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建筑结构丨行业大辩论:索幕墙结构到底该不该用?该咋用?

2017年9月5日,由中国建筑学会建筑幕墙学术委员会主办,《建筑技艺》杂志社、《转自:建筑结构-公众号》杂志社《建筑幕墙》杂志社、亚太建设科技信息研究院有限公司共同承办的索筑未来——2017索结构幕墙技术高峰论坛在北京成功召开,来自全国幕墙、结构、设计等部门的近300位代表参加了本次会议。

开幕式

中国建筑学会建筑幕墙学术委员会秘书长、亚太建设科技信息研究院有限公司总经理王学东主持了开幕式。他在开幕式发言中提到,本次论坛针对建筑索结构幕墙的设计及实施,围绕索幕墙设计的张拉方法、变形状态、连接节点、幕墙移位密封、后期维护等诸多技术问题,邀请结构工程师、幕墙设计师及相关产品提供商结合创新实践项目进行主旨演讲,并对有争议的焦点问题展开大讨论。期待通过本次论坛,共同探讨索结构建筑幕墙的安全问题,促进设计单位、施工企业、材料供应商更加积极地开展技术研发,加快行业创新步伐,最终使索结构建筑幕墙成为一种常规技术。王学东秘书长还向大家简单介绍了中国建筑学会建筑幕墙学术委员会的成立历程及所开展的主要工作,期待委员会能进一步为建筑师、结构师与幕墙设计师搭建交流平台,聚集各方力量共同推动幕墙设计与技术的进步。

王学东

学术论坛

范重

中国建筑设计院有限公司总工程师,全国工程勘察设计大师

报告题目:大跨度结构超大弧形玻璃幕墙结构设计

以天津国际金融会议酒店工程为例,介绍了大跨度结构超大弧形玻璃幕墙的结构设计。该酒店南北长238m,总建筑面积约为19.3万㎡,建筑总高度约60m。中庭幕墙总高度为48.5~51.5m,最大长度超过90m,总面积约8000㎡,立面呈上大下小的倒梯形,幕墙表面为圆弧形,幕墙相应的圆弧半径为134m。

根据本工程的建筑创意以及主体结构特点,中庭幕墙采用了钢桁架-钢索混合结构体系。中庭幕墙结构体系由竖向抗风桁架柱、四层、七层水平通道桁架、顶部水平桁架、左右边框曲柱、水平鱼腹式抗风小桁架、门头钢结构、竖向玻璃承重索以及水平抗风小桁架稳定索组成,充分结合平面桁架与索结构的优点,避免钢索对大跨度屋盖反力过大,结构简明、合理,对视线遮挡少,建筑效果优美。

张其林

同济大学教授

报告题目:《上图东馆“半自平衡”大窗拉索幕墙结构方案分析》

上海图书馆东馆四个立面上设了大窗,大窗立面投影呈矩形,由两个折面组成,上下横梁和左右立柱四根钢构件组成的钢框、连接于上下横梁之间的索桁架和单根拉索构成了大窗玻璃幕墙的支承系统。上横梁与索节点连接处在竖向和垂直于立面方向采用刚性杆连接于主体结构,立柱、下横梁垂直于立面方向也采用刚性杆连接于主体结构。整个大窗玻璃幕墙形式上是一个自平衡的矩形折面框悬挂于主体结构上,实际上矩形框与主体结构在垂直于立面方向存在相互作用,在刚性吊挂杆中存在拉压力,是一种“半自平衡体系”。报告以其中一个大窗结构为例,对其结构可行性进行了分析论证,通过初始状态计算分析、零状态钢框架和拉索放样几何分析、施工张拉过程的分析论证了方案的可行性。

何志军

同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司副总工程师

报告题目:《上海中心巨型悬挂式幕墙结构的结构挑战与技术实现》

上海中心采用 “巨型悬挂式幕墙支撑结构体系”,用于实现整个建筑形态并保证外幕墙系统的安全受力和正常使用,由于该体系在国内外超高层建筑工程中尚无应用先例,且在很多方面都超越了现行技术标准,给结构设计与施工带来巨大的技术挑战,并成为整个幕墙系统设计乃至整个项目结构设计的难点。为此,同济院抽调技术骨干组成了由集团总工程师丁洁民领导的设计团队对其进行技术攻关,进行了大量的创新性工作,对结构体系及节点构造进行了多轮的反复论证分析与优化;对幕墙结构与主体结构协同工作性能、竖向地震反应、以及施工过程中幕墙结构的受力特性等一系列非常规问题进行了深入的专项分析和研究。相关优化及研究工作不仅提高了整个系统的可建造性,而且节省了结构造价,取得了显著的经济效益,使设计的原初意象完美地呈现出来,成为陆家嘴的新地标。

秦 凯

北京市建筑设计研究院有限公司复杂结构研究院钢结构所所长

报告题目:《索幕墙结构设计若干问题探讨》

提出了索幕墙在现有的工程技术条件下,因其简洁的结构形式最大限度地实现了建筑的通透性,深受建筑师青睐,同时也为幕墙工程师和结构工程师带来较大的挑战。报告侧重介绍单索幕墙在结构设计中面临的挑战,结合北京院昆明长水机场航站楼、南宁吴圩国际机场航站楼和长春龙嘉机场航站楼索幕墙的设计阐述了索幕墙结构设计时应注意的若干问题:

1)单索幕墙设计需要结构提供较大刚度,设计时应注意索是否会对局部基础产生较大拔力;2) 单索幕墙整体变形可按1/50控制,局部相对变形应以考虑玻璃板块附加应力后的总应力水平作为控制原则;3设计风荷载取值时可按50年重现期控制变形,按100年重现期控制强度,当设计关注的响应为位移时建议风振系数取位移风振系数,关注的响应为内力时取内力风振系数;4索最小索张力根据工程实际情况可按应力水平保持10~50MPa,原则为在风荷载往复作用下锚固端和索夹不松弛;5单索幕墙结构连接节点和玻璃连接节点应精心设计,适应整体和相对变形;6设计对施工各个环节均应跟踪和控制。

罗 忆

中国建筑设计院有限公司帷幕中心总工程师

报告题目:《索结构幕墙的节点构造问题探讨》

索结构幕墙是一种以柔性的索作为主要结构体系的幕墙,通过对索的张拉(预应力和形状)达到相应承载力和刚度,以承载幕墙的多种荷载;柔性——索的张驰决定幕墙的刚性或挠度;受拉——拉索只承受拉力,不承受压力;主体结构承受较大的附加作用力。

优点:利用了材料的优势性能;受拉强度大,节省钢材;构件轻巧纤细、视觉通透性好;结构余量大,构造相对安全。

缺点:主体结构承受较大的附加作用力;施工工艺复杂,需较高的施工技艺;需要特别的中期调整和后期维护工作;同样的外观,造价可以相差很大。

索结构的刚度和强度的两个关键要素是形状和预应力。单索结构就像琴弦,崩得再紧,使一点力就会变形,初始刚度接近于零,一旦产生了变形,其刚度非线性增加,是典型的大变形非线性结构。要做好索结构幕墙,全靠好的节点。节点工艺复杂多变且作用巨大:有限度约束索具——方向和受荷;受荷滑动或转动;固定幕墙玻璃及其附件。

索结构幕墙基于非专业原因,普遍认为柔性不安全,其中主要原因是施工单位没有能力完成,设计改得面目全非,安全隐患增加;或灾难工况预计不准确,不设过载保护,造成主体结构破坏;更有些是因为没有考虑足够的残余强度。

于 辉

RFR阿法建筑设计咨询(上海)有限公司执行董事

报告题目:《索结构幕墙那点事儿》

结合RFR团队的作品实践,回溯了自1986年在巴黎拉维拉特公园项目中提出的革命性“球铰关节“解决方案以来,柔性索结构幕墙体系的渐进式发展和普及应用。

借巴黎蒙田街50号项目的玻璃中庭,展示了双向空间张拉结构体系在幕墙上的应用,借巴黎雪铁龙公园项目,分享了张拉自平衡索桁架体系的发展。在建筑大师罗杰斯设计的伦敦电视4台玻璃中庭中,完美地展示了高技派建筑设计手法与结构创意的完美融合。索结构幕墙是结构工程师展现结构创作构思,提供定制化解决方案最大的实践场。其中典型的范例是建筑大师贝聿铭设计的巴黎卢浮宫玻璃正金字塔和倒金字塔。

受益于FREI OTTO和斯图加特学派IL在双向张拉索结构领域的研究和实践,平面张拉索网在玻璃幕墙上的应用提供了一个最大通透性的解决方案。平面索网的大变形结构特性使得幕墙设计需要充分考虑变形适应性原理,在SOM设计的北京新保利大厦中,幕墙构造设计中充分地考虑了转轴机构变形和角度强制翘曲并提供了对应的解决方案。

最后分享了索网结构幕墙中抗风索的“代梁法“以及竖向索的张力保持工作原理,阐释了柔性索网幕墙的弹性边框结构协同工作设计原理,并分享了正在设计中的某200米高塔楼顶标志性大幅面索网幕墙的设计挑战和“免迭代线性找形“的技术。

巴黎蒙田大街50号

伦敦电视4台玻璃中庭

北京新保利大厦

肖 珍

广州集泰化工股份有限公司技术部经理

报告题目:《大变形幕墙的密封胶使用》

分享的内容主要包括三个方面:

第一,大变形幕墙密封胶的使用。介绍了建筑胶产品的分类,用图表详细分析各类密封胶性能优缺点及主要的应用领域。介绍了安泰结构胶、耐候胶、中空玻璃密封胶和防火胶等大变形幕墙所用密封胶的标准要求和设计选用的注意事项。通过节点图对密封胶进行受力分析、国内外标准对比、建筑密封胶使用寿命探讨、密封胶宽厚度计算等,并结合简短的测试视频,让大家对安泰高性能密封胶有了更深的了解,对密封胶的标准、新技术有了更清楚的认识。第二,结合安泰多年的现场服务经验,总结了建筑密封胶使用过程中常见的问题,如与基材不粘结、与附件不相容、污染基材、选胶错误等问题,并给出了合理的解决方案。第三,分享了安泰近两年供货服务的部分工程案例,展示了安泰“一站式服务”的专业精神。如在北京城市副中心、广州白云国际机场二期航站楼、杭州奥体博览中心、西安国瑞金融中心等项目中,安泰技术服务团队深入工程现场服务的图片和现场技术交流记录,提出完善的质量保证体系和现场服务是工程质量的重要保证。

赵 波

广东坚朗五金制品股份有限公司幕墙配件事业部副总经理、应用技术部部长

报告题目:
坚朗“易张拉”系列不锈钢拉索的研发与应用》

索结构点支承玻璃幕墙经过在中国二十多年的发展,目前已经成为现有建筑幕墙的重要类型之一,尤其是结构轻盈、通透性好的单层索结构,近些年在建筑中被大量采用。随着单层索结构玻璃幕墙的技术成熟,索结构跨度越做越大,采用热铸锚工艺的超大直径不锈钢拉索也被越来越多地应用在工程中。由于索径的变粗,使得在小直径拉索中表现并不突出的张拉问题也突显出来,为此坚朗公司开发了“易张拉”系列热铸锚不锈钢拉索。

首先介绍了索网结构点支承玻璃幕墙在中国的发展及拉索的应用现状,和市面上常见热铸锚不锈钢拉索的构造、张拉方式及工程施工过程中常见的张拉问题。然后介绍了坚朗公司所研发的“易张拉”系列热铸锚拉索产品和其张拉时的优点,及其外观、构造、材质等方面与传统产品的不同,最后介绍了“宜张拉”系列产品在工程中的实际应用情况。

大会报告环节由华建集团华东都市建筑设计研究总院幕墙设计研究中心主任孙洲、中国建筑西南设计研究院有限公司建筑幕墙设计所总工程师董彪和同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司技术发展部副主任张峥主持,他们的精彩点评也为论坛增色不少。

沙龙研讨

大会报告结束后,又进行了精彩的沙龙讨论环节。除部分报告专家之外,另有华诚博远工程设计集团有限公司总工程师耿笑冰天津大学教授、中国钢协索结构委员会主任委员陈志华、中国建筑科学研究院建研科技工程咨询设计院院长、幕墙技术研究中心主任刘军进共9位嘉宾参与了沙龙研讨,研讨题目为:索结构幕墙是否可以广泛使用?中国建筑设计院有限公司帷幕中心总工程师罗忆和RFR阿法建筑设计咨询(上海)有限公司执行董事于辉主持了沙龙。在沙龙研讨过程中,面对主持人抛出的问题,大家各抒己见,一辩高下。3个小时的沙龙现场掌声阵阵,形式之新颖、研讨之精彩得到了参会代表的一致好评。

沙龙精彩内容回顾:

于辉开场白:这次论坛很大胆,放了一个大彩蛋。普通的论坛就是专家在台上讲,很少有交流互动的机会,其实这只解决了初级需求。应罗忆总提议,本次论坛设置了这个沙龙讨论环节,集中了行业一线的专家和同行,大家对行业发展积极关注,并愿意分享和思想激荡。我15年前参加工作时,是看张其林老师的专著边学边干的。过去20年来,在座的各位专家都推动和见证了索结构幕墙的发展进步。今天的专题讨论特别难得,因为今天是一个不设限制的真实的互动交流,对索结构幕墙这一细分领域,从概念、设计、构造、施工、材料、规范等一系列问题进行全面讨论。我们鼓励参与者可以大胆的问,问尖锐的问题,对专家进行突袭。

张其林

问:张教授,索结构体系是必须给予索足够的预张力,才能产生索结构的计算刚度和允许挠度,请问你认为什么挠度是幕墙的极限?多大了会影响其安全?多大了就影响效果?谁决定这些值?

主要观点:玻璃幕墙的索网支承结构同一般转自:建筑结构-公众号一样,要满足承载能力极限状态和正常使用极限状态两个方面的要求。挠度控制属于正常使用极限状态范畴。现行各技术标准对平面索网的相对挠度限值取跨度的1/45-1/50,对索桁架的挠度限值取跨度的1/200,在索与玻璃的连接件、结构胶、密封胶材料性能相同的条件下并不合理、也缺乏充分依据。个人认为,对于索网和索桁架支承玻璃幕墙,玻璃单元角点间相对位移(短边的1/60)是必须进行控制的。至于索网和索桁架相对挠度的取值,应该在继续调研的基础上进行考虑。索网也好、索桁架也好,在满足规范强制性条文规定的前提下,结构方案、挠度限值应该由设计单位和设计人员掌握并承担责任。现行的某些地方实行的幕墙安评制度,固然可以在一定程度上提高玻璃幕墙的安全性,但同时也可能将一些创新型的结构体系扼杀在摇篮中。

陈志华

问:陈教授,对于索结构玻璃幕墙,你怎样介定其变形量导致破坏,如何处理变形的索与不变形的刚性主体的协同构造固定?

主要观点:首先针对索的挠度限制取值发表了自己的观点,以天津大型拉索结构的设计分析为例,说明设计时需保证结构强度,而刚度可不作为强制性条文写入规范;然后回答了关于索结构边界是都越强越刚越好的问题,认为索网若离开下部结构单独分析,则有缺陷甚至有时会没有意义,应与主体结构组装共同分析以得到整体结构的变形;最后针对拉索的疲劳问题进行了谈论,指出强震强风作用下的低周疲劳问题与传统疲劳概念有所不同,且建议按照直接承受动力荷载的条件看一般情况下拉索不需要考虑疲劳问题。

何志军

主要观点:单索幕墙因其通透性强,在建筑创作中深受建筑师的喜爱,现在应用的范围越来越宽和设计尺度越来越大。但单索幕墙结构的突出受力特点是大位移和几何非线性,这就导致其在高风压下的变形比较大,对幕墙整个系统的板块构造提出了非常高的要求,潜在的耐久性和使用性能设计往往会被设计师所忽视。

此外,尺度过大会导致拉索对主体结构拉力过大,导致主体结构设计困难。因此,索网幕墙的设计应纳入主体结构进行整体协调设计,防止出现主体设计已经实施,索网系统设计滞后的现象,带来潜在建筑创意无法实现的风险。

董彪

问:董总,你做许多索幕墙,没有使用张力维持装置和过载保护器,是否有其他措施可以使索幕墙的张力保持均衡及得到过载保护?如定期检查加载或柔性主结构构造等。

主要观点:关于单索结构幕墙是否需要过载保护装置问题,认为在单索幕墙设计中有两种情况宜设置过载保护:1)抗震设防烈度8度及以上地区;2)在两个高耸塔楼之间设置单索幕墙、或跨过伸缩缝、构造缝设置单索幕墙的情况。

而在其它情况下单索幕墙设计过载保护装置并不是必须的,主要有以下三点原因:1)依据现行国家相关规范和标准,钢绞线在设计时总安全度应为2.5,根据《建筑幕墙用钢索压管接头》的行业标准,索结构若采用挤压锚固的钢绞线,设计取值还要折减0.9,也就是说总安全系数达到了2.8,安全度很高;2)索结构所用钢绞线材料是成熟的、机械化生产的产品,产品性能稳定性高;3)经过近20年的设计与施工实践,国内索结构幕墙的设计与施工技术已经成熟,且相关规范有较完善的规定。

过载保护装置是一种保护措施,是否采用应根据具体工程具体分析。只要采取严谨、科学的态度,正确的设计与施工,索结构幕墙的安全是有保证的。

刘军进

主要观点:

(1)关于索结构变形:当满足承载力要求、使用功能要求(防水、构造节点变形能力等)、人群对索幕墙变形观感要求时,变形限值其实不是关键控制项,建议幕墙中的索桁架、张弦结构、曲面索网结构的变形值可考虑放松,从而更易实现轻盈通透效果。

(2)索网结构中串联弹簧有助于减少索端支承结构相对位移变化对索力的不利影响,弹簧刚度宜取索线刚度的1/4-1/8。

(3)关于幕墙索结构的周边支承结构刚度:幕墙索结构与周边结构是变形和力的协调关系,只要周边结构承载力、变形、使用功能满足要求,周边结构刚度强或弱些皆可。但周边支承结构刚度不是非常刚性时,宜进行总装结构计算分析。

于辉

问:于总,听说你也认为索结构幕墙应力保持装置没有必要的、浪费的,过载保护也是多余的,那应力保持机制如何考虑,如果索徐变了怎么办?过载断裂如何安全呢?

主要观点:借索网结构课题的研究成果,分享了主次二元结构体系的设计原则。提出索网结构和主体结构协同工作相互影响,设计可采用弹性边界的串联弹簧理论可确保结构安全。边界结构刚度的评估需要索网工程师和主体结构工程师紧密配合,必要时建议进行整体合模分析验证。

主体结构的边界位移和结构蠕变等索网幕墙的工作张力由显著的影响,需要在设计中提出概念清晰的解决方案,以便确保索网幕墙正常工作的张力,必要时需要考虑预压弹簧作为张力维持构造。竖索底部段的剩余张拉对维系索网幕墙的平整度是控制因素,但在设计中往往被忽略。

双向张拉索结构/马鞍形索网结构归功于自身的几何刚度,适度的张拉力即可提供良好的刚度,其刚度甚至可以优于桁架结构。平面索网的大变形是其自身特性,变形/跨度和索力的乘积与荷载比例恒定,因此通过玻璃板块的变形适应设计放宽对变形指标的要求,降低主体结构受荷负担。1/40的指标比较合理,如进一步放大则需要综合评估风振效应、玻璃适应能力、以及胶的往复拉伸能力。

罗忆

问:罗忆总工,按照沈士钊的《悬索结构原理》,索结构的刚度和强度的两个关键要素是形状和预应力。单索结构就像琴弦,崩得再紧,使一点力就会变形,初始刚度接近于0,一旦产生了变形,其刚度非线性增加,是典型的大变形非线性结构。索网采光顶是长期受重力作用徐变和蠕变的,怎样才能保证索网采光顶是平整的,你认为索网采光顶10年后也是平整的吗?

主要观点:索结构幕墙是一种以柔性索作为主要结构体系的幕墙。它通过对索的张拉施加预应力使之达到某种形状,并产生相应承载力和刚度,以承载幕墙多种所需荷载;它的特点有:1:柔性——索的张驰决定幕墙的刚性或挠度;2:受拉——索只承受拉力,不承受压力;3:主体结构可以承受较大的附加作用力。

索结构幕墙一定是柔性和大变形的,否则它不叫索幕墙,也不用费心做这么复杂的计算和大变形构造处理。索变形大了、或者过载保护断了,索柔软了,体系就安全了。我们要以平常心去理解它,该变形时让它去变形,或者设计就让它先变形,只要有足够的残余强度,就算挠度大一点,也不影响安全。

垂直的平面索幕墙在正常情况下不会变形,就算风大了,也就挠度大一点、变形多一点而已,不影响安全。由于长期受重力作用的原因,徐变和蠕变会长期存在,不可能长期保证平面索网采光顶是平整的,柔软而不平整是肯定的,你可以增大倾斜以使之有效排水,但仍然不是好的解决之道。我的做法是让一个方向的索向下弯曲预变形,以抵抗重力、正风压、活载等荷载;让另一方向的索向上弯曲预变形,以抵抗负风压荷载;加上使用足够力量的弹簧缓冲装置,采光顶的平整度就会较好维持。

耿笑冰

问:耿院长:单索幕墙索挠度限值按跨度的1/45控制,而边支承框的挠度限值通常按跨度的1/250~1/200进行控制。风荷载作用下,单向索幕墙边跨索与刚性良好的支承框之间存在较大大的变形差。这个问题怎样解决?

主要观点:有两种方法可以用来解决位移不协调的现象,一是可以在单层索网靠边支承框架处增加一根索,这样可以避免幕墙一端与柔性较大的索连接,另一端与刚性较大的支承框架直接连接;二是将靠边支承框架处索上幕墙的夹具做成铰接方式,并增大幕墙跨度方向的尺寸,这样使幕墙可绕索转动且获得较大的转动弧度。

罗忆结束语:今天很高兴与这么多高手一起讨论索结构幕墙,提出了不少问题,引起大家的激烈争论。虽然争论未必有结论,但可以令我们意识到焦点所在、问题所在、不足所在。索结构幕墙自1995年进入中国至今已经二十多年,参与者、持份者大胆创新历尽艰辛,使得索结构幕墙行业在系统设计、标准规范、试验测检、部品生产、施工安装等全过程生产链都达到了世界先进水平。今天专家学者们的激烈争辩,令索结构幕墙的真理越辩越明。当然,创新是没有止境的,寄望同行的更多优秀项目、创新节点的出现,不断为大家带来惊喜!

致谢

本次论坛得到了广州集泰化工股份有限公司、广东坚朗五金制品股份有限公司的大力支持,在此特别表示感谢!两家优秀企业在会场外布置的展台也一直吸引着参会代表前来咨询交流。

中国建筑学会建筑幕墙学术委员会

专家组扩大会议

2017年9月6日上午还召开了中国建筑学会建筑幕墙学术委员会专家组扩大会议,15位代表出席了会议,会议确定了专家组分组情况及专家遴选办法。

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作者: ganggouren

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