预应力双向单层拉索幕墙技术在建筑外饰设计上的应用

程玉英

上海竹园工程管理有限公司 上海 200127

随着现代建筑技术的不断发展，建筑的美观性也越来越受到人们的青睐，幕墙在建筑工程中的应用也越来越广泛。玻璃幕墙的结构形式也由单一的框架式向多元化发展，出现了肋玻结构形式、钢桁架结构形式、网架结构形式、索桁架结构形式等等。而其中以预应力拉索或拉杆作为支撑结构的玻璃幕墙，以其简洁、通透的特点在国内外得到了广泛的应用[1]。

单层拉索幕墙是点支式玻璃幕墙体系的一种重要类型，可分为单向索网和双向索网。预应力双向单层拉索幕墙由竖向受力索和横向稳定索组成，对于玻璃幕墙来说，是一种全新的受力体系。

单层拉索幕墙结构以其自身的柔性大、质量轻、阻尼小、自振频率低[2]等特点开始不断地被应用于实际当中，代表着大尺度幕墙结构的发展趋势[3]。本文介绍了上海国际金融中心项目大面积采用的拉索幕墙系统，供其他类似项目参考。

1 项目概况

上海国际金融中心项目（下称“国金项目”）位于浦东新区竹园公园商贸区内，项目主体建筑包括3栋超高办公楼及连通3栋塔楼的廊桥。

外幕墙采用预应力双向单层拉索幕墙，立面效果晶莹剔透（图1）。拉索幕墙总体量约为26 000 m2，主要位于各塔楼立面的中间部位。国金项目3栋塔楼拉索幕墙的水平宽度均为24 m。高度方向分低区和高区：低区均为40.0 m；高区则根据塔楼高度的不同而不同，最高达117.5 m，创目前行业内预应力双向单层拉索幕墙之最。

图1 上海国际金融中心项目

2 预应力双向单层拉索幕墙的结构形式和特点

本工程中拉索幕墙结构采用预应力拉紧索网以组成稳定的表面系统，主要的支承结构体系为施加预应力后的正交布置拉索。

拉索固定于两侧钢立柱和上下结构梁上，形成在外荷载作用下具有必要刚度和形状稳定的结构。通过对柔性的拉索施加预应力，使预应力和内力在体系内实现自平衡，克服了单索刚度低、稳定性差、非对称荷载作用下变形比较大的缺点。

幕墙表面材料选用10 mm＋1.52 SGP＋10 mm＋16 Ar＋10 mm＋1.52 PVB＋10 mm的全钢化中空双夹胶Low-E超白玻璃。玻璃外侧比内侧能抵挡更大风压，外侧夹胶玻璃采用高性能SGP夹胶片用于提高承载力。采用均质热浸处理技术，降低玻璃的自爆率。玻璃中空腔体内充入氩气，提高热工效能。

采用夹持式无孔点支承玻璃幕墙体系（图2），驳接件（包括夹具和夹边式驳接头）通过玻璃间的缝隙夹持玻璃，利用摩擦力传递荷载。在玻璃板和驳接件间设置橡胶垫片，保证节点处能发生一定程度的转动，且防止玻璃与驳接件的金属件直接接触造成玻璃的破损。采用该幕墙体系的建筑通透性好，可以避免采用点爪式夹具时，在玻璃上面钻孔引起的漏气、破坏Low-E膜、影响美观等一系列问题。

图2 无孔点支撑玻璃幕墙的固定效果

3 预应力双向单层拉索幕墙的设计要点

本工程中拉索幕墙系统的设计主要涉及拉索幕墙结构荷载的取值、索网受力模式及拉索截面的确定、拉索幕墙系统中开启窗和门的构造设计、拉索固定后的微调等方面，具体分析如下。

3.1 拉索幕墙结构荷载取值

拉索幕墙设计的首要工作是结构计算，基础为荷载取值原则。由于国内没有专门的拉索幕墙规范可以参照，因此，在确定风荷载的计算值时，综合了GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》、JGJ 257—2012《索结构技术规程》和项目风洞测试报告，并从安全方面考虑，取其三者中的较大值。

3.2 索网受力模式确定

根据洞口水平向为短边、竖直向为长边，且洞口水平宽度尺寸远小于垂直高度距离的情况，采用横向短边承受风荷载、竖向长索承受重力的受力模式。拉索上下间距2.5 m，大多数层高5 m，一个楼层有2根水平拉索。由于采用短边受力，跨度较小，因此可以大幅度减少预应力，减小主索截面，达到既经济合理又轻巧美观的效果[4-6]。

3.3 拉索截面确定

确定索网受力模式后，根据荷载情况和边界条件确定基础性力学数据，通过允许变形值计算出预应力，得出轴拉力后，反推拉索截面的大小。

拉索的材质采用高钒碳钢，与传统不锈钢材质相比，其破断力大为提高，拉索的直径可降低20%左右。

借助Strand7软件进行拉索截面计算，得到可满足要求的下列结果：横向采用φ55 mm高强度（破断拉力为3075 kN）的高钒碳钢拉索，实际取值为φ59 mm；竖向分别采用φ28 mm（高区，破断拉力为713 kN）和φ20 mm（低区）的高钒碳钢拉索。

3.4 索网变形问题处理

3.4.1 重力引起的索网变形问题

在设计构造上，为抵消一部分由重力产生的变形，拉索顶部水平主体结构钢梁在加工时进行局部起拱处理，待拉索幕墙全部安装完成后，加载的玻璃重力与梁的起拱变形相抵消，解决了夹具在高度方向的变形公差问题。

3.4.2 索网张拉完成后的松弛问题

国金项目拉索的一端增加直径154 mm、长度400 mm左右的调节端，通过调节端螺纹的旋进或旋出实现微调（图3），消除张拉完成后索网的微量松弛位移。调节端的零件需要设计到极限小，以减小对整个拉索幕墙通透效果的影响，调节端最终固定于两端的钢立柱或主体结构上。

图3 带调节端的索头

本项目若不设调节端，虽立面效果会更通透，但对施工、安装的要求更高，需一次精准到位，且安装完成后，一旦主体结构有微量变形，只能重新张拉索网，否则将造成拉索松弛、变形过大而使玻璃面板之间产生挤压破碎的后果。因此，调节端的设置是非常有必要的[7-8]。

3.5 拉索幕墙中开启窗和门的实现

由于拉索幕墙结构支撑件少，构造难度较高，故通常情况下不设开启窗和门。本项目通过特制的钢质转接件，实现了在拉索幕墙上连续可开启窗和门的设置。

3.5.1 拉索幕墙中开启窗的构造设计

1）开启窗框的固定。国金项目拉索幕墙设计中有大量整排开启窗（图4），垂直向有6樘连续开启窗，窗高约800 mm；水平向为14樘，宽度约1 500 mm。开启窗框采用铝框，构造上无法实现与拉索之间的直接固定。本项目在开窗部位截断竖向拉索，把每段厚20 mm、长约2.5 m的2块钢板竖向依次固定于垂直方向拉索上。采用特制钢质转接头，一端连接竖向拉索索头，另一端夹住钢板。开启窗框转接件与钢板之间用螺丝或焊接固定（图5），解决了开启窗框的支撑固定问题。

图4 拉索幕墙开启窗效果

图5 拉索幕墙开启窗构造大样

2）索网与窗框的同步变形。竖向连续开启窗跨越横索的部位，需解决开启窗框与横索的同步变形问题。用特制钢转接件通过φ35 mm销轴分别与上、下端窗框钢板连接，把固定横索的索夹固定于转接件上，确保转接件与横索相对转动，保持窗边的横索在24 m跨度内连续不间断，实现开启窗框与横索、竖索之间的同步变形，确保了拉索幕墙的整体安全性和水密性。同时考虑到窗扇位于高处，只能借助设备采用自动开窗的形式。

3.5.2 拉索幕墙中门的构造设计

1）首层旋转门和平开门的构造设计。国金项目拉索幕墙落地，首层主入口处需设门。首层以旋转门和平开门为主。拉索幕墙的变形位移量约为100 mm，经常启闭的门误差最多为2 mm，所以拉索幕墙不能与门直接相连接。采用在门上端增加大钢梁，把拉索和门分为上下2个独立的系统，分别解决拉索和门的构造及变形差异问题。在旋转门顶部增加大钢梁，梁上端用于固定拉索，下端用于固定门框或地弹簧天地门轴，以此来解决首层所有门及门框的固定问题。

2）独立单扇门的设计。采用拉索封边铝框与门框之间的相对滑移构造，解决门框和拉索之间的变形不同步问题。高区拉索幕墙的出入口为平衡易推门，即平开门，高约2.5 m、宽约1.5 m，恰为一个玻璃分格。采用厚20 mm、宽550 mm的钢板组成门框，镶嵌于拉索幕墙的一个分格单元内。门框顶部拉索夹具固定住铝合金边框，边框与门框之间采用2道密封胶条封闭，确保拉索幕墙与门框之间能相对伸缩且位移量大于100 mm。门框与底部主体结构之间单独固定，与索网完全脱离，索网的变形不受门框的影响，门框兼有雨棚功能。

4 结语

上海国际金融中心项目拉索幕墙的结构索网体系由正交单层索组成，具有稳定性好、变形小等优点，实现了拉索幕墙上连续可开启窗和门的设置，其外观更加通透、简洁，深受建筑师的青睐。预应力双向单层拉索幕墙的使用，使得像国金项目这种大空间、大跨度的高难度拉索幕墙得以实现并成为建筑艺术佳品，具有广阔的应用前景。