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摘要：目前，建筑幕墻采用多種多樣的面板（詞條“面板”由行業(yè)大百科提供）材料和新的構(gòu)成形式;為適應(yīng)建筑功能和建筑藝術(shù)的各種要求，新的幕墻支承結(jié)構(gòu)體系在建筑中得到應(yīng)用。本文主要介紹一些新型建筑幕墻支承結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞：建筑幕墻 幕墻支承結(jié)構(gòu) 斜交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)（詞條“網(wǎng)格結(jié)構(gòu)”由行業(yè)大百科提供） 空間剛架 索桿桁架（詞條“桁架”由行業(yè)大百科提供） 索網(wǎng) 懸掛體系
1 常規(guī)幕墻支承結(jié)構(gòu)
常規(guī)幕墻的面板由正交的金屬橫梁和立柱支承。采用鋁型材時(shí)，橫梁與立柱采用螺栓連接; 采用鋼型材時(shí)，橫梁與立柱可以采用焊接或螺栓連接(圖1.1)。常規(guī)支承系統(tǒng)是鉸接或剛接的框架系統(tǒng)。
圖1.1 常規(guī)幕墻支承結(jié)構(gòu)
2022年北京冬奧會(huì)速滑館的幕墻被稱(chēng)為冰絲帶，由13道雙曲玻璃環(huán)疊成，玻璃面板（詞條“玻璃面板”由行業(yè)大百科提供）支承在階梯型的鋼曲梁上，鋼曲梁由斜向拉索支承(圖1.2，圖5.3)。
圖1.2 北京2022冬奧會(huì)速滑館，階梯型曲梁支承玻璃面板
通常建筑幕墻的支承結(jié)構(gòu)多采用上述正交梁柱金屬框架系統(tǒng)。隨著建筑功能和建筑藝術(shù)要求的多樣化，新的結(jié)構(gòu)形式得到更多的應(yīng)用。
2 斜交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)
2.1 雙層斜交網(wǎng)格體系
早期一些幕墻工程直接將網(wǎng)架、網(wǎng)殼等屋面常用結(jié)構(gòu)形式旋轉(zhuǎn)90度，用于支承幕墻面板。如鄭州裕達(dá)酒店的大堂和波士頓圖書(shū)館就采用了網(wǎng)架幕墻(圖2.1)。許多幕墻是屋面的自然延伸，也同樣采用了與屋面相同的雙層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)（詞條“網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)”由行業(yè)大百科提供）(圖2.2-圖2.4)。
圖2.1 采用網(wǎng)架作為幕墻支承機(jī)構(gòu)
圖2.2 北京植物園溫室采用雙層網(wǎng)殼支承幕墻
圖2.3 深圳機(jī)場(chǎng)T3航站樓雙層網(wǎng)殼支承玻璃和鋁板幕墻 圖2.4 上海徐匯雙層網(wǎng)殼玻璃球
圖2.5 北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)，26萬(wàn)平方米雙層雙曲網(wǎng)殼屋面
2.2 單層三向斜交網(wǎng)格體系
單層三向斜交網(wǎng)格系統(tǒng)用鋼量較省，施工方便，應(yīng)用相當(dāng)廣泛。
平面三向斜交系統(tǒng)可以單片使用,也可以組成折面和晶體形幕墻(圖2.6、圖2.7 )。
圖2.6 單片平面網(wǎng)格體系
圖2.7 多個(gè)平面組合的幕墻網(wǎng)格支承系統(tǒng)
曲面（詞條“曲面”由行業(yè)大百科提供）單層網(wǎng)格結(jié)構(gòu)常為柱面和回轉(zhuǎn)面，但是更多的工程因建筑藝術(shù)的要求，會(huì)采用更為復(fù)雜的自由曲面(圖2.8)。
圖2.8 采用三向桿件網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的曲面玻璃幕墻
3. 剛架結(jié)構(gòu)
3.1 平面剛架
三角形網(wǎng)格是穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，所以桿件在節(jié)點(diǎn)處可采用鉸接。當(dāng)采用多邊形分格時(shí)，必須采用焊接，形成幾何不變的剛架結(jié)構(gòu)。
六邊形是可以填滿平面的幾何圖形之一，因此六邊形焊接鋼結(jié)構(gòu)也常用于幕墻(圖3.1)。
圖3.1 六邊形蜂巢幕墻鋼結(jié)構(gòu)
3.2 自由分格的剛架體系
由鋼筋混凝土或鋼構(gòu)件剛性連接成為任意分格平面剛架或空間剛架可作為幕墻的支承結(jié)構(gòu)體系(圖3.2、圖3.3)。
圖3.2 迪拜阿爾法塔幕墻由空間剛架支承
圖3.3 鋼筋混凝土構(gòu)件剛架系統(tǒng)
由金屬構(gòu)件和金屬面板可以構(gòu)成變形的剛架式幕墻表皮結(jié)構(gòu)(圖3.4、圖3.5)。
4.索桿支承體系
4.1 索桿桁架
索桿桁架由受壓的鋼桿和受拉的鋼索組成，有時(shí)拉索會(huì)固定在主體結(jié)構(gòu)（詞條“主體結(jié)構(gòu)”由行業(yè)大百科提供）上，這將使主體結(jié)構(gòu)受到附加的拉力，主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)這拉力應(yīng)予考慮(圖4.1)。
圖4.1 索桿桁架
圖4.2 采用索桿桁架支承的工程
4.2 自平衡體系
采用受壓的中央桿件和兩側(cè)對(duì)稱(chēng)的鋼索組成自平衡體系時(shí)，其壓桿的壓力與拉索的拉力自相平衡，不會(huì)對(duì)主體結(jié)構(gòu)施加額外的荷載(4.3)。
圖4.4 自平衡體系
圖4.5 采用自平衡體系的幕墻
5.索結(jié)構(gòu)
5.1 單向索結(jié)構(gòu)
單向索結(jié)構(gòu)應(yīng)豎向布置以承受玻璃面板的重量，索拉力應(yīng)控制最大撓度大約為跨度的1/50(圖5.1)。
圖5.1 單向索結(jié)構(gòu)
單向布索的結(jié)構(gòu)剛度（詞條“剛度”由行業(yè)大百科提供）較小,通常單跨索的跨度不超過(guò)18m。
圖5.2 采用單向索結(jié)構(gòu)的幕墻工程
圖5.3 冰絲帶—北京冬奧會(huì)速滑館，單向斜索作為幕墻曲梁的第一道支承結(jié)構(gòu)
5.2 平面索網(wǎng)結(jié)構(gòu)
索網(wǎng)結(jié)構(gòu)是有預(yù)拉力的拉索體系，對(duì)玻璃幕墻遮擋最小，深受建筑師歡迎。索網(wǎng)的拉力要作用在主體結(jié)構(gòu)上，主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)預(yù)加考慮。索網(wǎng)在大撓度下工作，通常控制撓度為跨度的1/40~1/60。
北京新保利大廈高度160m，索網(wǎng)晶面形，90mX70m，由三片平面索網(wǎng)組成。這是目前世界最大的單片索網(wǎng)玻璃幕墻(圖5.4)，兩根主索由150根15.2mm的鋼絞線組成，拉力達(dá)39000kN。
圖5.4 北京新保利大廈索網(wǎng)結(jié)構(gòu)支承玻璃幕墻
通常索網(wǎng)分格不大于1.5m X 1.5m。索端部直接連接于主體結(jié)構(gòu)或者通過(guò)彈簧連接器連接于主體結(jié)構(gòu)。彈簧連接器在溫度變化時(shí)或地震時(shí)可以減少索拉力的突然變化。
圖5.5 采用平面索網(wǎng)支承的玻璃幕墻
現(xiàn)在平面索網(wǎng)幕墻已在工程中廣泛應(yīng)用，部分項(xiàng)目見(jiàn)圖5.5。
5.3 曲面索網(wǎng)
能自然形成的曲面索網(wǎng)只有雙曲拋物面，即馬鞍形曲面一種(圖5.6)，它由彎曲（詞條“彎曲”由行業(yè)大百科提供）方向相反的兩組拉索疊合而成。
圖5.8 上海中國(guó)航海博物館(左)45m高雙曲拋物面索網(wǎng)(中)，右圖為拉索布置
要形成其他形狀的曲面，必須附加其他的輔助拉索。圖5.9為北京長(zhǎng)安中心，要求形成兩個(gè)凹進(jìn)的球面幕墻，球面無(wú)法由兩組拉索自然形成，所以在背面附加反向拉索。
圖5.9 北京長(zhǎng)安中心雙球面玻璃幕墻
6.懸掛體系
幕墻系統(tǒng)由吊桿懸掛，吊桿上端固定在主體結(jié)構(gòu)上，形成懸掛幕墻體系。
圖5.8 德國(guó)波恩國(guó)家郵電總局，幕墻構(gòu)件懸掛在主體結(jié)構(gòu)上
上海中心外幕墻為扭轉(zhuǎn)雙曲螺旋面，為了用平面玻璃板塊擬合這復(fù)雜的雙曲面，板塊必須層層退臺(tái)，左右錯(cuò)縫。所以采用環(huán)梁支承，每12層至15層環(huán)梁為一組，由吊桿懸掛到樓面主體結(jié)構(gòu)上(圖5.9)。
圖5.9 上海中心外幕墻，橫梁由吊桿成組吊掛在上部主體結(jié)構(gòu)樓層上
7. 結(jié)語(yǔ)
我國(guó)已經(jīng)是世界上幕墻生產(chǎn)和應(yīng)用量最大的國(guó)家，隨著大量超高層建筑和公共建筑的興建，建筑功能和建筑藝術(shù)對(duì)幕墻提出更高的要求，促使非常規(guī)的幕墻新型支承結(jié)構(gòu)體系大量應(yīng)用。我國(guó)幕墻設(shè)計(jì)水平和施工水平也會(huì)相應(yīng)迅速提高。
作者單位：中國(guó)建筑科學(xué)研究院
