超高层大跨度建筑幕墙分析
时间：2020-12-27 00:01:36 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
【摘要】本文介绍的上海东亚银行金融大厦的空中花园工程，采用了大跨度的“预应力拉索+小钢梁”的结构体系作为外立面单元式玻璃幕墙的支承体系，规避了在超高层建筑上单独使用预应力张拉支承体系存在的安全风险，又大幅度地降低了幕墙支承结构的构件尺寸，最终实现了幕墙的建筑外观与结构安全之间的圆满结合。
【关键词】预应力体系；单元幕墙
1.前言
上海东亚银行金融大厦，原名上海高宝金融大厦，所在地位于浦东新区银城西路与花园石桥路的拐角处，即陆家嘴金融中心X3-1地块，建筑物外立面采用玻璃幕墙，总高度198m，标准层平面近似为“H”形，东西两侧为办公用房，东侧32层，西侧40层，中间部分主要为通道、楼梯、电梯间及设备间（图1）。
大楼在中间部位开辟了三处跨层的空中花园，分别位于：
a.空中花园第一避难层 至 17层；层数：共4层；标高：60.900m～77.700m；立面上下跨度：16.8m；立面水平跨度：约14.9m。
b.空中花园第二避难层 至 31层；层
数：共3层；标高：128.100m～140.700m；
立面上下跨度：12.6m；立面水平跨度：
约14.2m。
c.空中花园40层 至 屋面层；层数：共2层；标高：174.300m～183.700m；立面上下跨度：9.4m；立面水平跨度：
约13.7m。
本工程外立面形式较为规整，采用单元式玻璃幕墙系统。空中花园区域为跨层的共享空间，单元幕墙板块不能直接安装在中间楼层的土建结构之上，需要专门设计出大跨度的支承体系，在满足建筑效果要求的同时，又能为超高层的单元玻璃幕墙提供结构支承。
2.设计条件
三处空中花园建筑形式类似，我们以位于第一避难层至17层的“空中花园-1”为例进行分析。
该处空中花园的幕墙面为一内倾的斜面，倾斜角度3.9°，结构洞口尺寸为16.9m×15.8m（宽×高），是三处空中花园中最大的洞口，洞口上边与下边均为钢结构梁与楼板结构，左右两侧有主体结构混凝土框架梁。
空中花园的建筑外立面要求与标准楼层外观一致，包括玻璃种类、幕墙分格、细部外观等均不可出现变化。室内部分由于共享空间的进出尺寸十分有限，建筑要求幕墙应尽量弱化自身支承体系的视觉尺寸，且不可有构件与15F、16F、17F的边部结构进行连接，从而使空中花园在视觉上尽可能通透。
同时，由于此大跨度幕墙的高度较高，且为内倾斜面，相比一般的竖直立面幕墙而言，设计中对抗风压性能、防雨水渗漏性能、平面内变形性能、防松脱构造等方面，提出了更高的要求。
3.方案选型
空中花园的内倾玻璃幕墙，因其位于本项目的高层区域，且四周与其相接的幕墙均为单元式玻璃幕墙系统，在建筑外立面外观一致的条件下，如在此处采用框架式玻璃幕墙系统，不但框架系统自身在内倾条件下的防雨水渗漏性能较弱，还需要在洞口四周增设与周边单元式幕墙系统之间的交接构造，从而使此区域的雨水渗漏风险大大增加；同时，由于框架式玻璃幕墙是在现场完成幕墙零件的组装和施工，增大了超高层建筑幕墙的施工难度和安全风险，并且在此区域容易导致其它大面积单元幕墙整体施工进度的瓶颈。综合权衡之下，我们选择了与周边幕墙一致的单元式玻璃幕墙系统作为空中花园外立面幕墙形式的首选。
在确立外立面幕墙系统形式之后，设计的重点就是如何对幕墙的支承体系进行选型，由于支承体系不能与中间楼层结构进行连接，只能选择使用大跨度的结构形式进行支承，可有如下三种选型方向。
3.1 选型方向一：钢立柱+次钢梁体系
以钢立柱为主受力构件，考虑到玻璃幕墙水平分格尺寸较小（1500mm），钢立柱按每3个分格（4500mm）设置，每层设置横向钢梁，玻璃幕墙单元板块安装于钢梁之上。
3.2 选型方向二：钢桁架+次钢梁体系
以竖向钢桁架为主受力构件，钢桁架按每3个分格（4500mm）设置，每层设置横向钢梁，玻璃幕墙单元板块安装于钢梁之上。
3.3 选型方向三：钢梁+吊索体系
以横向钢梁为主受力构件，玻璃幕墙单元板块安装于钢梁之上，并按每3个分格（4500mm）设置竖向承重吊索，以解决钢梁稳定性及竖向荷载下的挠度问题。
上述三种支承方案选型，各有优劣，对比如下：
综上比选，采用横向构件作为幕墙支承体系是优选方向，但由于钢横梁的尺寸偏大，影响室内观感，我们将如何减小钢横梁的尺寸，同时又不影响室内建筑效果，作为设计优化的重点，同时，考虑到洞口上下边部结构承载能力较弱，我们最终选择了在钢横梁后侧增设水平的鱼腹形预应力拉索系统，作为幕墙的主受力支承构件，同时减小钢横梁截面尺寸，以满足建筑效果的要求。
4.结构设计
作为在超高层建筑中对单元幕墙板块提供支承的大跨度、大挠度预应力体系，除了需要考虑常规预应力拉索体系的张拉控制、稳定性、温度变形、应力蠕变等各方面的因素之外，同时还需要考虑幕墙平面内变形性能要求，以及大挠度预应力体系对单元板块之间对插构造的影响所引发的安全隐患。
4.1 幕墙结构形式
由于铝合金型材材料长度规格限制，结合建筑层高，幕墙单元板块高度只能按层高4.2m设计，单元板块由工厂制作完成，通过连接件固定安装在钢横梁上。
鋼横梁采用120×120×8方钢管制作，分别安装于15F、16F、17F，钢横梁在对应幕墙分格的位置设置承重拉杆，间隔1500mm布置，此钢横梁-承重拉杆共同形成一个紧贴于幕墙面之后并与之平行的内倾斜面。
每道钢横梁的后部，均设置一道水平的鱼腹形预应力抗风拉索（下简称鱼腹拉索）进行支承，鱼腹拉索跨度16.756m，弦高1.12m。由于幕墙立面为内倾斜面，鱼腹拉索亦设计为与幕墙立面垂直的方向上，采用Φ60×8撑杆与钢横梁连接。
