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提要：本文从实际工程入手，对一种新型的预应力索结构作为玻璃幕墙支承结构的设计、构造技术进行了讨论。对索结构点式玻璃幕墙的承载能力进行分析，特别是对于索结构点支式玻璃建筑造型的预应力形成及部分重要节点处理方案和设计方法、施工要点作了较为详细的分析。揭示了利用水平布设的反向预应力支承索桁架结构与单向单索结构组合形成自由双曲面玻璃幕墙的关键技术要点和自由曲面玻璃面板的冷弯安装技术。
关键词： 北京长安中心、自由曲面玻璃幕墙、空间索结构、冷弯玻璃安装、预应力索桁架结构。
1、引言
预应力索结构点支承玻璃幕墙的设计与施工技术，在近年来获得飞速的发展，在建筑造型和建筑外围护结构上得到了广泛的应用。无所不能的工程师们充分发挥钢材抗拉性能好的特性，利用包括高强碳钢、不锈钢等钢丝编织而成的钢索、钢绞线，布置出预应力空间张拉结构体系。人们根据不同的需要，在不同空间形态下表现出迥异的结构特点。近年来我国的空间索结构技术发展和应用已进入了快车道。新型的柔性结构支承体系在实际工程上的应用越来越多，新的索结构布设形式也不多出现。在近期的空间结构技术交流会上，北工大的薛素铎团队又公布了一种可以抗连续倒塌的新型无内环索结构体系，进一步丰富了索结构家族。
本文所要介绍的是我在2005年完成的一项预应力索结构支承自由曲面玻璃幕墙的探索。是利用水平布设的反向预应力支承索桁架结构与单向单索结构组合形成自由曲面玻璃幕墙。
这项预应力索结构玻璃幕墙技术，已经在实际工程中经历十七年的春、夏、秋、冬和风雨、气候的考验。我在近日看过现场，支承结构和玻璃面板以及连接系统都表现很好，至今效果如初。所以我感到，有必要将这项技术再次介绍给同行们。以便设计师们了解这种新的，已经经历过多年实际考验的、适用于自由曲面玻璃幕墙的支承结构结构形式。
在实际工程中，空间曲面玻璃面板的支承结构系统，除异型钢结构外也可以通过索、杆的空间合理布设，将钢索布置出个性鲜明的造型，形成合理的受力体系。通过点支式玻璃连接系统来支承双曲面玻璃面板，形成建筑造型中理想的自由曲面。
在工业产品的几何形状中，大致可分为两大类：一类是由初等解析曲面，如平面、圆柱面、圆锥面、球面、圆环面等组成，可以用初等解析函数完全清楚地表达全部形状。另一类由自由曲面组成，如汽车车身、飞机机翼和轮船船体等的曲线和曲面，是不能用初等解析函数完全清楚地表达其全部形状。 在现代建筑造型中已经较多的利用建筑幕墙这个理想的载体去展现自由曲面的建筑艺术魅力。所以，研究自由曲面玻璃幕墙的支承系统对于幕墙工程师来说就显得极为重要。
1.1 双曲面玻璃建筑造型概况
北京长安中心位于北京市西城区南闹市口大街，建筑面积为 ，地下三层，地上十四层，檐高 ，结构类型为钢筋混泥土筏板基础，框架剪力墙结构。 双曲面玻璃建筑造型立面是不规则双曲面玻璃与两侧直立面幕墙以及顶部玻璃采光顶组合而成。(如图1.a、b)
该项目是于2005年1月开始进场施工的，从结构安装到玻璃安装经过了五个多月的安装过程，完成了全部安装内容。在此过程中，我们对支承体系中的水平索桁架进行了1：1的荷载试验，对曲面上的单向单索幕墙部分进行了抗风压、气密、水密、平面内变形（词条“变形”由行业大百科提供）等物理性能进行了专项论证，确保其安全性能。该项目经过2005年至今整十七年的使用，性能和状态良好，在此期间该项目经过了春夏秋冬、风雨、冷热等大自然的考验，仍然保持着很好的工作状态。
1.2 双曲面索结构玻璃幕墙结构构造特点
北立面入口两侧各采用一榀36.18m高的空间弯曲三角钢管桁架立柱，在立柱上部架设一榀24m跨度的空间弧形三角钢管桁架横梁（词条“横梁”由行业大百科提供）;从地面往上7.9m布置第一道鱼尾式水平拉索桁架，然后依次每隔6.9m布置三道鱼尾式水平拉索桁架，拉索材质为高强铝包钢绞线;竖向从上至下每隔适当距离布置单根不锈钢拉索。中间贯穿水平拉索桁架;采光顶靠近土建结构处同样布置有一道空间三角钢管桁架横梁以整个幕墙结构自成体系，从而将幕墙结构产生的附加内力消耗在结构自身内部，只将水平风荷载以及竖向自重、地震荷载等传递给主体结构。 可以看出，本方案结构布置合理，传力路径清晰;所用杆件较少，大多为钢索，安全度高、通透性好，索系造型优美，视觉效果好，体现了该工程的新颖性和独创性。(如图1.2a、b)
2、索结构的设计思路
建筑物北立面主入口采用结构形式新颖的大面积大跨度的柔索玻璃幕墙。结构由横向水平布设的反力索桁架与竖向单索以及轻型钢结构组合形成的，能承受幕墙荷载的双曲面索结构。结构标高为36.430，共十一层，在三、五、七、九层布置水平索桁架(如图2-a、b)，其水平跨度为24m。竖向为单向单索支承最大垂直跨度为8m ，幕墙结构的受力特征为竖向单索首先承受水平风荷载，再传递给横向水平钢索桁架，由横向水平钢索桁架交给钢结构，最后传递到地面或者建筑主体结构
对于水平索桁架：三层选用两根同时受力的φ30高强铝包钢绞线，五层选用两根同时受力的φ32高强铝包钢绞线，七层选用两根同时受力的φ34高强铝包钢绞线，九层选用两根同时受力的φ34铝包钢绞线;竖索选用φ22不锈钢钢绞线。
2.1、幕墙结构的受力特征及力的传递途径：
水平荷载作用在玻璃上，通过连接件传递给竖向单索，竖向单索对将水平力传递给水平鱼尾式索桁架上，水平索桁架又通过斜向撑杆和边部节点将水平力传递给建主体结构。(如图2.1)
由于主体结构的每一层楼板只能承担水平力，不能承担竖向荷载，所以我们在顶部钢桁架与主体结构连接处设置了铰接机构，又在每一层楼板与钢结构连接处设置了可竖向滑动机构，使幕墙的竖向力传递到地面。
重力荷载：幕墙自重→索网夹具（词条“夹具”由行业大百科提供）→钢索拉力→ 建筑主体结构→建筑基础→地面
风荷载：风荷载→玻璃面板→索网夹具→幕墙竖向索→水平索桁架→水平斜向撑杆→建筑主体结构→建筑基础
地震荷：地震荷载→玻璃面板→索网夹具→幕墙索网→建筑主体结构→建筑基础→地面
钢索预拉力和温度、施工活荷载： 钢索预拉力→幕墙钢桁架→建筑主体结构→建筑基础→地面
2.2、结构计算
由于本工程的结构新颖独特性，受力、传力较为复杂，我们对支承结构做了整体计算，并对受力和传力的各项节点都进行了计算分析，特别是对连接节点处，大到钢桁架的脚座支点，小到耳板、钢
轴销都全面进行了受力分析和详细的计算，特别是对索桁架和钢桁支承系统采用有限元计算程序Ansys进行整体建模计算的同时又对关键节点处建实体模型，进行受力计算分析，确保本工程的安全性。(如图2.2-a、b)
2.3、节点设计
由于本项工程的外形是采用不规则的双曲面体，支承结构又是不对称的鱼尾式索桁架和竖向单索结构，再加上主体结构只能承担水平荷载不能承受竖向力，这就要求每个节点够造都要适应结构性能的要求，下面介绍几个特殊节点的设计：
2.3.1、索桁架斜向水平撑杆的设计：按着够造的要求，每榀水平索桁架都有两根斜向水平撑杆作为主要承压杆件，将幕墙的大部分水平荷载传递给主体结构，但由于撑杆的轴心线与索桁架的受力索及联系杆的轴心线在一个平面上，必然有相交的问题，我们采取了在撑杆与索杆相交处开孔和局部加强的办法解决了这一够造上的难题。(如图2.3.1-a、b)
2.3.2、在处理竖向三角桁架的底部节点时，充分的考虑到结构的够造要求和美观性在角柱上采用了有造形的铸钢件。(如图2.3.2-a、b)
2.3.3、竖向索的顶部节点比较复杂，由于受力变形的要求钢索与钢桁架的连接节点必须能够在钢索受水平荷载变位时自由转动，同时又要能吸收索材料的轴向长度误差和安装误差。我们在此处安装了球形脚支座和误差调节器。
2.3.4、由于水平索桁架的钢索内力极大，在设计时采用了双索同时受力的方案。为了解决双拉索与杆的在工作状态时能牢固连接又能相对位移，设计了特殊节点(如图2.3.4-a、b、c、d)。
3、主要材料选用
3.1、幕墙玻璃的选用：
玻璃种类采用10(FT)+1.52PVB+8(FT)钢化夹胶玻璃（词条“钢化夹胶玻璃”由行业大百科提供），钢化玻璃均进行二次热处理(均质处)。由于本工程的外立面是由多片平板玻璃（词条“平板玻璃”由行业大百科提供）拼成的一个不规则的双曲面体形，所以每片玻璃的外形尺寸都不一致，玻璃分割的基本尺寸为1710mm×1725mm，我们在下料过程中采用了CAD三维图辅助和现场放样相结合的办法确保每片玻璃的尺寸精度。由于整体立面是双曲形的，用平板玻璃进行折线曲面拟合安装时玻璃必然会有一个角翘起，为了不让翘起部分影响视觉效果，在玻璃分片时尽可能的采用外形尺寸的变化来保证翘起度的一致。
在这项工程的设计和施工中，我们探索了对双曲面玻璃幕墙的曲面面板，采用冷弯变形的安装方案。由于玻璃的冷弯变形安装会使玻璃面板产生一个较大的安装应力(最大的四点不共面翘起量为38mm)。所以我们在面板玻璃的设计时就已充分考虑到，因安装应力给玻璃强度带来的影响。确定了，在板块曲面拟合时用，变形量来控制玻璃表面应力的办法。严格将玻璃的弯曲应力与在工作状态时最大外部荷载所产生的应力叠加后，控制在玻璃的设计的许用强度范围内。在使用中对这部分玻璃面板进行重点观察和监控。为了确保安全，在这部分玻璃的下方设置了水池，防止人员进入。经过十七年的观察玻璃全部完好无损，印证了这种设计与安装方案是安全的。所以这种冷弯玻璃的设计安装方案直到今天才敢给同仁们介绍。(如图3.1、2)
3.2、结构钢材：
由于索结构的支座反力是由边部的钢结构承担的，考虑到结构的安全性和经济性在选材时，大部分钢结构材料的材质为Q235-B，对于主要受力柱和顶部的曲线三角桁架采用了材质为20号钢的厚壁无缝钢管，特别在受力最大的曲线钢管立柱的上半部分采用了壁厚为20mm的无缝钢管，同时又对主要受力点进行了局部加强。
由于边部钢结构支撑桁架是由直径不同的圆形钢管拼接成形的，大部分节点为焊接刚性节点，为保证曲形钢架在成形后安全可靠尺寸精准，对每一个相贯线切口都采用了五轴相贯线切割机自动切割成形保证了相贯对口的准确性和焊口坡度。
3.3、钢索的选用：
竖向钢索采用直径为22.5mm的不锈钢绞线，不锈钢钢丝材质采用304奥氏体不锈钢。类型为1x61，每根钢丝的直径为2.5mm。不锈钢拉索的性能参数要求如下：
弹性模量（词条“弹性模量”由行业大百科提供）：E=(1.3+0.1)X105 MPa
屈服强度：fy=1450 MPa
横向水平拉索采用高强铝包钢绞线。钢索直径24—36mm.类型为1x61,每根钢丝的直径3.78mm，外包铝的厚度不小于钢索直径的10%。铝包钢绞线的性能参数要求如下：
弹性（词条“弹性”由行业大百科提供）模量：E=(1.5±0.1) X105 MPa
屈服强度：fy=1670 Mpa ; 线膨胀系数：α=1.3X10-5
4、水平索桁架的荷载试验
当确定了水平索桁架的基本和体型后，在结构整体计算结果的基础上，为能确保其使用时的安全性，我们采用了1:1的实体水平索桁架作静力荷载试验，将试验结果与计算结果进行对比、分析，最终确定水平索桁架的稳定性和可行性。(如图4.a、b)
结语
点支式玻璃连接技术因安全可靠的连接构造，广泛应用于大跨度建筑（词条“大跨度建筑”由行业大百科提供）空间。其支承体系可灵活布置，并朝着大尺度、轻型化的方向发展。已从刚架、桁架、网架、玻璃肋等刚性支承体系，发展到目前大量使用的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。
本文通过以上几个部分的介绍将这项特殊工程从设计到施工过程中碰到的问题和解决方案作了初步的介绍。由于篇幅的关系在文章中没有对水平索桁架的静力加载试验作过多的介绍。该项目经过2005年至今整十七年使用，性能和状态良好，在此期间该项目经过了春、夏、秋、冬、风雨、冷、热等大自然的考验，仍然保持着很好的工作状态。索结构玻璃幕墙因特性越来越受到建筑师的青睐，但在设计和施工中每项工程都有它的个体性，必须在安全度上严格把关，确保这一新型的幕墙能健康发展。
参考文献
[1] 《索结构技术规程》JGJ 257-2012，行业标准，2012.8
[2] 王德勤（词条“王德勤”由行业大百科提供），索结构玻璃幕墙用索桁架的构造与设计，《建筑技术》,北京 2003
[3] 王德勤，曲面索结构玻璃幕墙承载性能探讨，《幕墙设计》，北京2010
[4] 王德勤，索结构点驳接玻璃用钢索结构形式及材料选用探讨，《铝门窗（词条“门窗”由行业大百科提供）&幕墙》， 2005
[5] 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
