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提要：本文以贵阳人民广场玻璃金字塔和在两个玻璃金字塔之间的玻璃梁(肋)支承全玻璃采光顶为例介绍一下玻璃金字塔和玻璃支承结构在设计与施工中的一些技巧和体会。 在文章中同时又以探求的方式揭示和介绍了古代金字塔中那些最神秘和有着超能力的原因所在。介绍了怎样形成的最稳定的角，也就是人们把它称为“自然塌落现象的极限角和稳定角”在建筑外围护上的实际应用过程和效果。并用实际例子进行了解析。
关键词：玻璃金字塔，玻璃结构设计与应用，柔性空间索(杆)结构。
1、引言
随着空间索结构设计与施工技术的发展，许多新思想、新技术、新材料和新工艺被开发出来，并成功应用到建筑外围护的设计和建造上。从而使建筑幕墙、玻璃采光顶以及由建筑玻璃为载体的各种大型,有着强烈艺术感染力的造型体，在近年来获得飞速的发展。这些技术给建筑设计师们提供了有着很高现代技术含量的艺术表现手段。在建筑艺术的塑造上得到了广泛的应用。
作为不断发展中的前沿建筑技术，索结构是一种较活跃的结构类型。工程师们充分发挥钢材（词条“钢材”由行业大百科提供）抗拉性能好的特性，利用包括钢棒、扁钢、高强度冷拉钢丝编织而成的钢索等材料，布置出空间张拉结构体系。特别是具有较高抗腐蚀、装饰性的不锈钢材料解决了人们不同的需要，根据在不同空间形态下表现出各种迥异的结构艺术特点。
点支承玻璃连接技术，因安全可靠的连接构造早已广泛应用于各类建筑之中。已从刚架、桁架、网架、玻璃肋等刚性支承体系，发展到基于预应力张拉技术的柔性支承体系。柔性结构体系与点支式玻璃结合使用，将二者轻盈、通透的共性发挥到极致。使建筑内外空间自然和谐的融为一体。
实际工程中柔性空间索结构体系与点支式玻璃面板结合早已得到应用并取得了理想的效果。我们于二十世纪九十年代年就在国内开始了探索性的应用。采用这种技术建造大型玻璃金字塔，取得了极大的成功。本文就以贵阳人民广场玻璃金字塔为例介绍一下玻璃金字塔在设计与施工中的一些技巧和体会。
2、玻璃金字塔项目概况
在1999年三月，以“花开新世纪”为主题的贵州省贵阳市人民广场北广场改扩建工程动工。在同年10月1日广场全部建成。人民广场占地面积约4.6万平方米，设置了直径为20米的花坛钟、音乐喷泉、两个大型蓝色透明玻璃金字塔，和金字塔之间的双坡式玻璃结构支承的玻璃采光顶以及大彩色屏幕和升旗台。(如图1.1)
音乐喷泉设置在玻璃金字塔的周围和两个玻璃金字塔之间的双坡玻璃采光顶两侧的水池內;在两个玻璃金字塔和音乐喷泉的下面，是一个大型的地下商场。2004年沃尔玛进驻贵阳后在这里开设了购物广场。两个玻璃金字塔作为进出购物广场的通道口。
从1999年10月1日建成，一直到2011年12月，这十年间的贵阳人民广场一直都是当地市民欢度节日和购物休闲的集中地。由于城市迅猛的发展到2011年底，贵阳人民广场改为贵阳市筑城广场。对原有的建筑进行了拆除改造。至此，这两座31米高的玻璃金字塔连同她们之间的全玻璃结构采光顶光荣的完成了她们的使命。(如图2.1.、2.2)
3、玻璃金字塔营造技术
金字塔的形象，千百年来被人们所熟知，引起无数人的惊叹。古代世界七大奇迹中，其他六大迹都已毁损，惟有代表着古代文明灿烂成就的金字塔依然屹立在大地之上。
3.1 破解金字塔稳定之谜
金字塔作为一种建筑形式，以它那神秘的信息和古朴的外形给我们留下了深刻的印象，特别是他历经5000年而不倒。无论遇到多大的自然力和无数风雨的侵蚀，至今还能展示出当年的风姿。这不得不让人们产生一些联想。为什么与她同一时期的建筑和城池都已灰飞烟灭了，只有金字塔岿然傲立。其中的奥秘是什么呢? 比如埃及的胡夫金字塔、墨西哥的库库尔坎金字塔、尼罗河下游散布周约80多座大小不一的金字塔，以及分布在世界各地的千年以上，各式金字塔是不是有一种神秘的力量在支撑着他们?(如图3.1a、b)我对此进入了深思和探求。这是我在当年设计建造贵阳人民广场玻璃金字塔时，在对金字塔的斜面玻璃和支承结构的各种角度的确定过程中一直在思考的事儿。
3.1.1在金字塔中有着超能力的神秘角度
我们来做一个实验：把一定数量干燥的米、沙、碎石子或其它小颗粒形状的物体,分别从上向下慢慢的倾倒, 不久就会形成三个圆锥体。尽管它们质量不同，小颗粒的形状各异，但倾倒后所形成的圆锥体形状却非常相似。不管倒出多少沙子，与水平地面所形成的圆锥体，地面与侧线的角度也都是是51度50分零9秒。这种自然形成的角是最稳定的角，人们把它称为“自然塌落现象的极限角和稳定角”。
3.1.2 在埃及的胡夫大金字塔内极限角的应用
有研究证明：埃及的胡夫大金字塔正好是5l度50分9秒，这说明它就是按照这种“极限角和稳定角”来建造的。 沙漠的风是暴历的，由于金字塔独特的造型把风的破坏力化解到最小程度。人们知道磁力线的偏向作用可以使地面建筑，甚至高山崩溃，而这座金字塔塔基正好处干磁力线中心，它随着磁力线的运动而运动，随着地球的运动而运动，因此它所承受的振幅极其微弱，地震对它的影响也就不大了。 近52度“角”、方锥体的“形”与磁力线同步运动的“位”是金字塔稳定之谜。(如图3.1.2a、b)
胡夫金字塔的数据：斜坡对地面51度50分09秒; 三角形本身底部角度：58度17分15秒。 只要按照这个角度，制作的模型无论底边是多长都可以。 模型的底部一定是正方形的，不过你有四个三角形后，这个底部也可以不用实际制作，4个底角为58度17分15秒的等腰三角形围起来一定是个标准金字塔的形状。
在资料中了解到古人已经做出了样板，剩下的就是按照这些具有超能力和神秘力量的角度和比例用现代的高科技手段和材料建造我们的玻璃金字塔。
3.2 空间索杆结构支承玻璃金字塔在设计过程中要考虑的问题
随着我国幕墙技术的发展，预应力索(杆)结构作为玻璃幕墙、采光顶、各种穹顶的支承系统早已在建筑上得到了广泛的应用。在现在建筑中，鱼腹式双层索系玻璃幕墙、自平衡索桁架等玻璃幕墙、单层索网玻璃幕墙、单向单索结构玻璃幕墙等柔性支承体系的玻璃幕墙已不再凤毛麟角。在今年9月份的空间结构技术交流会上，北工大的薛素铎团队又公布可以抗连续倒塌的新型无内环索结构体系进一步丰富了柔性结构体系。对于建筑师和幕墙工程师来说，索结构支承体系的玻璃幕墙已经成为常见的幕墙形式。同时在国家标准和工程技术规范中已对索结构幕墙有了严格、详细的技术规定。对于幕墙企业来说对此类幕墙的设计与施工技术也已日趋成熟。不过，在二十年前用拉杆系统作为玻璃幕墙的支承结构还是最前沿的技术。
3.2.1 钢桁架作为主体支撑结构
在玻璃金字塔的结构设计时，我们在每个玻璃金字塔的四个角部设置了大型钢桁架。以此来作为金字塔上四个三角形玻璃平面内，预应力空间拉杆结构的边缘支点;同时在每榀钢桁架的中间段又布置了两个抗弯曲支点，用以保证金字塔主体结构在预应力拉杆系统侧向作用力下的稳定性。(如图3.2.1a、3.2.1b)
在主体结构的设计中，考虑到环境、温度、地震力以及预应力索杆结构的内力变化、地下商场空间震动等工况对主体结构稳定性的影响，我们将金字塔斜面四个三角形的底边结构整体进行连接。并将底部的四个支点之一作为固接点，其它三个固定点作为可滑移支座。采用这种构造方法来确保这座大型玻璃金字塔在工作状态下的安全可靠性。(如图3.2.1c、d)
3.2.2 索(杆)桁架支承体系的布置
对于玻璃金字塔的结构体系布设，在当时是没有参考资料的，只有一张来自法国卢浮宫的玻璃金字塔照片。只能看到外形，无法了解其内部索结构的布设情况。
我们根据金字塔的体型，并分析了金字塔在的各种工作状态时承受荷载的工况结合预应力索(杆)结构受力特点，布置了预应力索(杆)桁架支承体系。并按1/200确定了在承受风荷载时的最大变形量。(如图3.2.2a、b)
3.2.3 预应力拉杆桁架点支承玻璃金字塔的节点（词条“节点”由行业大百科提供）设计
在预应力拉杆桁架点支承玻璃金字塔的节点设计时，我们根据其受力的需要开发研制了不等长星型不锈钢爪件。在菱形玻璃的钝角边支点处设计了长孔，在锐角边设计了大圆孔。彻底解决了玻璃面板在自重、温度荷载、风荷载等作用时适应变性能力的难题。在国内首次使用在实际工程中。
每根不锈钢拉杆的两端连接处，采用了正反螺纹预紧方案。用索接头与悬空杆件上的耳板进行连接。这个方案同时解决了拉杆各种不同方向的需要和对拉杆形成的桁架施加预应力的需要。(如图3.2.3a、b)
3.2.4 玻璃金字塔菱形玻璃面板的设计
玻璃金字塔菱形玻璃面板的设计是按照埃及胡夫金字塔的神秘角度的数据：斜坡对地面51度50分09秒;本身底部角度：58度17分15秒。金字塔底部一是一个边长为49.2米正方形的，四个等腰三角形的玻璃面，每个三角形底角均为58度17分15秒。
我们在玻璃金字塔的每个大面上按一定的模数分成六个正菱形区域，同时在这个面上的下方还有四个等腰三角形。 在每个菱形区域内有36片菱形玻璃组成，每片菱形玻璃的对角线都为长3.1米、宽1.9米;在每片玻璃的角上设计了与不锈钢驳接系统连接的安装孔。玻璃采用了钢化夹胶玻璃，并在夹胶膜中增加了一层0.38厚的天蓝蓝绿色胶片，使得整个玻璃金字塔呈现出蓝绿色。(如图3.2.4a、b)
在金字塔最顶部的玻璃设计时，增加了顶部的不锈钢金属造型板，使其与避雷接闪器连接确保金字塔的防雷性能。
3.3 空间索杆结构支承玻璃金字塔的施工技术
当年，在玻璃金字塔的施工过程中，我们也是没有任何可借鉴的方案，特别是四根主支撑钢结构的空中对接，在保证其可靠连接相互支撑的同时还要确保尺寸定位精度，一旦有大的偏差，将无法进行后续的施工。我们采用了大型汽车吊将四根主支撑钢结构同时吊装。在对安装的部位进行了精密测量后做了临时辅助支撑，利用辅助工装设备将所有支撑钢结构调整安装到位;同时按设计要求，结合测量比例进行放线、描点，确定边缘尺寸控制基准。对全部索(杆)桁架的边缘支点做精确定位之后，进行耳板的焊接。受力耳板的焊接采用了一级焊缝。在完成全部结构的精度校核后，开始对索桁架进行试安装，索(杆)桁架的安装和调整是在四个面同时进行的。
由于工期很紧材料供应不上。特别是不锈钢拉杆材料，要求精度高用量大，严重影响了进度。项目部就将车床铣床等加工设备进驻现场，就在施工现场进行加工制作。同时进行安装，不分昼夜连续施工。这个场面一直都印在我的脑海中。
当拉杆内力调整到位后，不锈钢连接系统开始安装，最后进行玻璃安装。又由于施工现场所限，全部玻璃都采取了由人工进行二次转运和安装的方案;在金字塔的四周搭起了环形脚手架。从最上部逐步向下进行安装，最后对四个转角和底边的三角玻璃做收口安装。在1999年的十一国庆节的前两天完成了全部玻璃金字塔的安装。
3.4 玻璃梁(肋)支撑双坡全玻璃采光顶的设计施工
在贵阳人民广场的两个玻璃金字塔之间，音乐喷泉的水池内，有两个宽六米，长58米的双坡全玻璃采光顶;她是广场下面大型地下商场的玻璃采光顶。这个采光顶采用了玻璃肋支撑的结构形式，是国内最早采用玻璃材料作为结构支撑构件的项目。(如图3.4a、b)
玻璃材料作为采光顶主要支承构件，其关键技术在于玻璃与边缘支撑结构、玻璃梁与顶面玻璃之间、两侧玻璃梁之间的连接方案。确保在玻璃采光顶的安装和工作状态下不在连接点处产生起应力集中的现象，防止在受力过程中引起玻璃的挤压破裂;
由于玻璃是标准的脆性材料，在受到各种荷载的作用下，如何对支撑点进行有效的保护，这是设计与施工过程中的关键所在。这座宽六米、长58米、拱高0.8米的双坡全玻璃采光顶的连接件全部采用了不锈钢连接系统。其与边部墙体的连接固定也采用了不锈钢基座。确保在使用过程中，不由于金属的腐蚀而引起局部应力集中的现象。
我们在面玻璃安装之前，先对全部玻璃梁(肋)做整体连接。并在现场对玻璃结构做了1：1的实体配重检测试验。在这个项目上也趟出了一条用玻璃作为支撑结构的经验。为采用玻璃材料做外围护支撑结构的的研究打下了基础。
4、 结束语
近年来，由于建筑技术的发展和建筑形式的多样化，各种新技术、新工艺、新材料在建筑外围护上得到广泛的应用。特别是作为不断发展中的前沿建筑结构技术，索结构是一种较活跃的结构类型。在今年的空间结构技术交流会上，又公布了一项可以抗连续倒塌的新型“无内环索结构系统”进一步丰富了柔性结构体系。对于建筑师和幕墙工程师来说，索结构支承体系的外围护结构（词条“围护结构”由行业大百科提供）已经成为常见的形式。对于幕墙行业来说对此类幕墙的设计与施工技术也已日趋成熟。
以玻璃这种脆性材料作为支撑构件，是近年来才在建筑外围护结构中有所应用。以苹果店为代表的全玻璃建筑引起了建筑师和幕墙设计师的关注。据了解，有关科研单位已经对玻璃结构在建筑中的应用做了大量的研究。《玻璃结构应用技术规程》也已经基本成稿，这将对玻璃幕墙行业产生重大的影响。为幕墙设计师们提供了有力的武器。
本文中所介绍的内容和设计方案都是我在当年方案设计和工程实践中的一点经验总结，如果能给建筑外围护体系设计的同仁们提供一些有益的启发也就深感欣慰了。
参考文献
[1] 《施工图、设计说明书》，贵阳人民广场玻璃金字塔项目，1999.3
[2] 《索结构技术规程》JGJ 257-2012，行业标准，2012.8
[3] 王德勤（词条“王德勤”由行业大百科提供），点支式玻璃采光顶应用技术探讨，《2010年全国铝门窗幕墙行业论文集》,
[4] 王德勤，单索结构玻璃幕墙的安全保障系统解析，《幕墙设计》2018，第二期
作者单位：北京德宏幕墙工程技术科研中心
