单层索网玻璃幕墙施工技术浅析

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　　摘要：本文结合国际金融论坛(IFF)永久会址项目国际会议中心东立面主入口单层索网玻璃幕墙的施工案例情况，对其施工技术进行了简单介绍，重点针对施工过程仿真分析、展索、挂索、分级张拉等工艺进行总结，供广大幕墙工程技术人员参考。

　　关键词：单层索网;施工准备;仿真分析;施工目标状态;找形分析;展索;挂索;分级张拉;超张拉;施工监测

　　1.引言

　　在当代建筑行业，单层索网玻璃幕墙因其无玻璃边框、无大型支撑结构而深受建筑师的青睐，它轻盈通透，不仅让人们视野开阔，而且增强了建筑内外交融的美感，因而被广泛运用到办公楼大堂、会议中心、机场、会展等公共建筑的外立面。然而单层索网玻璃幕墙的支撑结构由柔性钢索构成，其与传统幕墙结构相比具有受力复杂、现场张拉力大、施工难度高等特点。本文结合国际金融论坛(IFF)永久会址项目国际会议中心东立面主入口单层索网玻璃幕墙的施工案例情况，重点对柔性结构边界的索网施工仿真分析、展索、挂索、分级张拉等工艺进行分析和总结，供广大幕墙工程技术人员参考。

　　2.项目概况

　　国际金融论坛(IFF)永久会址项目选址于明珠湾起步区横沥岛尖东侧，是大湾区建设的标志性工程。该项目主要包含国际会议中心、国际会议服务酒店、政要公馆三个部分，总用地面积约20万平方米，总建筑面积约25万平方米。项目立足于南沙独特的自然要素与地域文脉，以木棉花开、鸿翔海丝为设计概念，体现花城之美;建筑线条飘逸飞扬，如鲲鹏展翼，有振翅欲飞之力，寓意国际金融论坛(IFF)永久会址助力南沙新区建设腾飞发展，在粤港澳大湾区发展中发挥示范性作用，面向世界，面向未来。，其中国际会议中心建筑面积约15.1万平方米，具备一个3000平方米的主会场，3000平方米的宴会厅，两个1600平方米的多功能厅、数十个中小型会议室及约1.3万平方米的专业展厅。主要幕墙包括PTFE膜及内侧玻璃幕墙、大跨度Y形柱框架玻璃幕墙、大跨度单层索网幕墙、UHPC幕墙、采光顶等。

　　3.索网概述

　　本项目国际会议中心东立面的主入口采用单层索网幕墙，幕墙安装在托桁架与A字柱形成的门框结构中。主入口单层索网幕墙从顶部往下向内部倾斜的同时宽度缩减，平面形状为一内倾的梯形，下部宽39m，上部宽40m，两侧高39m。

　　单层索网玻璃幕墙的横向索和竖向索呈正交网状布置，典型分格尺寸宽为2m，高为3m。其中竖向拉索为主受力索，上端锚固在托桁架下弦，下端锚固于地面预埋件;横向拉索为稳定索，两端锚固于A字柱。托桁架弦杆和腹杆截面分别φ700x40和φ351x25，A字柱截面为□1300x1300x40x40。入口门斗的梁截面为钢管混凝土梁□800x800x40x40，柱截面为钢管混凝土柱□800x500x40x40,以及箱型柱截面□600x200x20x20。横向稳定索采用1300级316不锈钢（词条“不锈钢”由行业大百科提供）φ45拉索，竖向承重索采用1300级316不锈钢φ65拉索。竖向拉索的索力为950kN,横向拉索的索力为320kN。

　　4.施工准备

　　预应力钢索施工专业化程度很高，前期需要大量的准备工作，包括深化设计方案、施工过程仿真分析、施工工器具设计、施工方案编制、与其他单位技术配合等。因索产品是在工厂加工的成品运至现场，一旦前期准备工作出现偏差将严重影响工程施工质量、进度和安全，故前期技术准备工作是索结构施工的核心环节，尤其是施工过程仿真分析，以下仅针对施工过程分析进行介绍，其余不再赘述。

　　施工过程仿真分析是通过计算机有限元仿真技术，提前将整个施工过程进行“预演”，了解各个施工阶段结构的受力状态以及施工过程结构非线性响应对结构最后成型状态的影响，为制定满足设计意图、安全经济的施工方案提供指导。

　　4.1 施工目标状态

　　本项目的索网结构特点鲜明，索网幕墙上部的屋盖钢桁架结构跨度超过40m，两侧为高大的A型柱，相较于锚固在混凝土主体结构（词条“主体结构”由行业大百科提供）之间的索网幕墙有较大差异，边界的刚度较柔，变形很大。且本项目幕墙面自然前倾5度，改变了垂直面索网幕墙的形态，受力状态相对更复杂。为了保证索幕墙在完工状态的建筑立面效果，保证璃幕墙完工状态横平竖直，即要求横向玻璃胶缝和竖向玻璃胶缝均应与建筑立面设计要求保持一致，而不应该出现弯扭或者曲线下垂效果，以此作为施工终态的目标状态。要达到此状态，对结构设计和索结构施工提出了较高的要求。

　　根据设计初始态要求，索网幕墙的最终目标状态包含了索力和位形两个主要的目标。所有横索张拉完毕索力控制在320kN;所有竖索张拉完毕索力控制在950kN;对位形的要求，考虑到建筑立面的效果，所有的玻璃在安装完毕后保证橫平竖直，由于整个索网前倾5°，索网面外不可避免也会有一定变形。

　　4.2 主体结构屋盖影响分析

　　结合主体钢结构整体模型，充分考虑整体结构与索网的协同工作，以及主体结构屋盖的卸载对索网边界的变形影响，需要进行屋面施工过程不同阶段的位移分析，主要为吊装屋面钢结构、拆除屋面胎架、非采光顶区域屋面安装、采光顶区域屋面安装阶段位移分析。索施工前，屋面恒载作用下顶部桁架跨中已经有-18mm的竖向变形。

　　4.3 施工过程找形分析

　　根据索网施工过程，分析挂索预紧、一级张拉、二级张拉、三级张拉、安装完玻璃位移，并对索夹进行设计目标状态和找形后状态对比，张拉施工结束安装完玻璃所有拉索需达到横平竖直的结果。

　　4.4 关键工况索力分析

　　根据施工过程找形分析的结果，张拉施工安装完玻璃所有的拉索索力满足设计要求，最终横索索力范围316~328kN，竖索索力范围934~1040kN。其中三级张拉完毕状态对应设计初始态，索力结果基本一致。

　　4.5 关键工况边界结构变形分析

　　根据施工过程找形分析的结果，顶部的悬链线形桁架在张拉过程中竖向变形从施工前-18mm逐步发展到-88mm，反应出边界较柔，这么大的变形对拉索下料有非常大的影响，必须要根据施工过程的结果结合现场复测来确定拉索索长。

　　5.施工工艺

　　索网施工工艺包括现场复测和放线、拉索下料、进场准备、搭设平台、展索、挂索、分级张拉、安装夹具、安装玻璃等，张拉过程中需进行张拉监测，自挂索开始至玻璃安装完成需由第三方监测单位对主体结构进行监测。上述除展索、挂索、分级张拉外，其他工艺与普通幕墙施工大同小异，以下仅针对展索、挂索、分级张拉进行介绍，其余不再赘述。

　　5.1 展索

　　展索的目的主要释放索内残余应力，拉索运输到现场后，展开拉索的盘圈直径不小于拉索直径的30倍，即本工程最大索直径为65mm，盘圈直径不小于2.0m。根据现场场地布置要求，在入口大门正下方摆放拉索，保证拉索在安装过程中避开障碍物，同时保证拉索顺利放开并安装，最后将所有拉索放置与成形后对应位置竖向投影位置处。展索时将索盘吊至展索盘上并将索头解开，用卷扬机牵引索头，为防止索体在移动过程中与地面接触，索头用软性材料包住，在沿放索方向铺设展索小车，以保证索体不与地面接触，拉索每隔两米间距宜布置方木用来搁置拉索，尽量保护拉索，避免与地面摩擦。再将钢索在幕墙所在位置正下方附近的地面上慢慢展开。在放索过程中，因索盘绕产生的弹性和牵引产生的偏心力，索开盘时产生加速，导致弹开散盘，易危及工人安全，因此开盘时注意防止崩盘。

　　5.2 挂索

　　本项目拉索幕墙自然前倾5°，综合考虑拉索索夹拉索的关系，横索在内，竖索在外，结合现场实际情况，拟从下往上逐根安装横向拉索，待横索安装完毕再从左往右逐根安装竖向拉索。

　　5.2.1 横索安装与就位

　　横索选用Ф45的不锈钢拉索，单根长度约为40米，单根重量最大约为700kg,利用两台卷扬机通过A柱顶部悬挂的滑轮吊装，上人操作平台采用高空车，跨中采用50吨吊车辅助吊装，待拉索到了指定位置，高空车上的工人通过吊带及葫芦将索头牵引到连接耳板附近，校准后完成销接。索头螺杆牵引就位时需要将锚杯顺着连接耳板插入，不得磕碰螺杆螺纹。拉索提升过程中需要采用木扁担保护拉索，如下图12所示：

　　5.2.2 竖向幕墙拉索安装

　　竖向幕墙拉索的安装：竖向拉索选用Ф65的不锈钢拉索，单根长度约为39米，单根重量最大约为1.2吨，利用卷扬机提升拉索至待安装位置，高空车上人安装拉索如下图13所示：

　　5.3 分级张拉

　　本工程特点为平面和立面均为不规则结构，为最大限度降低幕墙索预应力施加对结构的影响，且与整体计算模型相吻合，本方案拟定采用先张拉横索和竖索，然后再进行玻璃夹具的安装，该方案的优点是张拉结果与设计要求的设计索力吻合度较高，可以较好的减少主体结构施工偏差带来的不利影响。另外，为降低索预应力施加对周边结构或构件造成较大突变，本方案拟定张拉施工从刚度较大的区域逐渐向刚度较小区域发展，且张拉过程尽量均匀。

　　5.3.1 张拉施工原则

　　张拉顺序：竖向拉索从两边往中间张拉，横向拉索从上往下张拉;对称与同步张拉：竖索的空间位置分为10个张拉组，每一组内的索同步张拉;横索分为11个张拉组，每一组内的索同步张拉。相邻两个张拉组的时间间隔约1.5~2h，两个张拉级间隔时间为一天，保证整体结构及连接节点受力变形到位，消除结构的间隙。张拉分级：横向拉索和竖向拉索分别分三级张拉，张拉级分别为30%、70%和100%;张拉条件：主体结构幕墙框架主体构件A柱、桁架和拉索节点安装完成，主体结构屋面安装好，恒载到位后，节点连接焊缝探伤验收等满足要求后方可进行张拉施工。张拉过程中横索挠度控制：最后一级张拉完成前进行玻璃夹具的安装，将夹具螺栓（词条“螺栓”由行业大百科提供）放松，让横索可以在夹具内滑动，最后一级张拉完成后再拧紧夹具螺栓。

　　5.3.2 预应力张拉施工

　　根据横索和竖索的边界情况及拉索两头调节端的情况，拟在地面一侧张拉竖索，左侧A柱设置张拉端，进行张拉施工，张拉点如图15示意。其中横索的张拉施工由于条件较差，需要吊车及高空车的配合，同时结合顶部桁架挂工装索及吊带，用于辅助安装工装及千斤顶设备。

　　工人通过高空车在张拉端就位，首先吊装安装反力架，位于拉索锚具外侧，重量较小，直接可以套在锚具的耳板上固定;高空吊车将千斤顶和配套精钢螺纹杆，吊装到目标张拉端，安装过程中需注意千斤顶受力中心线和拉索轴线方向一致;再安装油泵，注意油泵的出油口和进油口需按照油泵说明书上安装;工装设备安装完成后，开始张拉，张拉之前需要标记拉索大螺母的位置;开始加压，加压的过程必须保证两台千斤顶同步进行，避免受力不均匀，如何保证千斤顶同步进行，加压的速度需缓慢，通常是1Mpa为一个步级。张拉过程中，通过拧紧大螺母来使拉索受力，考虑到小钢棒转动可能力矩不够，需要采用对应的扳手，大螺母始终保持和锚垫板在一起便可。张拉到设计要求力值后，测量结构等变形情况，张拉结束。

　　5.3.3 预应力损失及处理措施

　　张拉过程种预应力损失产生主要原因如下：钢索索体松弛;钢索索体锚具回缩变形，主要是调节螺杆变形;油压损失;节点摩擦使预应力产生损失。为保证张拉力达到设计要求，根据大量工程经验，实际张拉过程中，采取在理论张拉力基础上超张拉5%进行控制。

　　6.施工过程监测

　　通常预应力拉索，是从确定的一个初始状态开始的，习惯上是根据建筑要求和经验使结构具备一定的初始刚度。但是仅此而获得的结构刚度是不够的，这就必须对柔性的预应力钢索施加预应力，使结构进一步获得刚度，以便在荷载状态对各种不同的荷载条件下结构任何段钢拉杆的任一单元均满足强度要求及稳定条件。本工程经计算可得，预应力拉索的张拉结构位移控制可变因素多，故张拉施工过程中对结构“力”的控制极为重要。

　　6.1 监测原则

　　为满足预应力施工过程的需要，保证工程顺利进行，施工监测布点时采取以下原则：

　　索力监测：以索力监测为主，保证结构张拉完成的结构“力”与设计相符。

　　位移监测：本工程位移响应不敏感，位移监测相对误差较大，以位移监测为辅，通过监测结构位移情况来验证结构“力”的变化趋势情况。

　　6.2 位移监测

　　本工程预应力拉索的施工精度（词条“精度”由行业大百科提供）直接影响到玻璃幕墙的安装，而拉索的安装位置取决于主体钢结构的安装精度，主体钢构（词条“钢构”由行业大百科提供）、拉索和玻璃幕墙三者紧密的结合，前后互相影响较大，故对本工程的测量监控技术要求较高。

　　拉索节点空间位置：本工程在索网均匀选取若干个区域，测量这区域的拉索节点，再放映到CAD图纸上，通过实际放样确定拉索的安装精度是否与设计相吻合。通过监控索夹处的三维坐标，把现场放映回来的实测数据与图纸上的CAD坐标进行比较。可以知道这个节点的位移变化值，进而确定拉索的安装与张拉精度。

　　张拉过程中监控点位移控制：通过监测索网节点在张拉施工过程最终的位移验证索网索力的变化。

　　根据仿真分析，监测点最终标高数据如下：

　　最终的位形按照玻璃幕墙工程技术规范JGJ102-2003的施工质量要求控制：

　　6.3 索力监测

　　直接在张拉千斤顶油泵上的压力表直接读出，这是施工过程中最直观的读数方法。钢索结构通常使用液压千斤顶张拉，由于千斤顶张拉油缸的液压和张拉力有直接关系，所以，只要测定张拉油缸的压力就可以求得钢索索力。

　　7.结语

　　索网结构的形成过程即施工过程，索网在安装过程中同时建立了预应力并使结构形成，若施工没有控制好，其可能形成的索网结构面目全非，甚至导致玻璃面板无法安装。其施工过程中应注意以下几点：

　　1)前期技术准备工作是索结构施工的核心环节，重点做好施工过程仿真分析;

　　2)索的下料长度、索的下料状态应力在施工仿真分析中得到计算和控制，并结合现场复测尺寸进行修正;

　　3)施工方案确定好挂索顺序、张拉顺序、张拉分级及相应索力控制，必须与设计的预应力施加过程相一致，并严格按方案执行;

　　4)控制预应力施加过程的速率，保证整体结构及连接节点受力变形与设计一致;

　　5)预应力施加过程的监控十分重要，施工中应规定监控索力和位移的指标，同时监控一些重要结构构件的“形”和“力”。

　　参考文献：

　　[1] 中华人民共和国住房和城乡建设部. 建筑施工高处作业安全技术规范：JGJ 80—2016[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2016.

　　[2] 中华人民共和国住房和城乡建设部. 索结构技术规程：JGJ 257-2012—2012[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2012.

作者单位：深圳市方大建科集团有限公司