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      蘇州中心大鳥型采光頂幕墻設計概述

      來源:《建筑幕墻創新與發展》  作者:牟永來 潘元元  日期:2017-4-20
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        摘要:針對世界上最大的薄殼整體式自由曲面幕墻支撐結構體系和世界上最大的無縫連接多棟建筑采光頂。屋面玻璃采用平板冷彎技術實現建筑曲面造型。這不僅需要綜合考慮臺風、地震、高低溫等各種環境因素對幕墻變形及結構安全帶來的影響,更需要面臨薄殼整體式鋼結構變形和玻璃冷彎技術對屋面體系安全影響和超大面積采光頂有組織排水等難題。本文重點論述蘇州中心大鳥屋面曲面幕墻技術實現措施和屋面排水體系設計兩個技術難點。
        關鍵詞:大鳥屋面、薄殼整體建筑、無縫連接采光頂技術、玻璃冷彎技術、屋面防水

        通過BIM分析及修模,得出最大階差為140mm,不同顏色的區域表示不同階差值,不同階差值對應的幕墻系統也有所差異。

        通過BIM導出階差數據如下表:BIM模型階差數據表(如圖3.2.6),經過對數據表的分類整理歸類,將模型利用BIM進行網格劃分排板,對不同階差值的板塊數量進行數據統計。得出以下匯總表(圖16)。

      圖13 建筑三維模型

      圖14 建筑三維階差圖

      圖15 數據表

        基于以上分析,平板玻璃構造體系通過BIM模型分析,相鄰玻璃面板角度大約在174°~182°之間變化,節點圖(詞條“節點圖”由行業大百科提供)(圖17)。

      圖16匯總表

      圖17 節點圖

        第三種:冷彎單曲弧線玻璃體系

        對于該種幕墻體系,該種玻璃幕墻結構體系玻璃采用平板玻璃,玻璃不需要熱彎,玻璃附框不需要彎弧處理。

        采用冷彎單曲弧線玻璃體系最終形成的大鳥建筑外皮沒有階差產生,能很好的達到建筑的外立面效果。

        冷彎式玻璃幕墻系統是用于實現玻璃幕墻的曲面效果的一種措施,它是由橫向龍骨和豎向龍骨組裝成的龍骨骨架單元,在本工程上都是菱形板塊。龍骨單元板塊的橫向龍骨或豎向龍骨為弧形使得所述龍骨單元板塊組成近似的空間四邊形,安裝于龍骨單元板塊內的平板半鋼化玻璃與龍骨單元板塊曲面擬合,然后用玻璃附框壓住玻璃,為了防止半鋼化玻璃反彈,構造設置了不銹鋼安全扣板。冷彎工藝玻璃幕墻系統實現了曲面玻璃幕墻墻面平整美觀的要求。

        玻璃冷彎原理就是利用平板玻璃本身具備一定彈性彎曲的特點,讓工廠加工好的平玻璃板塊在工地現場安裝時人工合理壓彎安裝就位,通過多塊平板玻璃的壓彎扭曲變形而達到擬合幕墻曲面的效果。安裝完成的板塊內部,包括玻璃和型材都存在容許的內應力。在設計過程中,要利用BIM系統精確模擬所有板塊和連接點并數據系統化,在施工時準確定位所有連接點,使得玻璃板塊可以互相冷彎壓接。

        3、結構變位幕墻適應性鋼結構變形分析選用

        Ansys計算軟件對主體鋼結構的變形量進行極限校核。根據計算,鋼結構的最大變形位于整個模型的中軸線位置,最大變形量為336.249mm(圖18)。鋼結構變位對結構膠拉伸的影響將直接影響屋面系統的使用安全和防水安全。

        鋼結構變位對結構膠壓縮的影響,經過分析,受主體鋼結構角度位移、弧度位移以及受溫度等因素的共同影響,幕墻系統的密封膠膠縫寬度需要承受最大的拉伸量為13.21mm,最大的壓縮量為10.61mm,密封膠的變位極限為-50%~100%。 原膠縫寬度為50mm,滿足結構膠變位要求(圖19)。

      圖18 結構變位圖一

      圖19結構變位圖二

      圖20節點變位圖

        經過三種結構體系分析比對,分別對三種結構體系進行有限元分析,通過玻璃板塊極限實驗和區域視覺樣板測試,并結合國內外類似案例經驗。確定屋面玻璃階差60毫米以下的玻璃板塊采用冷彎技術,玻璃占比88%。玻璃階差60毫米以上的玻璃板塊采用熱彎技術,玻璃占比12%。

        4、屋面玻璃幕墻標準結構體系

        大鳥屋面結構體系玻璃幕結構采用全隱框結構體系,玻璃面板采用10HS+2.28PVB+10HS夾膠半鋼化玻璃。在相鄰四塊玻璃板塊交接點處安裝不銹鋼球鉸壓板,通過不銹鋼螺栓連接在幕墻支撐鋼龍骨上,避免隱框玻璃結構膠長期受拉,確保結構體系安全。玻璃膠縫寬50毫米,采用硅酮密封膠密封,保證屋面結構變位條件下的受力安全和防水的可靠性。

      圖21

        5、屋面曲面玻璃冷彎理論基礎和技術措施

        對于薄板脆性玻璃材料采用冷彎技術不僅需要從結構整體受力分析、玻璃邊緣強度(詞條“強度”由行業大百科提供)、應力等進行全面詳細的分析,也要對玻璃材料、加工工藝、材料檢測、安裝工藝等方面進行詳細的研究論證,通過理論計算、實驗驗證、實施標準等多方面進行全方位安全把控,確保滿足該技術實施并在運行過程中安全可靠。

        第一部分、冷彎玻璃冷彎理論研究

        通過運用BIM模型分析,大鳥屋面玻璃表皮是雙曲面造型,每塊玻璃呈現不同程度翹曲,整個大鳥屋面共6815塊(21912㎡),玻璃翹曲范圍在0~141mm之間。根據設計,面材采用10mm+2.28PVB+10mm夾膠半鋼化玻璃,尺寸分格約Ba*Bb=2400*1750,尺寸各有差異。

      圖22

        冷彎玻璃理論計算原則,按照玻璃體系結構設計要求,在玻璃的四周邊緣上,每邊布置兩個夾具,夾具在玻璃邊線上的位置按照設計間距布置。

        選用Ansys計算軟件對玻璃翹曲承載力進行極限校核(圖23)。半鋼化玻璃強度取值根據規范《玻璃幕墻工程技術規范JGJ102-2003要求(圖24),半鋼化玻璃冷彎邊緣強度按22MP控制,整體建模后對每片玻璃進行荷載組合計算(圖25)。通過對大鳥屋面全部 6815塊(面積21912 ㎡)玻璃的冷彎計算,計算結果滿足要求的玻璃板塊數量為6037塊(面積19046㎡占比89%),計算不滿足要求的玻璃數量為778塊 (面積2866㎡占比11%)。其中計算滿足要求的6037塊玻璃板塊中平面翹曲階差范圍涵蓋0-140mm之間(圖26)。

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      專家介紹

       潘元元

      鋁門窗幕墻委員會專家組

      工作單位:蘇州市建筑金屬結構協會

      技術職稱:高級工程師

      專業:從事建筑幕墻、門窗工程設計、科技研發、標準、規范制定及行業管理三十多年。

      專長:建筑幕墻、門窗工程設計、科技研發、標準、規范制定、行業管理

      原文地址:http://www.52mqw.com/info/2017-4-20/42896-1.htm
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