大跨度幕墙结构形式的选择

蔡宏阳 建研科技股份有限公司

梁云东 中国建筑科学研究院有限公司

1 概述

建筑幕墙在我国已经发展了几十年，常规幕墙结构的技术已非常成熟，在各大工程中得到了广泛的应用。随着经济的发展、生活水平的提高以及审美观念的提升，常规幕墙结构形式已经不能完全满足业主和建筑师的需求，随之出现了非常规的大跨度幕墙结构形式，而大跨度的幕墙结构形式并不是一般常规幕墙结构的简单延长和截面的加大就可以的满足的，往往需要更高难度的结构和构造设计，对幕墙设计师的要求也会更高。本文给出了一些适合大跨度幕墙的结构形式，分析其特点并给出其典型的节点构造，以及实际工程应用案例，供涉及大跨度幕墙结构形式时选择参照。

2 大跨度幕墙结构形式

常规幕墙的跨度一般情况下为一个层高的高度，支撑结构多为铝结构或钢结构形式。而大跨度幕墙一般超过一个层高，有些大跨度已经达到十几米甚至几十米。大跨度幕墙结构形式需根据工程的造型、跨度、主体结构刚度、支承情况、荷载大小、建筑功能、视觉效果、面板分格、室内人员视线要求和安全防护要求等因素综合分析确定，可从下列常见形式中选用。

（1）单截面梁式支承结构形式，可采用简支梁、悬臂梁、连续梁等形式；

（2）桁架支承结构形式，可采用平面桁架、立体桁架、空腹桁架等形式；

（3）索支承结构形式，可采用单向竖索、平面索网、曲面索网等形式；

（4）索杆支承结构形式，可采用索桁架、自平衡索桁架、张弦结构等形式；

（5）玻璃支承结构形式；

（6）除1~5款外，大跨度幕墙支承结构形式还可采用网壳、网架、拱等形式。

上述常见的大跨度幕墙结构形式都有其不同的特点、节点构造以及高跨比和挠度限值，具体分析如下。

2.1 单截面梁式支承结构形式

单截面梁式支承结构形式的优点是结构简单、对主体结构的作用力很小、制作与安装相对都比较简单且成本预算较低；缺点是不适宜特别大的跨度，跨度过大会由于耗钢量过大而不经济，同时截面高度过大需考虑侧向稳定的问题。其截面形式可采用方管、圆管、T型和板肋截面等。由于此种结构形式室内占用空间小，轻盈、简洁、美观备受建筑师的青睐。其截面高度与跨度存在一定的关系，建议单截面梁式构件截面高度一般可取跨度的1/15~1/20。跨度不大于4500mm时，挠度容许值宜取其跨度的1/180；跨度大于4500mm且不大于7000mm时，挠度容许值宜取其跨度的1/250+7mm；跨度大于7000mm时，挠度容许值宜取其跨度的1/200。

单截面梁式支承结构形式的典型节点构造如图1所示。

单截面梁式支承结构形式计算简便，工程应用广，典型工程实例如图2、图3、图4所示。

2.2 桁架支承结构形式

桁架支承结构形式是格构化的一种梁式结构，结构刚度较大，与单截面梁式幕墙结构形式相比，同样的材料用量可实现更大的抗弯强度，从而适应更大的跨度，该形式多用于跨度较大的场馆类项目上。缺点是杆件数量较多，通透性会受到影响且室内占用空间较多。实际工程中采用坐地式下端铰接较多，应特别注意上端与主体结构的连接构造，需考虑适应主体结构的变形且不能承受主体结构传递的荷载。桁架高度一般可取跨度的1/12~1/16，挠度容许值宜取其跨度的1/400。

桁架支承结构形式典型节点构造如图5所示。

桁架支承结构形式结构布置灵活，工程应用范围非常广，典型工程实例如图6所示。

2.3 索支承结构形式

索支承结构形式根据索是否可见可分为明索、隐索和型材隐索几种。索结构优点为结构简洁、通透性好，几乎不占用室内空间；缺点为刚度较差，对主体结构拉力非常大，主体结构在设计时应严格考虑此作用，一般不适宜大面积采用。由于其受力复杂，有时需进行找形和施工模拟分析，给幕墙设计师带来了非常大的挑战。

索结构幕墙看似简单，实际上需要严格的工程管控、细节处理才能确保质量，近年来，应用索幕墙的项目越来越多，以下常见的一些问题需特别注意。

（1）夹具压块边距过小，玻璃受力不合理，玻璃边角部容易产生集中应力，导致玻璃破坏。

（2）竖向索为主结构应置于后端，横向索在前端，自重荷载主要由横索承担，违背了单层索网中横索直拉时不承受重力荷载的原则。

（3）在单索夹具方面，重心过远对于构造的安全性有损害，包括建筑师希望的艺术节点，都应该慎重处理，确保构造安全。

（4）当索幕墙受力变形时，整幅幕墙角部玻璃将向两个不同方向变形，可采用将边缘、角部设计成滑动、转动的组合，适应索的动态移位，释放应力。

索结构挠度控制较之前两种大跨度幕墙结构形式有所不同，而且平面和曲面也有一定的差别。单层平面索网或单索幕墙挠度容许值宜取其跨度的1/45；曲面索网、双层索系玻璃幕墙及双层索系玻璃采光顶挠度容许值宜取其跨度的1/200。

索支承结构形式典型节点构造如图7、图8所示。

索支承结构形式实际应用项目较多，典型工程实例如图9~图12所示。

2.4 索杆支承结构形式

索杆支承结构形式承载力较高，结构刚度较大，通透性好；索桁架对结构拉力较大，主体结构在设计时应考虑到此作用；自平衡索桁架和张弦结构对主体结构的作用力较小。索桁架矢高宜取跨度的1/10~1/20；张弦拱的垂度宜取跨度的1/10~1/14；索桁架和张弦结构玻璃采光顶挠度容许值宜取其跨度的1/200。

索杆支承结构形式典型节点构造如图13所示。

索杆支承结构形式实际应用项目如图14、图15、图16所示。

2.5 玻璃支承结构形式

玻璃支承结构形式一般是以玻璃作为支撑的结构形式。较常见的全玻幕墙是玻璃支承结构的一种表现形式，但常规的全玻幕墙一般跨度不大，依据现行国家标准即可完成设计工作。本文所提到的适应大跨度幕墙形式的玻璃结构是一种超出全玻幕墙之外的玻璃结构形式，通常为坐地式的安装，玻璃面板及玻璃肋一般采用夹层玻璃的形式。可分为无肋玻璃结构、有肋玻璃结构和互为支撑玻璃结构三种形式，这种结构形式新颖、通透。随着玻璃生产加工工艺的进步，这种结构形式的幕墙的体量、跨度也越来越大，涌现出一批国内外知名的幕墙项目。但这种结构形式设计和施工技术难度都较高，且现阶段暂时没有可参照的国家标准，设计时需进行充分的结构分析和实验以及专家论证。

玻璃结构分析时，应根据结构类型、材料性能和受力特点、开裂可能造成的灾害情况来选择线性、非线性或试验分析方法。对于需要进行防倒塌专项设计的玻璃结构，应采用数值模拟仿真或试验分析方法对其进行整体作用效应分析。对于关键受力的玻璃构件或节点，应采用数值模拟仿真或试验方法对其进行局部作用效应分析。

面外受弯构件的容许挠度取其跨度的1/200。

玻璃支承结构形式典型节点构造如图17所示。

玻璃支承结构形式实际应用项目如图18~图22所示。

2.6 其它支承结构形式

其它支承结构形式一般是以网壳、网架、拱等为主要形式，应用在采光顶项目中为多，参照现行国家标准并借助有限元分析一般可实现。网架高跨比可取1/10~1/18；球面网壳的跨矢比不宜小于1/7；圆柱面网壳的矢高可取宽度的1/3~1/6；椭圆抛物面网壳每个方向的矢高可取短向跨度的1/6~1/9。网架、桁架、双层网壳的挠度限值宜取其跨度的1/250；拱架、单层网壳挠度限值宜取其跨度的1/400。

3 结论及建议

通过对常见大跨度幕墙结构形式的介绍及其节点构造和相应实际案例的分享，可得出如下结论。

①大跨度幕墙可选择的结构形式多种多样，并不限于本文所介绍的几种结构形式，实际工程中应根据业主和建筑师的要求进行选取。

②大跨度幕墙结构形式不同，构造也不同，所采用的挠度限制不同，适用的高度也不相同。需根据具体项目实际情况选取适合的幕墙形式，并根据不同的结构形式进行不同的挠度限制控制。

③大跨度幕墙结构较之常规幕墙结构复杂很多，依据现行规范有些问题不能完全解决，需借助有限元软件进行充分的结构分析，甚至需要经过专家论证。

④不同形式的大跨度幕墙结构特点不同、受力模型不同，应特别关注其专项的设计要点和注意事项。

本文重点介绍了几种常见的适合大跨度幕墙的结构形式，给出了每种结构形式的典型节点构造和应用案例，供技术人员参考。选用时需根据实际项目的具体情况进行分析，并结合其特殊的使用要求、使用条件和注意事项选择合适的幕墙结构形式。现行规范没有具体规定的结构形式要进行充分的研究，经济性和结构冗余度的问题需要重点考虑。

互为支撑玻璃结构形式为一种小众新颖的结构形式，工程应用案例还不多。在高度超高时，为防止极端情况出现，建议采取“主体结构抗震缝”概念，形成多个分区，避免一片玻璃失效导致连锁破坏的情况发生，每区段边缘设置有效支撑结构。玻璃面板夹角越大，体系荷载作用响应越大。夹角过大时，体系受力接近于对边支承的简支板，应充分考虑强度和稳定性验算，控制玻璃面板夹角不宜过大。另外，超大板块玻璃的运输、施工安装问题需进行充分的受力分析，同时也应考虑玻璃面板的更换和维修问题。