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提要：本文對異形玻璃幕墻及采光頂、自由曲面玻璃體等具有雙曲面玻璃造型的外圍護結構項目，在節(jié)點設計和施工中碰到的技術難題及解決方案作了詳細的介紹，特別是對特殊節(jié)點在實際工程中的處理作了闡述。這些節(jié)點在二十多年的使用和運行中已經(jīng)經(jīng)受了考驗，狀態(tài)良好。部分節(jié)點已經(jīng)應用在各種的異形幕墻的項目中，對異形玻璃幕墻的結構制作和面板安裝起到了重要的作用。使得雙曲面的玻璃造型流暢順滑，很好的實現(xiàn)了異形曲面的建筑效果。
關鍵詞：異形玻璃幕墻，平板擬雙曲，單曲板擬雙曲面， 雙曲面異形玻璃。
1引言
建筑外觀的新、奇、特藝術效果，出現(xiàn)了不少三維自由曲面造型的建筑立面。其基本表現(xiàn)手法是利用通透的異形玻璃這種媒介,通過對玻璃面板曲面的變化形式來表現(xiàn)的，這就給了建筑幕墻（詞條“建筑幕墻”由行業(yè)大百科提供）的技術人員和科研研發(fā)提出了不小的挑戰(zhàn)和巨大的契機。可以說，異形幕墻的出現(xiàn)和發(fā)展給了幕墻設計師們發(fā)揮其聰明才智的空間，促使建筑幕墻的設計與施工技術向前發(fā)展。
本文想通過對實際工程項目使用過，經(jīng)過時間考驗的成熟節(jié)點的介紹和分析，進一步提高我們對異形玻璃幕墻節(jié)點的設計和理解能力。
1.1、 雙曲面異形幕墻工程案例(多塊雙曲面玻璃組拼而成的自由曲面)
異形曲面玻璃幕墻的形式很多，有由多塊雙曲面玻璃組拼而成的自由曲面玻璃幕墻，如北京長安中心的索結構雙曲面玻璃體。北京天新文館南北立面入口處的雙曲面玻璃洞口，和馬鞍體玻璃通道的異形自由曲面夾膠玻璃等。
1.1.A、本文所要提到的第一個項目是北京長安中心的索結構雙曲面玻璃體。該案例是我在2005年完成的一項預應力索結構支承自由曲面玻璃幕墻的探索。其支承結構是利用水平布設的反向預應力（詞條“應力”由行業(yè)大百科提供）支承索桁架結構與單向單索結構組合形成自由曲面玻璃幕墻。其水平跨度為24m。豎向為單向單索支承最大垂直跨度為8m ，幕墻結構的受力特征為豎向單索首先承受水平風荷載，再傳遞給橫向水平鋼索桁架，由橫向水平鋼索桁架交給鋼結構，最后傳遞到地面或者建筑主體結構。
在實際工程中，空間曲面玻璃面板的支承結構系統(tǒng)，除異型鋼結構外也可以通過索、桿的空間合理布設，將鋼索布置出個性鮮明的造型，形成合理的受力體系。通過點支式玻璃連接系統(tǒng)來支承雙曲面玻璃面板，形成建筑造型中理想的自由曲面。(如圖1.1A-a、b、c、)
1.1.B、北京天新文館南北立面入口處和馬鞍體玻璃通道，是典型的雙曲面玻璃幕墻。從工程竣工到現(xiàn)在已有近二十年的時間了。位于南、北立面的夾膠中空玻璃雙曲面幕墻和馬鞍形玻璃通道的異形夾膠玻璃面板，已經(jīng)經(jīng)受到了時間的考驗。
在該項目的異形幕墻中從玻璃幕墻到玻璃旋體造型。以及玻璃采光頂（詞條“玻璃采光頂”由行業(yè)大百科提供）、屋頂玻璃體造型等相關于異形幕墻的特殊構造節(jié)點有二十種之多。由于節(jié)點設計的比較合理，針對性和可實施性強，對異形玻璃幕墻的結構安裝和面板安裝起到了決定性的作用。使得雙曲面的玻璃造型流暢順滑。(如圖1.1B-a、b、c、)
1.1.C、壽光文化中心玻璃橢球形劇場(由單曲板擬合雙曲面玻璃幕墻的典型項目)的長軸是60米短軸為40米 由多根相互平行的立柱支撐在8米高的空中。球形劇場的一端是通過通道與大堂連接，球形劇場的結構是由鋼管通過經(jīng)緯線的布置形成的球殼。外層的玻璃是中空彩釉夾膠熱彎玻璃，是典型的“單曲板擬雙曲面”的做法。(如圖1.1C照片)
整個橢球體外飾面的雙曲面玻璃是通過彩釉點密度的變化實現(xiàn)透光率（詞條“透光率”由行業(yè)大百科提供）的變化。玻璃與鋼結構的連接節(jié)點是通過玻璃之間的空隙將內(nèi)片玻璃固定在結構上，實現(xiàn)了機械連接的隱框效果。
1.2、異形幕墻項目平板擬雙曲面(采取平板擬雙曲面的做法)
北京天文館新館內(nèi)的四個空間鋼結構玻璃旋體。無論從設計和施工的技術難度都超乎想象，采用了上下玻璃板塊對接，左右玻璃板塊錯位搭接的連接方式。其曲率半徑變化不同，都是典型的平板擬雙曲面的工程案例。(如圖1.2A-a、b、c、d)
北京天文館新館的整體建筑物由五層鋼筋混泥土結構、鋼結構、玻璃幕墻及采光頂、馬鞍形玻璃通道和四個各具象征意義的玻璃旋體組合而成。四個玻璃旋體的最大直徑為25m，最小直徑為13米，總高度為38.5m;旋體的玻璃為上下兩點支承和邊部四點支承，玻璃之間為開縫式，上下玻璃板塊對接，左右玻璃板塊錯位搭接的連接方式。其建筑創(chuàng)意新穎、造型別致、層次分明，用玻璃與鋼結構的有機結合體現(xiàn)了過去與未來、藝術與自然的和諧統(tǒng)一。
哈爾濱大劇院是哈爾濱標志性建筑，劇院的設計力圖從劇院、景觀、廣場和立體平臺多方位給市民及游人提供不同的空間感受。考慮到觀演和觀光的需要， 大劇場采用了世界首創(chuàng)的將自然光引入劇場的方式，豐富了非演出時段的照明方式，創(chuàng)造了節(jié)能環(huán)保新模式;
劇場中部采光頂?shù)牧骶�造型與建筑外造型的整體風格相統(tǒng)一。其群錐式玻璃采光頂?shù)牟Ａ耆捎昧?a target='_blank' style='font-size:1em; border-bottom:1px dotted blue;'>平板玻璃（詞條“平板玻璃”由行業(yè)大百科提供）折線拼接的方式塑造出高低起伏群體堆積大流線的視覺效果。(如圖1.2B)
更為典型的采取平板擬雙曲面玻璃幕墻是鳳凰衛(wèi)視北京總部大樓。屹立在朝陽公圓旁，外型有些奇特，有人說造型像個‘窩’，建筑的大小線條都是螺旋立體雙曲線。這個整體雙曲面的建筑幕墻，是采用了鋁合金框架型材支承，平板玻璃折線安裝的工藝方案成型的，是典型的“平板擬雙曲面”玻璃幕墻。建筑具有極強的視覺震撼效果。(如圖1.2C、D、E)
2、異形玻璃幕墻節(jié)點設計
這類玻璃幕墻的節(jié)點可以說在每個項目都會由于外形的變化而有所不同，都需要進行具體分析對連接節(jié)點的功能適應性作單獨設計。其設計的基本原則是，有效的傳遞荷載，將面板與支承結構之間有機的結合，使得支承體系在穩(wěn)定的同時能適應多角度的荷載變化對幕墻曲面帶來的影響。還要充分考慮到其視覺效果，造型美觀有一定的觀賞性。
2.1、雙曲面異形幕墻節(jié)點應用案例
2.1.1、北京天文館在南、北立面的馬鞍通道入口處，由于外形和玻璃分割線所限，使鋼結構龍骨的加工和玻璃的加工安裝碰到很大的難題。固定玻璃的次龍骨是曲線形，而固定玻璃的槽口又要與玻璃的邊緣對應，這就出現(xiàn)了次龍骨為曲線扭曲形狀;異形邊雙曲面玻璃最大長度達3680mm×1200mm，這在當時國內(nèi)的玻璃加工業(yè)是從未遇到過的難題。突破難題的方案是在異形雙曲面玻璃的加工時采用網(wǎng)格式空間模形確定玻璃下料尺寸。在模具（詞條“模具”由行業(yè)大百科提供）制作時按網(wǎng)格橫豎向線條的曲度將鋼管加工彎曲（詞條“彎曲”由行業(yè)大百科提供）成形并組拼成型。(如圖2.1.1-a、b)
幕墻結構系統(tǒng)采用了橫向由T型鋼龍骨支承，在外部增加了鋁（詞條“鋁”由行業(yè)大百科提供）合金裝飾扣條。使其既作為外視橫線條也作為玻璃面板的水平支承結構。北立面異形玻璃幕墻節(jié)點圖中所示的為大面的基本節(jié)點，在轉角處和曲面幕墻處的節(jié)點是在此基礎上進行了加強改造。(如圖2.1.1-c、d)
在旋體玻璃與結構連接節(jié)點設計過程中，玻璃板塊之間采用上下玻璃板塊對接，左右玻璃板塊錯位搭接的連接方式，在板塊之間打膠處理使之形成閉縫式連接的特殊雙層玻璃點駁接節(jié)點也叫“雙頭連接駁接頭”解決了這一難題。該節(jié)點還申請了國家實用新型專利，為這類連接形式找出了路子。(如圖2.1.1-e、f)
為解決技術難題，在設計中根據(jù)工程特點發(fā)明了新的節(jié)點并使用在本工程上：“雙頭連接駁接頭”、“可調(diào)式轉角支承爪件”、“雙層玻璃定位夾”等，都是針對本工程設計的特殊節(jié)點。既解決了設計于施工難題又滿足了建筑造型的要求。 在結構設計上充分利用先進的結構計算軟件建立四個旋體的空間模型，對旋體的每一條桿件都進行靜力學和動力學的分析.確保結構的安全性。
由于造型的需要在玻璃旋體上也有玻璃板塊為上下兩點支承的玻璃旋體的雙曲面造型。由于玻璃板塊與旋體的空間鋼結構的連接是采用在玻璃板塊的中部固定的,用玻璃板塊的上、下兩點來支承板塊所受的荷載。(如圖2.1.1- g)
這種連接方式雖然能解決了玻璃板塊自重和水平荷載（詞條“水平荷載”由行業(yè)大百科提供）的傳遞,但同時又出現(xiàn)了板塊平面外不穩(wěn)定的問題。為了能在不增加結構連接件（詞條“連接件”由行業(yè)大百科提供）的情況下，解決玻璃板塊平面外固定的問題，我們專門為該項目設計了玻璃面板卡扣式連接節(jié)點，也叫“雙層玻璃定位夾”。 (如圖2.1.1- h、i )
在北京天文館新館玻璃幕墻和玻璃旋體施工中采用了多項新工藝、新材料、新技術，其難度之大精度之高為國內(nèi)鋼結構和幕墻的設計、安裝所不多見的，其中許多地方都打破了常規(guī)，為國內(nèi)幕墻特殊異型鋼結構的安裝，積累了豐富的經(jīng)驗。
2.1.2、壽光文化中心玻璃橢球形劇場的隱框曲面玻璃幕墻是采用了“隱形夾板式連接裝置”。該連接裝置結構包括母座、轉接件、托板件、銷軸、壓板、緊定螺釘等;安裝時將母座固定在支撐結構上，轉接件通過螺紋旋入母座中，托板件通過銷軸和鎖緊螺母固定在轉接件上。壓板裝在中空玻璃的空腔內(nèi)，壓板上裝有橡膠（詞條“橡膠”由行業(yè)大百科提供）壓條，在中空玻璃空腔內(nèi)設置有鋁槽，中空玻璃安裝后，壓板通過連接螺釘固定在托板上，壓板壓合在鋁槽上將玻璃面板固定。
這種用于橢球體全隱框曲面玻璃板固定的節(jié)點，發(fā)明后立即應用在了壽光文化中心玻璃橢球形劇場上。解決了曲面板四點不共面的固定安裝難題。該節(jié)點申請了國家發(fā)明專利專(利號：ZL 2008 1 0024546.5)(如圖2.1.2- a、b )
在這里想強調(diào)的是，這種“隱形夾板式連接裝置”在使用過程中應該注意內(nèi)片玻璃應該是夾層玻璃其受力體系為點支承受力。
2.1.3、北京長安中心的索結構雙曲面玻璃體。由于本項工程的外形是采用不規(guī)則的雙曲面體，支承結構又是不對稱的魚尾式索桁架和豎向單索結構，再加上主體結構只能承擔水平荷載不能承受豎向力，這就要求每個節(jié)點夠造都要適應結構性能的要求。
豎向索的頂部節(jié)點比較復雜，由于受力變形的要求鋼索與鋼桁架的連接節(jié)點必須能夠在鋼索受水平荷載變位時自由轉動，同時又要能吸收索材料的軸向長度誤差和安裝誤差。我們在此處安裝了球形腳支座和誤差調(diào)節(jié)器。
由于水平索桁架的鋼索內(nèi)力極大，在設計時采用了雙索同時受力的方案。為了解決雙拉索（詞條“拉索”由行業(yè)大百科提供）與桿的在工作狀態(tài)時能牢固連接又能相對位移，設計了特殊節(jié)點(如圖2.1.3-a、b、c)
3、結束語
近年來，異形建筑和異形幕墻在國內(nèi)有了快速的發(fā)展，這就為這些特殊幕墻節(jié)點的使用提供了一個更大的空間，對幕墻工程師們在幕墻節(jié)點設計上提供了一個又一個的新的富有挑戰(zhàn)的課題。總結和介紹過去二十年來，我所經(jīng)歷的雙曲面異形玻璃幕墻項目在特殊節(jié)點的設計施工技術經(jīng)驗。旨在為了給新的，更復雜的異形項目在節(jié)點設計與施工時提供有針對性的參考。為幕墻設計師們利用當今數(shù)字化高科技的手段解決技術難題提供借鑒的方案和依據(jù)。
文章中所涉及的項目都已經(jīng)經(jīng)受了時間的考驗。北京天文新館項目、壽光文化中心玻璃橢球形劇場、哈爾濱大劇院群錐式玻璃采光頂、鳳凰衛(wèi)視北京總部大樓、北京長安中心的索結構雙曲面玻璃體項目都已經(jīng)成為當?shù)氐牡浞豆こ毯?a target='_blank' style='font-size:1em; border-bottom:1px dotted blue;'>地標項目。應該是雙曲面異形玻璃幕墻可以借鑒的樣板。
參考文獻
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[2] 王德勤，《北京天文館新館幕墻結構相關技術》，鋁門窗幕墻論文集，2005
[3] 王德勤，《北京天文館設計與施工技術》，建筑技術，2005-9期
[4] 王德勤，《異型玻璃幕墻工程施工測量技術探討》，中國建筑裝飾裝修，2005
作者單位：北京德宏幕墻工程技術科研中心
