立润富达广场项目玻璃天幕技术分享

立润富达广场项目玻璃天幕技术分享

高振宇

深圳市三鑫科技发展有限公司  上海分公司

【摘要】随着社会的不断发展，现代建筑设计也在不断创新，建筑的外立面的造型也越来越丰富多彩，曲面异形的外观形态也逐渐成为建筑师展现其建筑独特理念的表达方式。从而使得幕墙技术也必须跟上时代进步不断创新，在保证建筑功能的前提下，更好的实现建筑的效果。幕墙设计方案要综合考虑材料、结构、功能、美学、以及加工、安装等综合因素。本文对立润富达广场项目玻璃天幕异形曲面系统的重难点进行分析，并提出具体的解决方案。

【关键词】曲面异形；玻璃玻璃天幕；连接构造设计

一、工程概况

本项目位于广东省深圳市南山区南头街道，马家龙工业区，幕墙总面积12万平方米。本工程包含西区裙房、东区裙房、酒店、办公楼、采光顶。其中玻璃天幕位于裙房顶，整个天幕由多个曲面组成，整体效果呈现为水波纹状，由多尺寸的三角形玻璃面板拟合而成。玻璃采用10TP+12A+6HS+1.52SGP+6HS钢化中空夹胶超白Low-E玻璃，玻璃天幕龙骨为铝合金型材，主体为网壳结构钢龙骨。天幕外立面通过玻璃护边组合体现六边形样式，采用有组织排水形式，周圈设有不锈钢天沟。

二、工程特点

该玻璃天幕主体钢构为三角形网壳结构，每六根钢构杆交汇于一点，其幕墙系统由三角形板块拟合而成，每六个三角交汇于一个点，最关键的位置就是6根杆件的汇交处的连接，因为玻璃天幕为异形曲面，所以在交汇处的6块玻璃面板也不都在同一平面内，板块与板块之间有夹角。相交处的杆件连接就要求可以在一定角度范围内可转动。

玻璃天幕局部现场施工照片：

三、六杆交汇连接设计

六杆连接设计需要解决空间杆件不同角度的转动所造成的设计、加工、安装构造。一般多点汇交的连接点都是有规律的，要么是共面杆件交汇，要么是等角度交汇。简单的空间杆件容易设计，但是如果是不规则的杆件多点交汇就会带来很多为题，也是本项目的解决重点。

    本工程的连接设计根据六杆连接的特点，考虑还是以中间一个圆环为基础，这样可以满足平面内不同角度的调节问题，在此基础上再增加单根杆件的轴向转动调节的构造即可。参考传统的连接构造，设置单科螺栓连接，就解决了纵向旋转调节的问题。同时我们通过三维建模分析在同一个交点处的玻璃面板存在高低差，所以还需增加调节高低的构造。经过不断的研究，反复论证，最终构建连接节点设计如下图所示。

节点图

单根杆件连接构造的爆炸图如下：

爆炸图中主要的零件为：

1. 定制圆形调整支座，实现基础定位；

2. 十字形连接件，卡到定制调整支座内，可绕着支座转动；

3. 带槽连接件③与②配合，完成转换连接；

4. 带滑槽的耳板④与③配合，可进行高低微调；

5.连接龙骨的耳板⑤与④通过销轴螺栓配合，可实现竖向角度旋转；

6.耳板⑤最终与杆件连接。

构造原理分享：

  1）平面内适应角度范围大，根据交会一点的杆件个数及杆件大小需求，调整支座①可适应30°—330°调节范围，高低调节±50mm：

2）十字形连接件②，卡到定制调整支座内，可绕着支座轴心转动，实现平面角度调节。十字形连接件②可绕自身轴心维旋转±10°，实现单个杆件空间角度微调：

3）带槽连接件与带滑槽的耳板配合，可实现高低方向微调（±25mm）；

4）带滑槽的耳板与连接龙骨耳板通过销轴螺栓配合，可实现竖向角度旋转（0—60°）；龙骨伸缩调节插芯，可调节单根龙骨的长短距离调节（±30mm）；

4，施工工艺简单述：

Ⅰ圆盘定位，高低定位（根据三维扫面数据坐标定位）；Ⅱ杆件定位（角度定位，高低定位）；Ⅲ杆件大面积定位安装；Ⅳ玻璃面板安装及调试；

四、六点交汇连接节点的受力分析

交汇处的连接转接件较多，所以受力关系比较复杂。需要从传力途径一个一个零部件进行分析。传力途径为（参考爆炸图）：玻璃采光顶龙骨通过螺栓传递集中力到⑤连接龙骨的耳板，然后耳板和④带滑槽的耳板之间通过螺栓传递荷载，带滑槽的耳板又通过机械连接卡槽卡到③带槽连接件，带槽连接件通过机制螺丝连到②十字形连接件，十字形连接件直接通过十字件卡到①定制调整支座上。力的作用点放在耳板的连接销轴上，计算各个零件时力都在这个位置。受力简图如下图所示：

由上所示，连接横梁的3颗M10螺栓受力有偏心，螺栓需要计算抗剪及铝型材的局部承压；耳板的连接销轴应按钢结构设计标准GB 50017-2017，11.6销轴连接的构造要求进行设计及计算；此连接中的十字形连接件局部截面偏心较大，需要特别注意。

    此连接节点还需注意的是中间支座顶部的圆形盖板的厚度和盖板和支座的连接机制螺丝。圆形盖板要压住十字形连接件，十字形连接件在竖向力Fz作用下，存在向上翘的力，这个力作用到圆形盖板上就会对圆形盖板中心有个偏心弯矩，同时对盖板连接机制螺丝有向上的拉力。

对于这种比较复杂的连接构造，除了构造和公式验算要满足规范要求外，还应采用有限元软件进行节点受力分析。通过受力分析，可以直观的检测到节点设计中各构建受力情况。对于较弱构建进行局部补强。

五、玻璃天幕设计的其他问题

玻璃天幕为不规则曲面，玻璃接缝处的角度多样。所以玻璃副框需要有一定角度的调解空间，玻璃副框设计成可旋转的扣接构造，能适应不同角度板块的安装（图6）。玻璃接缝设计为隐框，接缝采用硅酮耐候密封胶填充，使得玻璃间平滑过渡，可以进行无障碍排水，且胶缝质量容易控制。玻璃与玻璃之间的缝隙胶大，在密封胶的下方先安装三元乙丙胶条（EPDM-S），三元乙丙胶条即起到支撑密封胶的作用，还能给进一步的增强防水性能。另外由于玻璃天幕的曲面的外观，玻璃面板大部分为倾斜放置，存在向下滑动的自重分量，所以在节点设计中增加了铝合金玻璃护边，可以防止玻璃侧向滑动。

图6

六、曲面玻璃天幕的BIM分析

玻璃天幕几何形状为无规律的异形曲面，三角形玻璃面板的尺寸也不尽相同。所以设计时需要在BIM软件中建立整体表皮模型，然后提取数据模型，将板块的尺寸，玻璃面板之间的夹角信息进行统计和分类。 在满足建筑效果的前提下，可以对三角形板块尺寸进行优化和调整，使得板块尺寸类型能归整为几大类，这样方便玻璃的生产加工。采用rhino软件建模，然后借助插件grasshoper进行参数化编程，可以实现幕墙材料自动下单及幕墙龙骨由3D模型自动化加工，利用BIM数据模型进行成本分析及协同管理，最终实现提高设计效率、方便项目管理、节省工期及节约成本的目的。

对玻璃面板进行优化时应考虑玻璃生成的工艺性和经济性，同时还应注意以下几点：

1）保证一块玻璃原片的利用率，降低造价成本；

2）三角形玻璃锐角角度小于30度无法加工，这点需要提前和玻璃生产厂家沟通；

3）建筑门窗幕墙用钢化玻璃JG/T 455-2014，表3规定了钢化玻璃的许用面积，10mm单片钢化玻璃面积不能大于5平方米，所以需要严格控制玻璃板块的面积；

4）玻璃天幕于金属屋面技术规程JGJ 255-2012，3.4.6条规定玻璃面板面积不宜大于2.5平方米，长边边长不宜大于2米。这条虽然不是强条，但是能满足要求的就应尽量满足。

七、结束语

异形曲面玻璃天幕节点设计不仅需要综合考虑调节、加工、安装等因素，还要综合考虑主体结构的构造体系，适用主体结构的构造特点。这样设计的节点才能完美契合建筑的外观及功能要求。随着科技的不断发展，各种软件的应用使得空间异形的幕墙设计不再是难题，配合结构计算的不断校核，相信后续还会有更好的创新设计应运而生。

参考文献：

[1] GB/T21086-2007建筑幕墙.中国建筑工业出版社,2007：5-8.

[2] JGJ102-2003玻璃幕墙工程技术规范. 中国建筑工业出版社,2003：14-17.

[3] 赵西安.《建筑幕墙工程手册》.中国建筑工业出版社,2002：45-46.

[4] 田宗远，张丽新 异形曲面单层网壳系统采光顶汇交点设计