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如左图所示,变形均随着建筑高度的增高而变形增加。因为高度的增加同时建筑的自重也随之增加,刚度下降,从而增加了侧向的变形。
除此之外,建筑结构本身构造如钢结构的温度变形、混凝土的收缩变形、框架结构的剪切变形和弯曲变形等均会对整个建筑产生不利的影响。这些变形均会对外幕墙的构造、功能产生不利影响。除了受建筑主体结构变化的影响外,幕墙本身的各种材料受热变形系数不同和幕墙构件(词条“构件”由行业大百科提供)的加工误差也会造成幕墙功能下降以致影响安全。
1.2 超高层建筑幕墙抵消结构变形和吸收为变形采取的措施
1.2.1 做好设计前的准备工作
在幕墙设计工作开始前,幕墙设计者需要与建筑结构设计师沟通,整理好建筑结构相关信息及设计参数。如因混凝土收缩和蠕变造成柱子缩短值,经实践表明一般0.5-2mm毫米。
1.2.2 选择合理的幕墙结构
根据结构师提供的参数,选择合理的幕墙系统进行深化设计可有效地吸(词条“地吸”由行业大百科提供)收结构变形和误差。超高层建筑多选用单元式幕墙,将整个建筑外皮划分成若干个小板块,横向分格以建筑效果为参考,竖向风格以层间高为单位,这样每个单元板块的上、下、左、右均可设计构造有足够的间隙,来吸收变形和误差。以上海中心工程为例,经过各种方案的对比后,将分体挂式单元优化成整体单元。
1.2.2 幕墙自身系统构造吸收变形
幕墙设计过程中,通过单元幕墙公母框的插接设计,能够很好的吸收建筑平面(词条“平面”由行业大百科提供)内和平面外变形。
单元板块间的插接变位量的确定应考虑建筑主体结构的变位量、环境温度变化引起的温差变形、自重变形、地震影响及生产加工、组装误差、安装的精度偏差等多方面因素的影响。幕墙设计时确定的板块间插接预留尺寸应大于单元板块间的插接变位量至少1mm,并取整数。
横框插接量限制尺寸设计 H1~H5尺寸均应大于或等于H。其中,H1、H2、H4为预留的单元变位空间,避免上下两单元因变位而相互挤压变形破坏;H3、H5为单元插接量,保证单元在产生变位时不会相互脱离,破坏插接。位而相互挤压变形破坏;H3、H5为单元插接量,保证单元在产生变位时不会相互脱离,破坏插接。
竖框插接量包括上述各种变形因素,但由于单元板块的横向变位较竖向轻微,一般取H≥10mm。H1~H4尺寸均应大于或等于H。其中,H2、H4为预留的单元变位空间,避免左右两单元因变位而相互挤压变形破坏;H1、H3为单元插接量,保证单元在产生变位时不会相互脱离,破坏插接。
单元体幕墙在安装过程中,单元一侧挂件与转接件固定,另一侧的竖框底部用插芯或者连接件做侧向约束,这样,发生形变的时候单元体通过框材变成平行四边形来吸收变形。如上图所示。
另外,因楼体在风荷载和地震荷载作用下产生摆动,每个区最下端幕墙开口部位将产生+80/-180mm的位移,幕墙通过滑移滚轴的机械装置来吸收 。
1.2.3 参数化设计
应用BIM技术,通过数字信息仿真模拟建筑物所具有的真实信息,再将建筑的真实信息传递到构件的生产加工当中。使整个设计、加工、安装的过程变成一个不断发现问题解决问题的优化过程,这样碰撞检查所反映出来的误差问题可提前得到解决,避免了幕墙加工完成后因误差致使无法安装或者无法满足使用功能要求的现象发生。
1.3 构造缝的设计要求
建筑结构的施工缝分为沉降变形缝和地震缝两种,他们的区别是前者基础可以不分开,而地震缝必须贯穿整个建筑,基础与主体的地震缝必须是一体的。对于超高层建筑由于变形大,施工缝的要求更加严格。无论是哪一种施工缝,幕墙均可以通过构造节点(词条“节点”由行业大百科提供)满足与主体同步的要求。
2、抗风荷载设计
2.1超高层建筑的风荷载及其危害
风荷载也称风的动压力,是空气流动对工程结构所产生的压力。风荷载与基本风压、地形、地面粗糙度(词条“地面粗糙度”由行业大百科提供)、距离地面高度,及建筑体型等诸因素有关,如右图所示。
作为维护结构的外皮在抗风跟抗震上的不同主要体现在收到风荷载作用后,结构还能够弹性恢复。既在风荷载作用下不发生永久变形,而在地震作用下,整个建筑物可能会发生局部及整体破坏。
超高层建筑所处的风环境相对复杂,风压分布不均匀且风速过大。风速、风压会随着建筑高度的增加。如城市市区C类地面粗糙度,高度为400、450米的风压高度变化系数Mz=3.12,100米时为1.70,150米时为2.03,200米时为2.30,300米时为2.75等。这点对于以风荷载作为控制荷载的幕墙是极重要的。当建筑造型布局不当时,在建筑物外部往往造成局部不良的风环境:掀起屋顶覆盖物、破坏围护结构、幕墙玻璃、门窗等。超高层建筑采用玻璃幕墙作为围护结构,在风荷载作用下外皮破坏或掉落对周围街道及行人会造成重大伤害,容易出现安全隐患的部位主要集中在悬挑外装饰构件及外部遮阳结构。例如:遭到龙卷风袭击的美国田纳西某摩天大楼,玻璃幕墙严重破坏。
建筑幕墙结构按受力系统可以分解为:面材,横竖龙骨系统,幕墙转接系统,连接主体结构预埋系统。风荷载传力路径:风荷载作用直接作用在起围护作用的建筑幕墙上,通过横竖向龙骨(词条“龙骨”由行业大百科提供)及转接系统将荷载传递给主体结构,由主体结构抵抗风荷载效应(词条“荷载效应”由行业大百科提供)。然而幕墙系统与主体结构间有一定的变位空间,幕墙系统的面板与龙骨在荷载作用下发生独立变形。
2.2风洞试验的解读
国家的行业标准JGJ102—2003,玻璃幕墙工程技术规范5.3规定,200米以上的玻璃幕墙应该进行风洞实验,来确定风荷载,对于超高层建筑幕墙抗风荷载设计主要及唯一依据还是《**工程风洞实验报告》。一般的风洞实验模型选择的比例:1:100;1:150;1:200。
以上海中心为例,由于上海中心大厦高达632米,属于超高层建筑,甚至高度超出大多数普通超高层建筑,对于高度这么高的建筑物来说,完全找不到可供参考的资料。其气流分布规律对设计者来说是个难题,设计中采取了风洞实验作为风荷载设计依据。风洞试验可以有效对高空气流的分布特点进行模拟,得出指导性的设计风荷载。风洞试验简图如右图所示。
通过风洞试验,最终确定了 结构造型,以旋转、不对称造型使风荷载降低了24%,有效提高了结构安全性。
2.3 如何合并风压分区
一般情况下,大部分的幕墙设计师及结构计算师对每个风压区都进行单独的设计和计算,如果一个简单普通建筑(200米以下)的风压分区只有2~3个的情况下,或许可以,但对于200米、400米、甚至600米以上的超高层建筑幕墙来说,通常《**工程风洞实验报告》会有几百页,同一类型的幕墙至少要有十几个甚至几十个风压分区的时候,那么就会给设计师们带来极大的困惑和麻烦,那么就需要根据实际情况进行合并风压分区到3个左右。在合并过程中要充分考虑工程组织、设计难度、生产管理、加工效率、组装效率、运输难易、安装难度等等环节综合分析成本的情况下,主要使用以下两种模式进行分区合并:
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