè)置在頂部鋼板的外側(cè)，方便操作。根據(jù)建造師要求的裝飾效果，排水溝內(nèi)滿鋪鵝卵石，頂部鋼板恰好用于承托鵝卵石。地腳錨栓的長(zhǎng)度決定調(diào)節(jié)量的大小，解決現(xiàn)場(chǎng)施工偏差大的問(wèn)題，減小索生產(chǎn)精度要求，便于施工和索生產(chǎn)同步進(jìn)行。彈簧裝置下部鋼板與排水溝底部留有間隙，便于雨水及時(shí)排出。彈簧表面采用60Si2MnA，表面進(jìn)行鍍鋅后鈍化處理，再均勻涂刷黃甘油，鋼板表面氟碳噴涂處理，進(jìn)行有效防腐。

圖11 下部結(jié)構(gòu)施工圖

圖12 下部結(jié)構(gòu)實(shí)際安裝照片

下部結(jié)構(gòu)也采用特制配合現(xiàn)場(chǎng)焊接安裝的工藝板，如圖13～ 14 所示，圓形工藝孔用于定位地腳錨栓，孔外側(cè)均勻分布3 處開(kāi)口為底座的定位焊，焊接長(zhǎng)度每段30mm。同時(shí)為了方便焊接，外側(cè)兩排的焊接點(diǎn)設(shè)計(jì)為均為外點(diǎn)兩點(diǎn)，內(nèi)側(cè)一點(diǎn)。

圖13 下部安裝工藝板

圖14 安裝工藝板三維模型圖

2.5 彈簧補(bǔ)償索結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

當(dāng)拉索跨度超過(guò)12m 時(shí)，在溫度和風(fēng)荷載作用下，拉索會(huì)伸長(zhǎng)呈松弛狀態(tài)，或收緊呈拉伸狀，需采用拉索防松過(guò)載保護(hù)裝置。該裝置依靠彈簧的伸張使拉索維持一個(gè)允許的預(yù)緊力，保證幕墻的安全使用。

由于烏鎮(zhèn)項(xiàng)目用索屬于室外使用，考慮到烏鎮(zhèn)晝夜溫差、冬夏溫差，溫差變化-10℃～40℃，但是在夏季暴曬之后金屬表面溫度會(huì)高于室溫，所以設(shè)計(jì)時(shí)考慮-10℃～50℃的溫差，即60℃的溫差。60℃溫差對(duì)于φ8 的索溫度應(yīng)力為3 000～7 944N 之間變化。采用彈簧結(jié)構(gòu)可以使索力在3 000～5 200N 之間變化。如果不使用彈簧裝置支座反力相差2.744kN，沿幕墻水平方向每延長(zhǎng)米平均30 根索，即對(duì)結(jié)構(gòu)的拉力增加每延長(zhǎng)米82.32kN。

考慮到該索受力要求，要求該索最小內(nèi)力不應(yīng)小于3.0kN，同時(shí)考慮結(jié)構(gòu)受力要求：索的最大拉力不超過(guò)5.2kN。因此選用彈簧來(lái)補(bǔ)償因溫度變化造成內(nèi)力差。

由于熱脹冷縮作用，夏季最高溫度下索會(huì)松弛內(nèi)力下降，而冬季最低溫度下索會(huì)收縮，內(nèi)力增加。因此在最高溫度50℃下確定索內(nèi)力為3.0kN，在最低溫度-10℃時(shí)索的內(nèi)力不超過(guò)5.2kN，根據(jù)計(jì)算可得不同安裝溫度下對(duì)應(yīng)的預(yù)緊力，如圖15所示，即季節(jié)的溫差、晝夜溫差都會(huì)造成索力的變化。為了方便現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)直接觀察索力，設(shè)置專用刻度表對(duì)照施工溫度進(jìn)行索力調(diào)整，如圖16 所示，保證施工速度。

圖15 不同溫度下預(yù)緊力值

圖16 溫度與索力對(duì)應(yīng)刻度表

3 結(jié)論

本文基于烏鎮(zhèn)互聯(lián)網(wǎng)國(guó)際會(huì)展中心項(xiàng)目，提出利用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值和支座反力理論計(jì)算值的方法對(duì)不銹鋼拉索系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要得出以下結(jié)論：（1）不銹鋼拉索系統(tǒng)的上下部結(jié)構(gòu)選用帶有螺紋底座的特制板，采用工廠標(biāo)準(zhǔn)化加工，并通過(guò)安裝在拉索下端的彈簧補(bǔ)償裝置來(lái)滿足防松過(guò)載保護(hù)要求；（2）提出了不銹鋼裝飾索結(jié)構(gòu)索力與溫度對(duì)應(yīng)關(guān)系，方便現(xiàn)場(chǎng)施工；（3）結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工難度，提出了不銹鋼拉索體系采用分組預(yù)制的施工安裝方法，縮短施工工期，為不銹鋼拉索幕墻的設(shè)計(jì)施工提供了新的思路和方法。