水晶状钢结构与幕墙组合造型的设计与施工

中建三局股份有限公司（沪） 上海 200129

1 工程概况

芜湖金融服务区位于芜湖市鸠江区，占地面积11 万m2，总建筑面积47 万m2，工程地下2 层，地下建筑面积为16 万m2，地上共10 个单体，项目环境设计1 条长达1 000 m水系贯穿项目。项目中心位置设计为水晶状钢结构与幕墙组合造型，项目寓意为“水晶之城”。

“水晶状”建筑建筑面积为3 900 m2，建筑层数为2层，采用核心为钢筋混凝土结构，外围采用钢结构作为骨架，幕墙作为装饰面层（图1）。钢结构位于水晶棱角位置，深化、加工难度大，节点多、复杂，精度要求高，单构件质量达到10 t，无一构件可以单独承受自身荷载。作为幕墙龙骨用的钢片规格为35 mm×420 mm×18 000 mm，刚度差，吊装难度大。外幕墙为点抓式幕墙，驳接爪焊接在固定于钢结构的钢片上，玻璃均为异型高透钢化夹胶中空玻璃，幕墙龙骨为420 mm×350 mm钢片，下料及制作均存在较大难度（图2）。

2 钢结构设计

2.1 钢结构底部斜钢柱与基础连接

钢结构基础与混凝土连接位置承受巨大剪力，底部按照图3做法设置抗剪件，预埋后二次灌注C50早强无收缩自流淌混凝土。

图1 水晶状建筑钢结构与幕墙龙骨立面布置

图2 环梁处钢结构与幕墙连接剖面

图3 斜钢柱与基础连接

2.2 钢结构与环梁连接

钢结构梁与柱交接处均为空间斜向交汇，受力复杂，若采用铸钢节点将需重新开模，深化时根据梁、柱受力分析情况，于受力较小的位置进行分解，节点单独制作（图4）。

图4 钢结构与环梁连接

图5 顶部汇交节点

2.3 顶部汇交节点

顶部汇交位置为水晶状8 根棱角交汇位置，受力复杂，若采用铸钢节点将需重新开模，深化时经过反复受力分析，采用图5节点做法进行处理。

3 幕墙设计

（a）上下幕墙龙骨所在的平面（即龙骨的两侧面所在的平面）均为铅垂面，龙骨中轴线与玻璃的径向划分线在水平面上投影重合。幕墙龙骨上下表面（即横截面短边所在面）均与对应的外包玻璃面平行，上下表面间距为420 mm，龙骨上（外）表面及腋角与环梁的交线应与环梁棱线重合。

（b）幕墙上下龙骨与环梁相交节点处在龙骨的内侧设加腋，上下龙骨的腋角内边线均与环梁内侧棱线相交、并呈铅垂线。幕墙龙骨与环梁相交处的节点样式（图6）。

（c）幕墙龙骨横向稳定索布置应按图7原则。依据玻璃分割线、在点爪支点位置，隔一拉一（包括上下铰支座处），每处分别设置上下2 道拉索。每根拉索与龙骨相交处在龙骨侧面开Φ20 mm的圆形孔，孔中心距龙骨上（下）边50 mm，孔中心线应顺着拉索方向。由于拉索与环梁平行（即均为水平线），而龙骨（除每个玻璃面正中对称轴处外）与拉索均存在夹角（并非正交），因此在不同的龙骨上，拉索穿孔的中心线方向与龙骨的夹角也不同（同一龙骨上的各孔夹角相同）。

（d）幕墙龙骨横向稳定索（采用不锈钢拉索）在每个幕墙侧面上连续穿越龙骨，索两端通过配套索具固定在主钢构斜柱上，幕墙玻璃安装前应将拉索张紧（张紧力保证拉索绷直即可，不宜过大），同时拉索与龙骨交点处在龙骨两侧应采用专用配套圆形夹片加紧，夹片提供的锁固力应不小于拉索的设计强度（图7）。

图6 相交节点

图7 横向稳定索布置

4 钢结构安装[1-6]

地下室顶板结构施工时，首先进行斜柱螺栓预埋，然后进行底座、抗剪件预埋，要求精度控制在10 mm以内。大环梁底部幕墙龙骨与地下室顶板采用销轴连接，亦先进行预埋件施工。

上述钢结构为异形钢结构，单个构件无法承受自身重量，所有构件通过焊接连成整体后方能承受自重。混凝土结构完成后，实际吊装过程中采用逆作法，即首先进行钻石顶面汇交节点的定位、吊装，逐步完成顶面小环梁与汇交节点的焊接工作，然后由上往下完成斜梁、大环梁及斜柱吊装工作。斜柱与底座焊接完成后需采取一定支撑或拉结措施，确保斜柱稳定。

5 幕墙安装

钢结构吊装完成，采用汽车吊首先进行大环梁底部幕墙龙骨吊装，龙骨底部预埋件进行铰接，顶面与大环梁焊接，然后进行大环梁与小环梁间幕墙龙骨吊装，小环梁与顶部汇交节点间幕墙龙骨可随时进行吊装。由于幕墙龙骨为钢片，部分长度达18 m，侧向刚度低，吊装过程中应注意钢片弯曲变形。

6 设计及施工注意事项

6.1 钢结构基座抗水平向剪力

底部钢结构柱为斜柱，埋件将承受来自斜柱水平向剪力作用，设计中应考虑增设抗剪件；为了加强抗剪件与混凝土结构的有效粘结，现场螺栓、埋件与混凝土结构一次成型，此做法应加强埋件定位、放线。

6.2 大环梁起拱为设计、施工难点

实施过程中，设计考虑钢结构质量、钢片质量及幕墙玻璃荷载进行了计算，要求起拱80 mm。施工时，严格控制吊装顺序进行对称吊装，钢结构吊装完成后起拱值回落50 mm，其中西北面最后吊装的1 根环梁起拱值回落仅30 mm，施工时通过预加载沙袋将起拱值回落到50 mm。玻璃安装完成后通过观测，发现环梁已基本呈水平状。

6.3 防止钢片弯曲变形

由于钢片达18 m，钢片厚为36 mm，单根钢片质量达到2 t，初始吊装时，仅考虑采用钢丝绳拴住钢片中间两点进行吊装。由于钢片两头悬挑太大，钢片就位后变形过大，无法确保两端定位，后采用方钢作为扁担，使得吊点距离端部仅3 m，解决了上述难题。

7 结语

通过对该工程的设计方案及施工方法的反复核算，解决了异型钢结构受力问题，解决了钢结构吊装可能带来的变形问题，解决了异型钢结构与幕墙结构的结合问题，达到了建筑设计的“晶莹透亮”效果，为未来建设发展积累了一定经验。