商业建筑幕墙结构设计探究——以上海锦沧文华广场为例

黎志敏

上海金博建筑工程有限公司 上海 201702

作为建筑的外衣，幕墙设计集建筑的美观、适用、节能、安全于一体。幕墙结构设计是幕墙抗风压性能、雨水渗透性能、变形性能及节能性能的重要保证。传统设计方法难以满足幕墙美观与安全的共存，需要运用新技术来满足需要[1]。

锦沧文华楼宇改建项目是商业与办公一体的商业建筑，详细介绍幕墙结构设计中应用的关键技术，可供相关项目参考。

1 工程概括

锦沧文华楼宇改建项目位于南京西路，地处繁华闹市区，建筑高度104.80m，幕墙面积约28000m2。裙楼为商业部分，塔楼为办公部分。主要幕墙系统包括：（1）单元幕墙系统；（2）全玻璃幕墙系统（3）玻璃雨棚系统（4）框架玻璃幕墙系统 （5）石材幕墙系统（6）铝单板系统及百叶系统等。其中，单元系统带竖向大装饰线条，考虑玻璃风荷载、装饰条侧向风荷载、地震荷载及重力荷载的组合作用；大堂全玻璃幕墙在通透的基础上满足了结构安全；铝合金格栅系统不仅考虑了重力荷载、风荷载，还考虑了施工检修、清洗维护荷载，选取了钢铝组合体系。以上为本项目的幕墙结构设计重点及难点，需采用高强材料及合理的受力体系来完成设计。

图1 全景图

2 塔楼单元幕墙系统重点技术

2.1 单元系统介绍

本项目塔楼为单元幕墙系统，单元幕墙具有安装速度快，施工周期短的特点，特别适合其地处繁华地段的项目情况。全系统竖向通长布置装饰线条，最大装饰线条长度达500mm。幕墙龙骨及装饰线条均采取铝合金型材，可以减轻自重。装饰线条通过6061-T6铝合金转接件与单元立柱连接可以保证连接安全。

装饰条属于突出构件，风荷载局部体型系数μsl 取-2.0，从而得出装饰条所受侧向风压标准值为2.263kPa，每根装饰条通过两个转接点与单元公立柱连接，由此可以校核装饰条的应力、刚度及支座反力如下表：

此处的重点设计为装饰条的连接，需要考虑如下几种连接螺栓、连接件局部强度的计算。由于螺栓B受力简明，此处重点对螺栓群A及螺栓群B进行结构分析：

表1 应力、刚度表

图2 螺栓群布置

对螺栓群A进行最不利螺栓受力计算：

螺栓群A：e1=75 mm；e2=75 mm；ep1=154 mm

对螺栓群C进行最不利螺栓受力计算：

螺栓群C：d1=103 mm，d2=56 mm，d3=25 mm；α=62°；ep2=338 mm

侧向荷载对螺栓群弯矩：M=V1×ep2=1.347 kN.m

自重下对螺栓群扭矩：T=G1×ep2=0.493 kN.m

最不利螺栓所受剪力：

为确保螺栓群的连接安全，铝合金连接件选用高强度的6061-T6，其抗拉、抗弯强度达200 MPa，通过计算得最不利截面弯曲强度为146 MPa，满足设计要求[2]。

2.2 单元立柱的设计要点

单元立柱主要承受重力荷载、玻璃面板传递的风荷载、地震荷载及竖向大装饰线条传递的侧向风荷载。为了准确的进行系统分析，侧向荷载作用下，结构采取有限元结构分析软件SAP2000进行整体建模分析计算。取标准层最大板块2.289×4.5m板块进行分析，面板重力荷载考虑1.2 kPa，负风压1.54kPa，地震荷载0.48 kPa 。计算得出正面荷载作用下，单元立柱的内力、变形如下：

下面重点分析侧向荷载作用下的内力计算，结构、加载见下图：

表2 不锈钢螺栓表（A2-70 S/S Bolt）

表3 正面荷载作用下单元立柱内力

图3 模型图

图4 侧向加载图

左龙骨为单元母立柱，右龙骨为公立柱，公母立柱通过挂件与主体结构连接；单元顶底横梁、中横梁与单元立柱均为铰接，两端弯矩释放。竖向装饰线条通过转接件与公立柱连接，在侧向集中力作用下，杆件内力图如下：

图5 弯矩图

图6 剪力图

正面荷载作用下立柱内力最大值出现在跨中，可从内力图中查出跨中位置侧向荷载作用下对应的内力，以便材料的充分利用。经查，公母立柱对应的弯矩分别为0.617kN.m、0.379kN.m。

在侧向荷载标准值作用下，立柱的挠度图如下：

图7 挠度图

结合正面荷载作用下的立柱内力，据刚度分配原则得公母立柱各自所受内力，计算结果如下表：

表4 单元立柱计算结果

单元立柱为穿条隔热型材，选取韧性高、加工后不变形的6063A-T5铝合金，其抗弯强度为135MPa，抗剪强度为75 MPa；单元立柱高度为4500mm，挠度限制取跨度的1/180与20mm之较小值，故满足设计要求。

3 大堂全玻幕墙设计关键技术

3.1 全玻幕墙概括

全玻幕墙有简洁通透的建筑效果，在商业建筑的大厅得到普遍青睐。全玻璃幕墙可分为厨窗式玻璃幕墙与带肋式玻璃幕墙。厨窗式幕墙玻璃面板为上下边支撑，限制了高度不宜超过6m。本项目全玻幕墙高度达9m，玻璃面板最大分格宽度为2.2m，故采取玻璃肋支撑方式。其中玻璃肋及面板均采取吊挂连接，以保证其稳定性。

3.2 玻璃及玻璃肋设计要点

玻璃面板选取12+2.28SGP+12半钢化夹胶玻璃，玻璃肋选取19+2.28SGP+19+2.28SGP+19半钢化夹胶玻璃。SGP胶片作为一种新型离子性夹片，具有高抗撕裂强度、高硬度、耐久性强等特性，大大提高了夹层玻璃的承载力，保证了全玻幕墙系统的结构安全性[3]。

3.3 玻璃连接设计要点

玻璃肋、玻璃面板与上部钢架均采取吊挂连接，选用订制不锈钢316注胶玻璃专用吊夹，连接接头及玻璃孔边局部应力均需满足设计要求。玻璃为脆性材料，玻璃面板及玻璃肋下端需保留足够空间，以适应结构变形、温度变化、施工误差所产生的空间需要。为此，严格控制上部钢架的刚度，在竖向荷载作用下，钢架竖向变形控制为L/500；水平荷载作用下，钢架水平方向变形控制为L/300[4]。

4 裙楼铝合金格栅系统结构设计

4.1 系统介绍

铝合金格栅因其外观形状多变，在幕墙中普遍被使用。本项目格栅最大深度0.9 m，距离主体1.8 m，给建筑外观产生了较大的视觉冲击感。结构选取钢龙骨作为受力构件，外包铝合金线条的形式，让系统既有足够的强度，又满足铝合金的外观艺术效果[5]。

4.2 钢架的模型和荷载分析

结构采用同济大学开发的3D3S软件进行分析，结构布置如下图。为使结构有较好的稳定性，竖向杆件下端轴力均释放，竖向杆件处于拉弯状态。

图8 钢架布置图

钢架主要考虑承受重力荷载、风荷载及施工活荷载的组合作用，其中最不利组合为负风压起控制作用下、组合施工活荷载的共同作用。

4.3 钢架的有限元分析

在最不利荷载组合下，分析得出钢架的应力比、挠度图。钢架应力比最大为0.702；Z方向挠度变形最大为8.224mm，X方向变形最大为8mm，钢架满足设计要求。

图9 钢架应力比图

图10 Z轴挠度图

图11 X轴挠度图

5 结语

经分析可知：①带大装饰线条单元体幕墙，装饰条需要用高强材料转接件与立柱连接，其连接点靠近单元立柱的挂点，以减少对单元立柱的影响，侧向荷载宜单元板块整体建模分析计算，单元横梁对装饰条产生的侧向荷载有一定的辅助作用。②全玻幕墙具有很好的通透性与美观性，大跨度全玻系统需采取吊挂连接，下端保留足够的伸缩空间。玻璃推荐使用负离子胶片作为夹胶层，能较大限度的发挥玻璃的强度。③大型格栅系统，体型复杂且距离主体结构较远的，宜采取钢包铝形式，需要钢架来保证结构安全。