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iStructure| 巧妙的幕墻鋼結構設計分享
2020年11月10日    閱讀量:17813    新聞來源:中國建材網 cnprofit.com  |  投稿

幕墻以獨特的色彩與光影、多變的造型包覆在建筑表面,是現代建筑最顯著的表現特征之一,也是項目業主和設計師關注的重點。

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中國鉆石交易中心單索幕墻,上海

普通的幕墻一般通過連接件把幕墻框或面板與主體結構固定即可。但對于特別高大的幕墻,就需要設計專門的支承鋼結構,有實腹梁柱、桁架、索網、索桁架、純玻璃結構等形式中國建材網cnprofit.com。

幕墻結構承受的荷載包括豎向重力荷載和水平荷載(風荷載為主),相應的需要兩個方向的傳力體系。當然,也可以將兩個傳力體系合二為一。

對于幕墻豎向自重荷載,一般采用吊掛式或下承式;對于水平風荷載,一級支承構件可以是立桿、橫桿或雙向受力。

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典型的豎向實腹鋼柱支承結構

之前小 i 介紹過索網幕墻、索桁架幕墻、純玻璃結構,系列文章見文末鏈接。今天再分享幾個有趣的案例,看結構工程師如何在幕墻結構設計中發揮創造力。


實腹梁柱

實腹截面的鋼立柱是最常用幕墻支承結構形式。出于建筑立面效果的考慮,一般要求構件截面在立面上的寬度盡量小。

當截面寬度小到一定程度,鋼柱就變成了一塊厚鋼板。雖然從力學角度考量的材料效率和受力穩定性并不好,但外觀輕薄、加工方便、避免了小尺寸構件的焊接變形,深得建筑師青睞。

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由于厚鋼板構件的截面寬度過小,構件弱軸穩定問題很突出。常見設置水平方向的鋼拉索,以約束構件的失穩。如上圖所示,每道橫向約束由兩根拉索組成。

如果幕墻柱不承受豎向力,或者上端吊掛受拉,其穩定性能得到提高。下圖案例所示的幕墻柱之間通過鋼拉索約束鋼柱失穩。同時,另有一道靠近玻璃面板的鋼索吊掛著點式爪件,承受著幕墻的重力荷載,幕墻鋼柱僅承受水平荷載。


空腹桁架

空腹桁架、平面桁架、立體桁架形式的幕墻,由于桁架桿件數量大、視覺重疊,很難做到通透而細致。偶爾也有特例。

紐瓦克國際機場候機廊的幕墻,幕墻柱的間距較小(約3~4m),每根幕墻柱負擔的荷載小。設計上把常規的實腹式幕墻柱截面,離散成空腹桁架的細小桿件,并不覺得笨重。


細節處理方面,桁架腹桿用鋼板代替并且切出圓角,使得鋼結構外觀上更像腹板開孔的梁;桁架之間的連系桿與幕墻橫框錯開,避免兩者重疊顯得構件太大,意外地呈現出相對勻質的立面。


紐瓦克國際機場候機廊幕墻-空腹桁架

約翰肯尼迪國際機場的幕墻柱也類似,空腹桁架柱采用小管徑構件,桁架兩端的弦桿捏攏收小,腹桿為紡錘形方管。細部設計方面,鋼結構與玻璃面板的連接顯得更加緊密。


約翰肯尼迪國際機場幕墻-空腹桁架

當然,也有把雙向桁架,甚至三向桁架用作幕墻支承結構的案例。


雙向桁架作為幕墻主支承結構


Faculty of Law University of Cambridge 三向桁架


索網的變種

在“單索-極致通透”一文中,我們介紹了許多單索和索網幕墻案例。今天再介紹幾個有趣的變化。

YAMAHA樂器銀座店的幕墻設計取自弦樂器的意像,采用索幕墻形式。立面大部分為斜放的網格,僅在首層因開門和櫥窗位置豎直板塊。


YAMAHA樂器銀座店 立面幕墻

因此,上部的幕墻索網按照斜交網狀布置,錨固在建筑兩側強壯的側墻上;而首層為簡潔的豎向單索幕墻。兩種索幕墻通過二層的剛性桁架轉換。


YAMAHA 樂器銀座店的兩種索幕墻


兩種索幕墻之間的轉換桁架


東京Mori美術館是一棟圓桶形的建筑,主體的豎向和抗側結構為建筑中心的鋼結構支撐筒體。像酒桶形的立面幕墻并不適合采用索網結構,因為施加預應力的鋼索會使單曲率幕墻面向內收緊,結構體系不穩定。


本項目幕墻設計的巧妙之處在于,設置一道道環向的鋼橫梁,限制索網向內收緊的變形趨勢,實現了桶狀的索網幕墻。


東京Mori美術館

在交叉索網中施加預應力形成抗風抗震所需的水平剛度;沿立面豎向設置更加纖細的拉索吊掛幕墻重量;橫梁設計成環形的鋼片,即交叉索網和豎向索索力的水平分量,同時用來固定玻璃板塊。三者相輔相成。


東京Mori美術館—幕墻節點細部


我們知道索網幕墻內有很大的拉力,因此需要周邊主體結構提供一定的剛度和承載力。有沒有其它方法?

Sowwah Square項目中,轉角處并沒有強壯的主體結構支承索網幕墻。結構工程師設計了兩個平面上的魚腹形索桁架來承擔水平向索力。角部的鋼立柱只承受軸力,截面有機會做得很小。


 Sowwah Square轉角處的魚腹形索桁架

不過,魚腹形索桁架的剛度可能比較小,是否與索網幕墻的索力和變形協調,尚需進一步考證。


玻璃肋幕墻

在“結構材料系列—玻璃” 一文中我們介紹過許多玻璃結構,這里只提一個案例的細節。

為了實現視覺上最大程度的通透,有些玻璃肋幕墻設計上,取消了人視高度范圍內的肋板,僅保留立面的上半部分肋板。玻璃肋呈懸臂受力的狀態,形狀也呈上寬下窄。


懸臂受力的半跨玻璃肋幕墻


一些項目案例中,直接利用靠近幕墻的主結構柱作為幕墻系統的一級支承,再輔助以二級構件,構成完整的幕墻結構體系。

下圖所示的項目中,以主樓柱子做豎向構件,以三角形飛翼和玻璃肋做水平橫梁,以鋼拉桿吊掛玻璃重量。


利用主結構柱的幕墻結構體系

三角形飛翼、飛翼與飛翼的鉸點、飛翼與水平玻璃肋的節點等做了細致處理。雖然整個系統略顯繁瑣,但看得出結構體系和細節的設計都花了很多心思。


幕墻結構體系和細節設計

下圖所示的案例也用了類似方法:斜撐桿與水平梁構成穩定的三角撐,鋼拉桿吊掛幕墻自重。


仔細看橫梁由成品槽鋼開孔制作,撐桿與橫梁鉸接節點做了一個真實意義的轉動銷軸,爪件與橫梁、爪件與拉桿的連接簡潔、有效。


利用主結構柱的幕墻結構體系和節點

McLaren Technology Centre項目中,將鋼板橫梁按照連續梁彎矩的變化,而寬度漸變,并隨著建筑立面蜿蜒延伸。在靠近柱子位置的鋼梁寬度最大,一方面能夠與柱子直接相連,另一方面在鋼板開許多孔來消解結構的尺度。


McLaren Technology Centre

鋼板橫梁僅能承受水平荷載,幕墻的豎向荷載由豎向拉索吊掛,拉索貼近玻璃板塊的分縫,幕墻整體顯得十分簡潔。仔細看橫梁鋼板與柱子的法蘭連接,也是足夠考究。


McLaren Technology Centre 幕墻細部


幕墻結構雖然體量小、受力清晰,但其結構形式和形態豐富多變,尤其考驗設計者創造性和想象力。結構工程師應根據主體結構特點、幕墻尺度、支承條件、建筑視覺要求等因素,選擇合適、高效的體系。

此外,幕墻結構直接暴露在建筑空間中,對構件尺度和節點細節的精細化設計也尤為關鍵。

最后,希望這篇淺顯的資料收集短文能夠對大家有所幫助,歡迎留言區交流討論。


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