随着我国国民经济的快速发展,近年来在我国大中城市中涌现出了一大批场馆类建筑,如大型的机场、会展中心、体育场馆等。该类建筑大都具有恢宏磅礴的气势、独具匠心的造型和时尚现代的外观,成为当地的地标性建筑,引领了当代建筑艺术的潮流。建筑玻璃幕墙作为一种新兴的建筑外装饰技术,具有现代感强烈、轻盈通透、节能环保等诸多优点,受到了建筑师的青睐,被广泛应用于场馆类建筑外维护结构中。
2 场馆类建筑玻璃幕墙的特点
目前我国场馆类建筑玻璃幕墙具有以下几个特点:
(1)幕墙位于建筑中人流密集的区域,要求具有通透的视野和良好的采光性能,玻璃面板建筑分格尺寸较大,安全节能性能要求高。
(2)玻璃幕墙支承结构跨度较大,采用的多是造型别致、构造轻巧、观感性强的新型结构,具有与众不同的视觉冲击力。
(3)连接节点功能性要求强,且曝露在大众视线中,要求制作精致华美,以衬托建筑幕墙的时代质感。
3 场馆类建筑玻璃幕墙玻璃面板的设计
如上所述,幕墙玻璃面板的设计需遵循建筑采光性能良好,且兼具安全性能及节能性能。
3.1 幕墙玻璃面板的分格设计。
一般来说,为获取良好的视野和采光性能,幕墙玻璃面板均采用了比较大的分格尺寸,如广州新白云机场航站楼幕墙工程,其大面玻璃分格尺寸为1.5米(纵向) ×3.0米(横向),广州会展中心幕墙工程,其大面玻璃分格尺寸为2.0米(纵向) ×2.5米(横向)等,一些工程项目为避免遮挡视线,距地面首块玻璃的纵向尺寸加大,如重庆江北机场航站楼幕墙工程,其大面玻璃分格尺寸为2.8米(纵向) ×3.0米(横向),但距地面苜块玻璃的分格尺寸加大为2.8米(纵向) ×3.0米(横向),这样人站在幕墙下时视野就不受任何限制了。
但是太大的玻璃分格尺寸也会给玻璃的加工和制作带来一定的难度,目前国内大多数玻璃厂的钢化玻璃生产尺寸能力有限,一般要求玻璃板块的一边的尺寸不要超过2.5米,超大的玻璃板块尺寸将大大增加玻璃加工和制作的成本。
3.2 幕墙玻璃面板配置的选择原则。
(1)安全性原则。
作为人流密集的大型公共建筑的外维护结构,由于幕墙高度达十几米甚至几十米,所以其安全性是首先需要考虑的因素。幕墙玻璃面板的受力支承主要有四点支承、双边简支、四边简支等几种支承情况。四点支承的玻璃面板需要较高的强度设计值,一般要选择钢化玻璃。所谓钢化玻璃是将普通玻璃加热到650℃ ,然后快速冷却,使其表面形成较高的压应力,强度一般比普通玻璃高4~5倍。钢化玻璃在破碎时,会形成圆形的相对无伤害的小颗粒。钢化玻璃虽然是安全玻璃,但其在均质处理后仍然会有一定的自爆率,自爆后飞散的小颗粒自高空下落有较大的危险性,所以一般是将两片钢化玻璃通过PⅤB膜粘和在一起,制成钢化夹层玻璃使用。对于双边或四边简支的玻璃面板,在设计强度值满足要求的情况下,建议采用普通夹层玻璃或半钢化夹层玻璃,这样可以免去钢化玻璃自爆后更换玻璃板块的麻烦。
夹层玻璃面板解决了玻璃破裂时的安全隐患,也带来了一个新的问题。当整个建筑幕墙的立面均采用夹层玻璃作为幕墙面板时,在紧急情况下(如大面的火灾),建筑内的人们无法通过敲破玻璃面板逃生。所以应在幕墙立面首层适当位置采用非夹层玻璃板块,以各应急之用。
(2)节能性原则。
节能设计是目前世界建筑设计的主流因素。我国是世界上人口最多的发展中国家,人均能源占有量与世界平均水平相比处于非常低的水平,我国的近、中期能源策略只能走“节能增效”的道路,构建节约型社会是我国未来可持续发展的重要条件,所以建筑幕墙的节能性在设计阶段就要予以仔细考虑。由于场馆类建筑玻璃幕墙主要是由玻璃面板构成的封闭结构,玻璃面板的内侧就是室内空间,所以玻璃面板的节能参数基本上决定了玻璃幕墙节能性能。在我国玻璃幕墙发展的过程中,玻璃面板的配置的选择经历了一个过程。从早期的普通单片镀膜玻璃,到后来的中空镀膜玻璃、中空low-e玻璃(分单银、双银、三银low-e等)。目前节能参数最好的被广泛使用的玻璃类型是中空low-e玻璃。low-e玻璃又叫低辐射玻璃,其制作工艺是在玻璃的一个面上镀银、钛、镍铬合金及化合物等组成的膜层,在降低玻璃传热系数K值及遮阳系数Sc值的同时,又不影响玻璃的透光率。根据镀膜工艺的不同low-e玻玻璃又分为在线low-e玻玻璃和离线low-e玻璃,在线low-e玻璃优点是其膜层牢固度、耐久性好,玻璃可单片使用,也可作为夹层玻璃使用,缺点是节能性差且颜色均匀性差;离线low-e玻璃优点是节能性好且颜色均匀性好,缺点是膜层耐久性差,不能作为单片或夹层玻璃使用。中空low-e玻璃大多采用的是离线low-e的镀膜工艺,且膜层朝向中空玻璃的空气层。下表是各类玻璃的节能参数的对比表。
需要注意的是,在玻璃面板节能参数选取时,并非遮阳系数⒌ 和传热系数K值越小越好。我国的南方地区和北方地区由于气候差异很大有明显的区别,在南方的夏热冬暖和夏热冬冷地区,空调期太阳辐射得热所引起的负荷是耗能的主要因素,因此对幕墙玻璃的遮阳系数的要求高于北方地区,而北方严寒和寒冷地区,采暖期室内外温差传热的热量损失则是耗能的主要因素,所以对幕墙玻璃的传热系数的要求高于南方地区,需要根据热工计算的结果综合考虑上述因素。关于这一点可参照《公共建筑节能设计标准》GB50189-2005中的有关规定。
3.3 玻璃面板与支承结构连接的设计。
玻璃面板与支承结构连接的形式主要有以下几种:四点支承连接、矩形夹具连接和四边支承连接。为追求玻璃幕墙的通透性,四点支承连接是曾被广泛采用的连接形式,构造特点是在玻璃板块上开孔,利用金属驳接头通过驳接爪转接件与支承结构连接。为适应玻璃面板的变形,驳接头内部的螺杆连接头也设计成球头的造型(如图1)。该种连接形式优点是通透性好,适应玻璃面板的变形能力强,缺点是玻璃需开孔,加工复杂,孔周边容易产生应力集中,造成玻璃的损坏,且中空玻璃开孔后容易产生漏气现象。
矩形夹具连接是在四点支承连接形式之后又一种被广泛采用的连接形式,其构造是利引不锈钢矩形夹具固定玻璃的四个角部,将玻璃所承受的荷载通过矩形夹具传递给支承结构,玻璃与夹具接触位置需设置柔性胶垫,以避免应力集中和适应玻璃面板的变形(如图 2)。该连接构造的最大特点是玻璃面板无需开孔,加工制作更加方便快捷,且避免了玻璃开孔造成的容易漏气等缺陷。
四边支承连接形式是在框架式幕墙中最为常见的一种形式,其特点是玻璃板块制作加工安装方便快捷,受力均匀合理,但由于其玻璃板块之间有横竖框架存在,影响了幕墙的通透性,所以其在场馆类玻璃幕墙中的应用也受到了一定的限制。
4 场馆类建筑玻璃幕墙支承结构的设计
在场馆类建筑玻璃幕墙支承结构设计时,既要考虑结构的跨度较大、体型复杂、受力合理的因素,又要考虑建筑幕墙的通透性、时尚性和现代感,同时结构本身还需具有较强的装饰性,大跨度的钢结构、预应力钢索结构以及玻璃肋结构等结构类型的结合应用是较好的选择。
4.1 大跨度的钢结构。
为满足幕墙的通透性的要求,大跨度的钢结构多作为此类幕墙的主抗风结构,其布设间距较大,一般在幕墙玻璃面板横向分格两块以上布置一榀。如广州会展中心幕墙工程,其主抗风柱的水平布置间距为5.0米(两块玻璃水平分格尺寸),广州新白云机场幕墙工程, 其主抗风柱的水平布置间距为9.0米(三块玻璃水平分格尺寸)等。∶该类钢结构跨度大,主要是抵抗其水平布置间距内的幕墙的水平荷载,并将荷载的作用力传递给建筑主体结构。主抗风柱之间的支承结构多采用轻盈通透的钢索结构或玻璃肋结构等轻型结构。该类钢结构在实际的设计中较多地采用了钢管桁架的形式(如图3)。此类主抗风钢柱还可以采用一些构造新颖的造型,如采用开孔的钢板拼焊的钢立柱,又有一种完全不同的风格(如图4)。
有些幕墙工程外形复杂,由许多不规则的曲面构成,此时幕墙的支承结构可以全部采用钢结构,因为钢结构具有良好的加工性,可通过拉弯等工艺弯曲成各种形状,以适应复杂立面造型的需要。如北京天文馆幕墙工程的入口处的马鞍形幕墙，其支承结构就全部为钢管结构。如图五。
幕墙主抗风钢桁架柱的顶底连接在设计时应予以重点的考虑。由于场馆类建筑的屋顶主体结构是自成体系的大跨度结构,其在外荷载作用下在X、Y、Z三个方向的变形均较大,为避免对立面维护结构造成破坏,幕墙支承结构一般只将水平荷载传给屋顶主体结构, 其连接节点要能够适应屋顶结构三维空间的位移量,且幕墙顶部与屋面结构需采用柔性连接密封收口。如图6是一种典型的连接节点,此种双向铰机构既可传递幕墙水平荷载,又可适应屋顶结构三维空间的位移量;在幕墙面板与屋面板之间采用风琴橡胶板连接,既可保证幕墙的密封性能,又可保护幕墙面板不会被屋面较大的变形所破坏。主抗风钢桁架柱的柱脚设计时既要考虑水平荷载和竖向重力荷载的综合作用,又要兼顾外观的装饰性,一般可以设计成双铰板或三铰板,还可以使用铸造柱脚(如图7)。
钢结构的设计计算可以使用电算软件完成,如同济大学开发的3d3s具有强大的计算功能,可对整体钢结构模型的强度、刚度及稳定性进行全面的计算分析。
4.2 预应力钢索结构。
预应力钢索结构由于其结构造型的新颖别致,构件的精致纤细等特点,在场馆类建筑玻璃幕墙支承结构中得到了广泛的应用。预应力钢索结构中的钢索材料是一种柔性材料,仅能够承受拉力不能够承受压力,需要对钢索材料施加一定的预应力使其具有一定的刚度,才能够作为玻璃幕墙的支撑结构。目前常用的预应力钢索结构的形式有:预应力钢索桁架,预应力钢索自平衡桁架,预应力单层索网结构等。预应力钢索桁架是通过撑杆连接前后两根钢索,并对钢索施加预应力具有一定的形状(通常是鱼腹(尾))形,形成能够承受玻璃幕墙荷载的平面桁架。特点是节点构造精致、美观、纤细,通透性好,但索桁架需占用一定的空间,钢索的内力需要靠主体结构或边框结构来承受。钢索桁架的预应力需要在工地现场施加完成,现场工作量较大。预应力钢索桁架矢高对钢索桁架结构受力的影响很大,矢高越大,使用的钢索直径就越小,钢索桁架的整体位移也越小。但矢高太大会占据较大的室内建筑空间,影响钢索桁架的美观性,在设计中对钢索桁架的矢高取值一般是其跨度的1/10～1/12。图8所示为两种基本的预应力钢索桁架的形式在实际幕墙工程中的应。
预应力钢索自平衡桁架是在一般钢索桁架的前后钢索间布置了一根纵向的压杆,钢索的内力由纵向压杆来承担,不传给主体或边框结构。特点是自平衡桁架同样要占用一定的空间,且压杆本身较粗重,对幕墙的通透性有一定的影响,但其桁架单元可以在工厂内预制后运往工地现场,减少了现场的工作量。图9所示为预应力钢索自平衡桁架在实际幕墙工程中的应用。
预应力单层索网结构是由横竖钢索交叉构成预应力平面受力体系,由于省略了前后索之间的杆件,其结构本身做到了最大化的简洁、通透、轻盈,极大的释放了幕墙的使用空间。单层索网结构不具有平面外刚度,仅当产生平面外位移时才能抵抗来自平面外的荷载,即其平面外刚度是靠索预拉力的二阶效应来实现的。为将索网结构的平面外位移控制在一定范围内,钢索需要施加较大的预应力,所以对周边结构的受力要求也较高。图10所示为单层索网结构在实际幕墙工程中的应用。
预应力钢索结构设计中的两个关键步骤是预应力N。的确定和位移量F值的求解。预应力N0的施加需满足索结构的初始状态是平衡的、稳定的,并应保证钢索结构在受荷全过程中钢索始终处于张紧状态,钢索不因受压而退出工作,维持结构体系的整体稳定,同时节点位移应满足要求。在《玻璃幕墙工程技术规范》JCJ102－2003中,对预应力钢索桁架的位移限值的规定是钢索桁架跨度的1/200,而预应力单层索网结构的位移限值目前国内一般的取值是主受力索跨度的1/50。预应力钢索结构是典型的几何非线性大变形柔性结构,利用目前国际上非常流行的有限元软件ANSYS的非线性模块,可以对钢索结构的受力状态进行精确的模拟分析。在分析中常用的单元类型为Link8单元和Link10单元,Link8单元可以用来模拟索桁架中的撑杆,Link10单元用来模拟拉索。Link10单元的初始应变的输人是索桁架有限元分析的关键数据,其计算公式为ε=N。/EA,其中N。即为钢索的初始预应力,A为钢索的有效截面积,对计算结果分析后可根据需要对A值进行调整,以确定最佳的钢索直径和预应力值。
4,3 大跨度的玻璃肋结构
玻璃肋结构具有平整光滑的质感、晶莹剔透的造型等优点,能够表达现代建筑的时尚寿色,因此在场馆类建筑玻璃幕墙支承结构中得到了较多的应用。玻璃是一种刚性材料,尽管具有非常高的内在强度,但由于其表面存在许多细小的裂纹,所以大大降低了玻璃的强度设计值。玻璃作为幕墙支承结构时,常常以玻璃肋的形式出现,此时整个幕墙的面板及支承结构全部都由玻璃材料构成,所以又称全玻幕墙。考虑到安全性的因素,玻璃肋结构通常做成夹层玻璃或钢化夹层玻璃。其设计强度取玻璃的侧面强度,如12mm以下厚度的玻璃,普通浮法玻璃设计强度值为19.5N/mm2,钢化玻璃设计强度值为58.8N/mm平方。跨度不大的玻璃肋可以用一整块玻璃制作,并以吊挂或落地的形式作为玻璃幕墙的支承结构。
对于跨度较大的玻璃幕墙,玻璃肋必须分段制作,且需将各段连接成为一整条肋结构,一般做法是在两玻璃肋的连接处开孔,并用螺栓、金属夹板、柔性垫片及胶粘剂共同完成此节点的连接。需要说明的是由于此节点在外荷载作用下承受非常大的力和力矩,靠玻璃孔承压和螺栓受剪是无法完成力和力矩的传递,此时需利用连接部件与玻璃肋板之间的摩擦力来实现力和力矩的传递。这一点似乎有悖人们的常识,因为玻璃光滑的表面看起来摩擦系数很低,但实际上玻璃和金属的静摩擦系数在正常条件下几乎是相等的,都位于0.16～0.29之间,所以可以利用金属夹板和玻璃肋板之间的摩擦力来传递力和力矩。如图11.
5 结束语
大量的场馆类建筑的落成带动了建筑玻璃幕墙技术的快速发展,而各类极具特色的建筑玻璃幕墙的使用也为场馆类建筑带来了勃勃生机。展望未来,还会涌现出许多技术含量高、施工难度大、造型新颖的场馆类建筑。通过研究实践各类玻璃幕墙在此类建筑中的应用,必将带动我国建筑幕墙技术进人一个新的发展阶段。