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由深圳市方大建科集团有限公司——承建的“深圳前海国际会议中心”幕墙工程，是深圳前海城市新中心的地标建筑，也是粤港澳大湾区的城市会客厅，更是商务、政务、国际交流等需要的高端会议场馆。项目在幕墙的设计、施工到管理的全生命周期，均采用BIM技术，同时，还汇聚了多项原创幕墙工法的实践，以及绿色材料的创新应用，在历经层层筛选之后，成功荣膺第17届AL-Survey 2021-2022年度 “我最喜爱幕墙工程”大奖。
第28届年会暨“我最喜爱幕墙工程”颁奖仪式现场
摘要：本文对深圳前海国际会议中心幕墙进行了整体介绍，结合本项目设计重难点之一的立面大跨度玻璃幕墙，对大跨度钢立柱与玻璃肋组合结构的玻璃幕墙设计思路和方案进行了剖析，以供广大幕墙行业内的工程技术人员探讨或借鉴。
关键词：幕墙设计，大跨度，钢立柱，玻璃肋，组合结构，有限元分析;
——传承五千年厚重历史文明，打造独具中国文化底蕴的建筑，让幕墙的应用得到了全新升华……
1、引言
近年来随着中国城市化进程的快速推进，数量庞大的大型公共建筑（词条“公共建筑”由行业大百科提供）、商业楼宇及高端公寓不断涌现，建筑幕墙得到高速发展，幕墙形式和结构体系不断创新，对于大跨度公共建筑，通常会采用玻璃肋支承体系、大钢立柱支承体系、钢桁架（词条“钢桁架”由行业大百科提供）支承体系，拉索体系等，本文结合前海国际会议中心项目立面幕墙构造特点，详细介绍了一种钢立柱与玻璃肋组合结构的玻璃幕墙系统，以期对广大行业内技术人员有所裨益。
2、工程概况
前海国际会议中心位于深圳市前海深港合作区，总建筑面积约4万平方米，建筑高度23.6米，是深圳经济特区建立四十周年庆祝大会场馆，是前海城市新中心的地标建筑，也是粤港澳大湾区的城市会客厅。“薄如蝉翼轻如纱，彩云追月引绪遐，古韵琉璃焕金甲，梦牵岭南是大家。”
其建筑设计灵感取自岭南传统建筑形态，将“薄纱”作为设计理念，运用现代造型手法和幕墙材料（词条“幕墙材料”由行业大百科提供）进行演绎，不仅表达了轻盈飘逸的外立面形态，又体现了对于中国传统民族文化自信，是全国最大也是首个采用现代材料彩釉玻璃来演绎传统屋面的建筑，既有中国传统韵味，又呼应深圳气候特征，符合前海时代特色。
图1前海国际会议中心实景图
本工程幕墙分为三个部分：南北面屋顶彩釉玻璃单元式屋面系统、东西面彩釉玻璃百叶系统、立面金属与玻璃肋玻璃幕墙系统。南北面屋面系统采用“彩釉玻璃+铝型材装饰条”的组合，成功营造出了传统建筑屋面鳞次栉比的美感，彩釉玻璃的使用在保证室内采光的同时，有效降低建筑整体传热系数，实现节能环保的目的;东西面两侧的彩釉玻璃百叶系统给整座建筑添加了更加大气流畅的线条美，使建筑各个角度的视觉体验更完整，同时对建筑立面有一定的遮阳功能，让室内体验感更舒适;立面大跨度玻璃幕墙采用钢立柱与玻璃肋组合结构的玻璃幕墙系统，突出建筑立面的通透性，配合屋面系统的设计，完美融合中国传统建筑的形和现代建筑的体。
3、大跨度钢立柱与玻璃肋组合结构玻璃幕墙设计
立面玻璃幕墙是建筑的立面周圈围护结构，建筑设计的思想是以玻璃幕墙的形式打造出大气通透的效果，最大化玻璃饰面的面积，尽可能减小立柱的存在感，力求整个立面更加晶莹通透;立柱的呈现形式为细条形，并且在外视面少形成立柱阴影，营造一种纤细立柱的视觉效果。
3.1 立面幕墙介绍
本工程立面玻璃幕墙最高处达到14.83米，最低处6.8米高，分格宽度为2.25m，标准立面玻璃幕墙大样如图2示意。
图2立面玻璃幕墙大样
立柱最大跨度为13m，最小跨度为8.5m，高跨度、大宽度、不设置横梁是幕墙设计的难点之一，要兼顾简洁的幕墙效果，同时满足幕墙结构的安全;经过多次的计算复核和论证，在尊重建筑原创效果的前提下，通过科学的结构计算和合理的节点设计，综合考虑幕墙安全性、经济性以及外观效果。
图3 钢立柱与玻璃肋组合结构玻璃幕墙节点详图
设计方案中，将玻璃肋支承的全玻幕墙和钢立柱的点支承幕墙特点糅合到一起，采用一种钢立柱与玻璃肋组合立柱结构的幕墙系统，如图3示意。而立面玻璃幕墙室内效果如图4示意。
图4立面玻璃幕墙室内实景
3.3受力体系分析
本系统分三个部分：一是支承结构部分，由氟碳喷涂钢立柱和SGP夹胶玻璃组成;二是面板部分，为钢化中空玻璃;三是点支承装置。面板(钢化中空玻璃)自重由点支承装置直接传递给钢立柱，再由钢立柱向上传递给立柱顶部的主体结构梁。面板(钢化中空玻璃)承受的风荷载、地震荷载由结构胶传递给玻璃肋，再由玻璃肋通过钢销轴（词条“销轴”由行业大百科提供）传递给钢立柱，再由钢立柱传递至顶部及底部的主体结构梁。
3.4面板设计
综合考虑面板受力、规范以及经济安全等方面的要求，玻璃面板玻璃选用15mm+12A+15mm超白钢化双银LOW-E玻璃，大面玻璃分格最大尺寸为2.25m×5.4m，局部玻璃分格达到2.25m×6.3m，玻璃按对边支承进行计算，自重由上方点支承装置承担，需对驳接头位置玻璃局部应力进行验算。
3.5支承结构设计
考虑单一玻璃肋要满足跨层13m的结构受力要求，按传统的肋点玻幕墙，玻璃肋的宽度尺度比较大，玻璃夹胶层数也比较多，成本较高，而且这种玻璃肋加工难度大，生产周期长，对工期有一定的影响;另外高跨度的玻璃肋存在自爆、后续维护难的问题，考虑以上因素，幕墙设计把玻璃肋和钢板立柱结合起来，设计出新型的钢立柱与玻璃肋组合结构形式，其中钢板立柱采用两块20mm厚钢板、一块30mmX30mm钢块组焊成一个非标准的H形钢立柱(后文简称H形钢立柱)，其总宽度为70mm，根据计算立柱的进深最大尺度为480mm，整体纤细而不失稳重。设计时考虑到焊接量大，会产生较大的焊接变形，为了更好的控制钢立柱平整度，在H形钢立柱腔内设置了30*15*100mm的焊接支撑钢块，一方面可以增强H形钢立柱整体受力性能，同时减小立柱后端的焊缝总长度，减少焊接带来的变形，有利于钢立柱垂直度（词条“垂直度”由行业大百科提供）的控制;此外在外观方面，H形钢立柱后端留有30*30槽口，如图4示意，使其形式更新颖，同时保证了建筑师的外观效果，让钢立柱看起来更加纤细挺拔。焊接完成后，半成品立柱须经过校直、表面打磨等一系列处理，最后通过喷涂氟碳喷涂面漆构成理想的H形钢立柱。H形钢立柱前端留有玻璃肋安装槽口，玻璃肋为250mm宽的12+1.52SGP+12钢化夹胶超白玻璃，为提高玻璃幕墙的安全性能，夹胶片选用SGP，可以大幅度提高玻璃肋的承载力（词条“承载力”由行业大百科提供），如图4示意。
图4H形钢立柱与玻璃肋组合结构示意图
H形钢立柱和玻璃肋在工地现场组合装配，玻璃肋插入H形钢立柱的预留槽口，用M16特制销轴固定（词条“固定”由行业大百科提供），玻璃肋孔与销轴之间设置玻璃肋孔位专用的铝套，铝套与玻璃肋孔壁灌注环氧树脂胶，使铝套和玻璃肋形成一个整体。采用钢立柱与玻璃肋组合结构，玻璃肋可以适当分段，每段玻璃肋和钢立柱之间设置两颗销轴固定。玻璃肋分段可以减少大长条玻璃在运输过程中的损耗，减少开孔过多带来的累积误差，提高加工精度，同时玻璃肋适当分段的设计减小了玻璃肋截面的高度，也可减小玻璃肋连接螺栓（词条“螺栓”由行业大百科提供）孔间应力，对两者进行有限元建模分析过程如下图5~图8示意。分段式玻璃肋的圆孔边附近应力云图在23.09MPa~25.98MPa区间，长条孔边附近的应力云图在17.32MPa~20.21MPa区间。通高式玻璃肋圆孔边附近的应力图41.29MPa~46.45MPa区间，长条孔边附近的应力云图在30.97MPa~36.13MPa区间。从上述数据结果分析，分段式玻璃肋的做法，其螺栓孔孔边附近的应力值可减小近一倍，从而增加了整个结构体系的安全性。
图5 分段式(2.76m)玻璃肋圆孔区域应力图
图6 分段式(2.76m)玻璃肋长条孔区域应力图
图7 通高式(11m)玻璃肋圆孔区域应力图
图8 通高式(11m)玻璃肋长条孔区域应力图
对钢立柱开孔位进行有限元分析，特制M16销轴增加了同钢立柱的孔边接触面积，孔边附近应力云图在85.7MPa~110.2MPa区间，钢立柱开孔位置应力集中有较好的控制，如图9
图9 钢立柱开孔区域应力图
为适用大跨度钢立柱竖向位移伸缩，钢立柱底部连接采用长条孔构造，钢立柱竖向位移量包括主体结构的层间压缩量，协调温度及地震作用下的位移量，其中幕墙温差变形量：dt=Δt·α·L=80×1.2×10-5×11000mm=10.56mm，主体结构层间变形量：dd=1/550×11000mm=20mm，考虑地震作用等其他因素影响的预留量：de=2mm。综合上述位移量，钢立柱竖向总位移达到32.6mm，钢立柱长条孔87.5mm，允许调节量±33.8m，满足钢立柱竖向位移伸缩的构造，如图10示意。
图10 钢立柱底部长条孔示意图
本系统玻璃肋是单肋设计，依据《玻璃幕墙工程技术规范（词条“玻璃幕墙工程技术规范”由行业大百科提供）》JGJ102-2003第7.3.2-2条玻的璃肋截面高度计算公式，玻璃肋分段使得计算公式中的计算跨度h取值减小，ω、l、fg和t相同的前提下，玻璃肋截面高度hr相应减小。但是考虑到整体的安全性，给玻璃肋受力留有足够余量，最终玻璃肋截面高度取值定为250mm。玻璃肋分段设计，配合上圆孔下腰孔的开孔形式能释放玻璃肋自身应力，降低玻璃肋自爆率。玻璃肋开孔时，两片玻璃开大小孔，避免合片后不对孔;合片后大孔周圈抹环氧树脂胶，使大孔的有效直径和小孔相同，两片玻璃能均匀受力，如图11示意。
图11 玻璃肋开孔示意图
H形钢立柱的加入大大提高了组合立柱的受力性能，组合立柱的整体宽度为70mm，相对单一玻璃肋增加不多。H形钢立柱的表面呈现形式选择性更多，可以通过氟碳喷涂去实现不同的颜色要求，而且金属元素的加入，赋予了全玻璃幕墙通透灵动之外的厚重大气特性;组合立柱设计时，在面板玻璃和钢板立柱之间保留38mm缝隙，可以营造隐藏式立柱的效果，外视通透感更强;玻璃肋和面板玻璃采用骑缝式，在不增加玻璃肋的厚度且要满足受力要求的前提下，骑缝式设计增加了硅酮结构胶（词条“硅酮结构胶”由行业大百科提供）的宽度，面板所受荷载通过结构胶传递到组合立柱;
3.5点支承装置
点支承装置由定制弧形不锈钢连接件和不锈钢万向调节驳接头两部分组成，驳接头连接玻璃面板，通过弧形连接件固定到H形钢立柱上(如图12示意);点支承装置的引入，主要是考虑点支承装置可以替代横梁作用，承托面板玻璃的自重，面板横向留16mm缝打结构胶，保证玻璃伸缩即可，更加简洁透明。
4 、结语
随着建筑行业的高速发展，作为建筑外围护结构的幕墙产品在功能、结构、材料上不断丰富;建筑幕墙产品工业化、标准化水平不断提高，并且逐渐呈现出个性化发展趋势，成为体现建筑艺术风格、时尚元素和文化风向的载体。本幕墙工程针对大跨度玻璃幕墙，综合考虑其建筑设计风格、建筑设计思想和整体性，通过精心设计，博采众长，创新融合各种幕墙形式的特点，创新性的采用钢立柱与玻璃肋组合结构体系，完美呈现建筑舒展大气之美。文章对此类大跨度玻璃幕墙的设计及构造进行了详细的经验分析，希望给大家带来一些参考价值。
参考文献
[1] 玻璃幕墙工程技术规范 (JGJ102-2003)
[2] 建筑玻璃应用技术规程 (JGJ113-2015)
[3] 钢结构设计标准(GB50017-2017)
[4] 建筑幕墙(GB/T 21086-2007)
[5] 民用建筑设计统一标准(GB 50352-2019)
作者单位：深圳市方大建科集团有限公司
