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建筑幕墙的新支承结构系统

来源:2020论文集  作者:赵西安  日期:2020-10-21
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  摘要:目前,建筑幕墙采用多种多样的面板材料和新的构成形式;为适应建筑功能和建筑艺术的各种要求,新的幕墙支承结构体系在建筑中得到应用。本文主要介绍一些新型建筑幕墙支承结构系统。
  关键词:建筑幕墙 幕墙支承结构 斜交网格结构 空间刚架 索杆桁架 索网 悬挂体系

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  摘要:目前,采用多种多样的材料和新的构成形式;为适应建筑功能和建筑艺术的各种要求,新的幕墙体系在建筑中得到应用。本文主要介绍一些新型建筑幕墙支承结构系统。

  关键词:建筑幕墙 幕墙支承结构 斜交 空间 索杆 索网 悬挂体系

  1 常规幕墙支承结构

  常规幕墙的面板由正交的和支承。采用时,横梁与立柱采用连接; 采用时,横梁与立柱可以采用或螺栓连接(图1.1)。常规支承系统是或刚接的系统。

图1.1 常规幕墙支承结构

  2022年北京冬奥会速滑馆的幕墙被称为冰丝带,由13道双曲玻璃环叠成,支承在阶梯型的钢曲梁上,钢曲梁由斜向支承(图1。2,图5。3)。

图1.2 北京2022冬奥会速滑馆,阶梯型曲梁支承玻璃面板

  通常建筑幕墙的支承结构多采用上述正交梁柱金属框架系统。随着建筑功能和建筑艺术要求的多样化,新的结构形式得到更多的应用。

  2 斜交网格结构

  2.1 双层斜交网格体系

  早期一些幕墙工程直接将网架、网壳等屋面常用结构形式旋转90度,用于支承幕墙面板。如郑州裕达酒店的大堂和波士顿图书馆就采用了网架幕墙(图2.1)。许多幕墙是屋面的自然延伸,也同样采用了与屋面相同的双层(图2.2-图2.4)。

图2.1 采用网架作为幕墙支承机构

图2.2 北京植物园温室采用双层网壳支承幕墙

图2.3 深圳机场T3航站楼双层网壳支承玻璃和 图2.4 上海徐汇双层网壳玻璃球

图2.5 北京大兴国际机场,26万平方米双层双曲网壳屋面

  2.2 单层三向斜交网格体系

  单层三向斜交网格系统用钢量较省,施工方便,应用相当广泛。

  三向斜交系统可以单片使用,也可以组成折面和晶体形幕墙(图2。6、图2。7 )。

图2.6 单片平面网格体系

图2.7 多个平面组合的幕墙网格支承系统

  单层网格结构常为柱面和回转面,但是更多的工程因建筑艺术的要求,会采用更为复杂的(图2.8)。

图2.8 采用三向网格结构的曲面玻璃幕墙

  3. 刚架结构

  3.1 平面刚架

  三角形网格是稳定的结构,所以杆件在处可采用铰接。当采用多边形分格时,必须采用焊接,形成几何不变的刚架结构。

  六边形是可以填满平面的几何图形之一,因此六边形焊接也常用于幕墙(图3.1)。

图3.1 六边形蜂巢幕墙钢结构

  3.2 自由分格的刚架体系

  由或件连接成为任意分格平面刚架或空间刚架可作为幕墙的支承结构体系(图3。2、图3。3)。

图3.2 迪拜阿尔法塔幕墙由空间刚架支承

图3.3 刚架系统

  由金属构件和金属面板可以构成的刚架式幕墙表皮结构(图3。4、图3。5)。

  4.索杆

  4.1 索杆桁架

  索杆桁架由受压的钢杆和受拉的钢索组成,有时拉索会在上,这将使主体结构受到附加的拉力,主体时对这拉力应予考虑(图4。1)。

图4.1 索杆桁架

图4.2 采用索杆桁架支承的工程

  4.2 自平衡体系

  采用受压的中央杆件和两侧对称的钢索组成自平衡体系时,其的压力与拉索的拉力自相平衡,不会对主体结构施加额外的(4.3)。

图4.4 自平衡体系

图4.5 采用自平衡体系的幕墙

  5.索结构

  5.1 单向索结构

  单向索结构应竖向布置以承受玻璃面板的重量,索拉力应控制最大大约为跨度的1/50(图5.1)。

图5.1 单向索结构

  单向布索的结构较小,通常单跨索的跨度不超过18m。

图5.2 采用单向索结构的幕墙工程

图5.3 冰丝带—北京冬奥会速滑馆,单向斜索作为幕墙曲梁的第一道支承结构

  5.2 平面索网结构

  索网结构是有预拉力的拉索体系,对玻璃幕墙遮挡最小,深受建筑师欢迎。索网的拉力要作用在主体结构上,主体结构设计时应预加考虑。索网在大挠度下工作,通常控制挠度为跨度的1/40~1/60。

  北京新保利大厦高度160m,索网晶面形,90mX70m,由三片平面索网组成。这是目前世界最大的单片索网玻璃幕墙(图5.4),两根主索由150根15.2mm的组成,拉力达39000kN。

图5.4 北京新保利大厦索网结构支承玻璃幕墙

  通常索网分格不大于1。5m X 1。5m。索端部直接连接于主体结构或者通过弹簧连接器连接于主体结构。弹簧连接器在温度变化时或地震时可以减少索拉力的突然变化。

图5.5 采用平面索网支承的玻璃幕墙

  现在平面索网幕墙已在工程中广泛应用,部分项目见图5。5。

  5.3 曲面索网

  能自然形成的曲面索网只有双曲抛物面,即马鞍形曲面一种(图5.6),它由方向相反的两组拉索叠合而成。

图5.8 上海中国航海博物馆(左)45m高双曲抛物面索网(中),右图为拉索布置

  要形成其他形状的曲面,必须附加其他的辅助拉索。图5.9为北京长安中心,要求形成两个凹进的球面幕墙,球面无法由两组拉索自然形成,所以在背面附加反向拉索。

图5.9 北京长安中心双球面玻璃幕墙

  6.悬挂体系

  幕墙系统由吊杆悬挂,吊杆上端固定在主体结构上,形成悬挂幕墙体系。

图5.8 德国波恩国家邮电总局,幕墙构件悬挂在主体结构上

  外幕墙为扭转双曲螺旋面,为了用平面块拟合这复杂的双曲面,板块必须层层退台,左右错缝。所以采用环梁支承,每12层至15层环梁为一组,由吊杆悬挂到楼面主体结构上(图5.9)。

图5.9 上海中心外幕墙,横梁由吊杆成组吊挂在上部主体结构楼层上

  7. 结语

  我国已经是世界上幕墙生产和应用量最大的国家,随着大量和的兴建,建筑功能和建筑艺术对幕墙提出更高的要求,促使非常规的幕墙新型支承结构体系大量应用。我国幕墙设计水平和施工水平也会相应迅速提高。

作者单位:中国建筑科学研究院

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专家介绍

 赵西安

铝门窗幕墙委员会专家组

工作单位:中国建筑科学研究院

技术职称:研究员

专业:建筑结构,建筑幕墙

专长:建筑结构,建筑幕墙

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