基于乌镇互联网国际会展中心项目的不锈钢拉索幕墙设计

杨凤玲

（浙江省建筑设计研究院，浙江 杭州 310006）

0 引言

不锈钢拉索是一种适用于建筑工程中预拉力索结构的工程材料，主要由柔性的不锈钢绞线和钢索连接件组成，具有良好的耐腐蚀性、耐候性、切削制造加工性能等。不锈钢拉索在幕墙工程的应用中主要分为受力构件和装饰构件，国内幕墙项目中的拉索大部分作为受力构件，比如安徽合肥市的滨湖时代广场C1#楼[1]、南京铁路新客站[2]和昆明新机场航站楼[3]等工程中均采用了不锈钢拉索，但很少将不锈钢拉索仅作为装饰构件。同时，国内涉及不锈钢拉索的规范及标准文件也都是关于拉索受力[4]和材料[5]方面。

不锈钢拉索外形独特可作为外立面装饰构件，正符合乌镇互联网中心项目中用钢索寓意蚕丝和互联网的设计理念。但是不锈钢装饰索的设计由于无规范可依，如何设置拉索的预应力大小及降低现场施工难度，实现不锈钢拉索密、细、直的效果，则成为设计的关键点。本文对乌镇互联网中心项目中不锈钢拉索系统的上部结构、下部结构和弹簧补偿索结构的设计进行详细分析。

1 项目概况

乌镇互联网国际会展中心位于乌镇历史水城的北侧，如图1 所示，是世界互联网大会的永久会址，也是如今乌镇景区承接会议、会展的主要场所。项目用地136 911.95m2，地上建筑面积58 493m2，地下建筑面积22 813.32m2，幕墙总面积77 000m2。乌镇互联网国际会展中心包含会议中心、展览中心和接待中心三座建筑组成。

图1 乌镇互联网国际会展鸟瞰图

项目方案由“普利兹克建筑奖”获得者、中国美院教授王澍先生领衔设计，浙江省建筑设计研究院负责施工图深化设计和现场指导，浙江省建工集团有限公司为施工总承包单位。

考虑到项目的功能定位以及周边的历史环境，其建筑风格，需兼具现代化国际会议中心功能和中国江南水乡的建筑传统。传统江南水乡特有的白墙黑瓦、临水连廊等古典建筑原色被赋予现代风格，现代建筑幕墙材料中的索幕墙元素去体现传统江南水乡淅沥雨丝的灵动气质，如图2-3 所示。以新技术和新手法演绎出新时代水乡特色，让传统与现代两种风格在建筑材料、营造方式、表现手法等多方面在同一个建筑空间中对话，使整个项目建成后起到承接古今的作用。

图2 索幕墙元素

图3 乌镇互联网国际会展中心夜景

本项目的建筑幕墙主要包含玻璃幕墙28 530m2，不锈钢拉索26 200m2，金属屋面10 200m2，卡普龙雨篷及金属雨篷3 400m2，太阳能板8 600m2。其中，不锈钢拉索的使用面积仅次于玻璃幕墙是本项目的特色之一。不锈钢拉索的使用环境分室内和室外。在室内使用时，考虑温度变化较小并且主体结构也会有温度变化，只需要考虑较低的温差变化和热膨胀系数差值。但是，室外用索温差变化很大，并且很难与室内结构同步变形。同时，不锈钢拉索的设计可参考的规范较少，本项目只能通过三维建模分析计算和现场试验来实现。

2 不锈钢装饰索设计

2.1 不锈钢装饰索外立面效果

“乌镇所在地自古有种桑养蚕的习俗，盛产丝绸；而互联网是通过有形或无形的线将世界相连，这些钢索有丝、线的双重寓意，被分做三层网状排布，在阳光下闪闪发亮，还能呈现雾化效果，有一种朦胧感。”王澍这样阐述他的设计理念。

展览中心的外围及每个建筑的内街面玻璃幕墙外侧均设置了不锈钢索垂挂帘幕。根据建筑效果，不锈钢索设置有双层和三层索墙，如图4 所示，不锈钢索帘幕高矮不一，疏密不同。不锈钢索最长的达到17.5m，最短为2.5m，其间距为100mm。

图4 三层索墙平面分布图

2.2 不锈钢拉索细部结构设计

根据规范规定[6]，建筑幕墙用不锈钢材料应当采用奥氏体不锈钢。其中，暴露于室外或处于高腐蚀环境的不锈钢承重构件（包括背栓）的镍含量应当不小于12%；非外露的不锈钢构件的镍含量应当不小于10%。本项目不锈钢拉索属于外露构件，结合规范中对不锈钢的要求，材质选择了S31608。

2.3 不锈钢拉索上部结构设计

本项目在设计之初，不锈钢拉索的相关规范及标准文件都是拉索受力方面的，本项目拉索为装饰索，且密度大，与常规的受力拉索不同，如何设置拉索的预应力大小，则成了最大的难题。没有规范依据可循，且拉索顶部主体钢结构为悬挑结构，一根拉索的支座反力影响不大，但是5.1 万支索的反力是不可小觑的。最后决定结合现场实测值和支座反力的理论计算值相结合的方式确定不锈钢拉索的受力问题。

不锈钢拉索方案在初步设计时，φ8 拉索上部采用了沈阳恒安提供的专利球头栓结构，其上端底座直接与结构焊接，如图9 所示，在底座内部设置球头栓来吸收拉索在风荷载作用时的角度变化。

有关Tomita评分临床价值的报道不多［8］，并且PKP治疗脊柱转移瘤的临床效果报道也较少［9-10］，尤其是纳入和排除标准各异，缺乏相关的研究来证明其安全性和效益。作者于2014年1月～2017年7月对31例椎体溶骨性转移癌患者进行Tomita评分，取分值4～7分的患者，对65个椎体采用PVP治疗，取得了较好效果，报告如下。

图5 上部结构方案模型

而后期深圳坚朗公司中标，由于球头栓挂接系统的专利权问题，φ8 拉索上部结构修改为上端底座直接与结构焊接如图6 所示，在底座内部设置内螺纹，拉索端部设置螺杆，通过螺纹连接代替拉索的固定端接头。

图6 上部结构施工模型

整块钢梁的梁底每间隔100mm 设置一根拉索，且设置了3层，也就预示着整根钢梁底部悬挂着密密麻麻的不锈钢拉索。若钢底座直接焊接在钢梁底部，工人们则需要长期的仰面焊接，增加工作难度及强度，同时焊渣存在一定的安全隐患。为了方便快捷施工和保证焊接底座的精准度，特制配合现场焊接的安装工艺板，如图7～ 8 所示，每块安装工艺板可安装30 个底座，圆形工艺孔用于定位底座，孔两侧分别设置开口为底座的定位焊。然后将带有30 个钢底座的安装工艺板焊接在主体钢梁底部，一块一块拼接起来，布满整根钢梁。如此一来，大量的焊接工作在地面完成，大大降低工作难度及强度，减少安全隐患，且节约了工期。

图7 上部安装工艺板

图8 安装工艺板三维模型图

2.4 不锈钢拉索下部结构设计

初步方案中，下部结构的弹簧装置直接与埋板之间采用间断焊接以方便施工，如图9～ 10 所示。同时，弹簧装置内增加球头栓来控制风荷载作用下拉索角度的变化。弹簧装置通过紧固螺钉连接成一个整体，便于运输和安装，安装完毕后索下端与弹簧装置连接后拆除紧固螺钉。拧紧转动球头栓即可拉紧索实现预紧。索锚具压制为六边形，不仅外观美观，同时方便拧紧。锚具的螺纹设计在球头管的中间部位，目的是让索和锚具进入弹簧装置，降低总体高度。

图9 下部结构施工图

图10 下部结构三维模型

与初步方案中的上部结构安装板相对应，下部结构也有其特制配合现场焊接安装的工艺板，圆形工艺孔用于定位底座，孔外侧均匀分布3 处开口为底座的定位焊，焊接长度每段30mm。同时为了方便焊接，外侧两排的焊接点设计为外点两点，内侧一点；中间排则设计在空隙最大的位置。

而后期施工中，为了控制经济成本和方便施工，弹簧装置由碟形弹簧改为螺旋弹簧，设置在顶部钢板与索端头钢板之间（如图11～ 12）。现场首先根据拉索位置进行放线定位，安装地脚锚栓。弹簧装置与拉索、顶部钢板、底部钢板通过螺栓连接成一个整体，通过地脚锚栓固定装饰索下部连接。安装完毕后索下端与弹簧装置呈松弛状态。拧紧转动地脚锚栓的顶部螺母即可拉紧索实现预紧。地脚锚栓设置在排水沟的中部，调节螺母设置在顶部钢板的外侧，方便操作。根据建造师要求的装饰效果，排水沟内满铺鹅卵石，顶部钢板恰好用于承托鹅卵石。地脚锚栓的长度决定调节量的大小，解决现场施工偏差大的问题，减小索生产精度要求，便于施工和索生产同步进行。弹簧装置下部钢板与排水沟底部留有间隙，便于雨水及时排出。弹簧表面采用60Si2MnA，表面进行镀锌后钝化处理，再均匀涂刷黄甘油，钢板表面氟碳喷涂处理，进行有效防腐。

图11 下部结构施工图

图12 下部结构实际安装照片

下部结构也采用特制配合现场焊接安装的工艺板，如图13～ 14 所示，圆形工艺孔用于定位地脚锚栓，孔外侧均匀分布3 处开口为底座的定位焊，焊接长度每段30mm。同时为了方便焊接，外侧两排的焊接点设计为均为外点两点，内侧一点。

图13 下部安装工艺板

图14 安装工艺板三维模型图

2.5 弹簧补偿索结构设计

当拉索跨度超过12m 时，在温度和风荷载作用下，拉索会伸长呈松弛状态，或收紧呈拉伸状，需采用拉索防松过载保护装置。该装置依靠弹簧的伸张使拉索维持一个允许的预紧力，保证幕墙的安全使用。

由于乌镇项目用索属于室外使用，考虑到乌镇昼夜温差、冬夏温差，温差变化-10℃～40℃，但是在夏季暴晒之后金属表面温度会高于室温，所以设计时考虑-10℃～50℃的温差，即60℃的温差。60℃温差对于φ8 的索温度应力为3 000～7 944N 之间变化。采用弹簧结构可以使索力在3 000～5 200N 之间变化。如果不使用弹簧装置支座反力相差2.744kN，沿幕墙水平方向每延长米平均30 根索，即对结构的拉力增加每延长米82.32kN。

考虑到该索受力要求，要求该索最小内力不应小于3.0kN，同时考虑结构受力要求：索的最大拉力不超过5.2kN。因此选用弹簧来补偿因温度变化造成内力差。

由于热胀冷缩作用，夏季最高温度下索会松弛内力下降，而冬季最低温度下索会收缩，内力增加。因此在最高温度50℃下确定索内力为3.0kN，在最低温度-10℃时索的内力不超过5.2kN，根据计算可得不同安装温度下对应的预紧力，如图15所示，即季节的温差、昼夜温差都会造成索力的变化。为了方便现场施工时直接观察索力，设置专用刻度表对照施工温度进行索力调整，如图16 所示，保证施工速度。

图15 不同温度下预紧力值

图16 温度与索力对应刻度表

3 结论

本文基于乌镇互联网国际会展中心项目，提出利用现场实测值和支座反力理论计算值的方法对不锈钢拉索系统进行设计，主要得出以下结论：（1）不锈钢拉索系统的上下部结构选用带有螺纹底座的特制板，采用工厂标准化加工，并通过安装在拉索下端的弹簧补偿装置来满足防松过载保护要求；（2）提出了不锈钢装饰索结构索力与温度对应关系，方便现场施工；（3）结合现场施工难度，提出了不锈钢拉索体系采用分组预制的施工安装方法，缩短施工工期，为不锈钢拉索幕墙的设计施工提供了新的思路和方法。