超高层大跨度建筑幕墙分析——上海东亚银行金融大厦之空中花园

1.前言 　　上海东亚银行金融大厦，原名上海高宝金融大厦，所在地位于浦东新区银城西路与花园石桥路的拐角处，即陆家嘴金融中心X3-1地块，建筑物外立面采用玻璃幕墙，总高度198m，标准层平面近似为“H”形，东西两侧为办公用房，东侧32层，西侧40层，中间部分主要为通道、楼梯、电梯间及设备间。(图1) 图1 　　大楼在中间部位开辟了三处跨层的空中花园，分别位于： 　　本工程外立面形式较为规整，采用单元式玻璃幕墙（词条“单元式玻璃幕墙”由行业大百科提供）系统。空中花园区域为跨层的共享空间，单元幕墙板块不能直接安装在中间楼层的土建结构之上，需要专门设计出大跨度的支承体系，在满足建筑效果要求的同时，又能为超高层的单元玻璃幕墙提供结构支承。 　　2.设计条件 　　三处空中花园建筑形式类似，我们以位于第一避难层至17层的“空中花园-1”为例进行分析。 　　该处空中花园的幕墙面为一内倾的斜面，倾斜角度3.9°，结构洞口尺寸为16.9m×15.8m(宽×高)，是三处空中花园中最大的洞口，洞口上边与下边均为钢结构梁与楼板结构，左右两侧有主体结构（词条“主体结构”由行业大百科提供）混凝土框架梁。 图2 　　空中花园的建筑外立面要求与标准楼层外观一致，包括玻璃种类、幕墙分格、细部外观等均不可出现变化。室内部分由于共享空间的进出尺寸十分有限，建筑要求幕墙应尽量弱化自身支承体系的视觉尺寸，且不可有构件（词条“构件”由行业大百科提供）与15F、16F、17F的边部结构进行连接，从而使空中花园在视觉上尽可能通透。 　　同时，由于此大跨度幕墙的高度较高，且为内倾斜面，相比一般的竖直立面幕墙而言，设计中对抗风压（词条“风压”由行业大百科提供）性能、防雨水渗漏性能、平面内变形性能、防松脱构造等方面，提出了更高的要求。 　　3.方案选型 　　空中花园的内倾玻璃幕墙，因其位于本项目的高层区域，且四周与其相接的幕墙均为单元式玻璃幕墙系统，在建筑外立面外观一致的条件下，如在此处采用框架式玻璃幕墙系统，不但框架系统自身在内倾条件下的防雨水渗漏性能较弱，还需要在洞口四周增设与周边单元式幕墙系统之间的交接构造，从而使此区域的雨水渗漏风险大大增加;同时，由于框架式玻璃幕墙是在现场完成幕墙零件的组装和施工，增大了超高层建筑幕墙的施工难度和安全风险，并且在此区域容易导致其它大面积单元幕墙整体施工进度的瓶颈。综合权衡之下，我们选择了与周边幕墙一致的单元式玻璃幕墙系统作为空中花园外立面幕墙形式的首选。 　　在确立外立面幕墙系统形式之后，设计的重点就是如何对幕墙的支承体系进行选型，由于支承体系不能与中间楼层结构进行连接，只能选择使用大跨度的结构形式进行支承，可有如下三种选型方向： 　　1. 选型方向一：钢立柱+次钢梁体系 　　以钢立柱为主受力构件，考虑到玻璃幕墙水平分格尺寸较小(1500mm)，钢立柱按每3个分格(4500mm)设置，每层设置横向钢梁，玻璃幕墙单元板块安装于钢梁之上。 　　2. 选型方向二：钢桁架（词条“钢桁架”由行业大百科提供）+次钢梁体系： 　　以竖向钢桁架为主受力构件，钢桁架按每3个分格(4500mm)设置，每层设置横向钢梁，玻璃幕墙单元板块安装于钢梁之上。 　　3. 选型方向三：钢梁+吊索体系： 　　以横向钢梁为主受力构件，玻璃幕墙单元板块安装于钢梁之上，并按每3个分格(4500mm)设置竖向承重吊索，以解决钢梁稳定性及竖向荷载下的挠度问题。 图3 　　上述三种支承方案选型，各有优劣，对比如下： 选型 建筑外观 受力状态 方案选择 方向一 钢立柱截面（词条“截面”由行业大百科提供）尺寸约450×225，竖向线条视觉过于粗壮，影响室内观感。 洞口上部主体结构H型钢（词条“型钢”由行业大百科提供）梁弱轴方向承担钢立柱水平推力，受力状态不好。 放弃 方向二 钢桁架高度约900，占用室内有限空间，且影响室内观感。 洞口上部主体结构H型钢梁弱轴方向承担钢桁架水平推力，受力状态不好。 放弃 方向三 无钢立柱。 钢横梁截面尺寸约500×250，横向线条视觉过于粗壮，影响室内观感。 洞口左右两侧主体结构混凝土框架梁承担钢横梁水平推力，受力状态较好。 优选方向 　　综上比选，采用横向构件作为幕墙支承体系是优选方向，但由于钢横梁的尺寸偏大，影响室内观感，我们将如何减小钢横梁的尺寸，同时又不影响室内建筑效果，作为设计优化的重点，同时，考虑到洞口上下边部结构承载能力较弱，我们最终选择了在钢横梁后侧增设水平的鱼腹形预应力拉索系统，作为幕墙的主受力支承构件，同时减小钢横梁截面尺寸，以满足建筑效果的要求。 图4 　　4.结构设计 　　作为在超高层建筑（词条“超高层建筑”由行业大百科提供）中对单元幕墙板块提供支承的大跨度、大挠度预应力体系，除了需要考虑常规预应力拉索体系的张拉控制、稳定性、温度变形（词条“变形”由行业大百科提供）、应力蠕变等各方面的因素之外，同时还需要考虑幕墙平面内变形性能要求，以及大挠度预应力体系对单元板块之间对插构造的影响所引发的安全隐患。 　　4.1幕墙结构形式 　　由于铝合金型材材料长度规格限制，结合建筑层高，幕墙单元板块高度只能按层高4.2m设计，单元板块由工厂制作完成，通过连接件固定安装在钢横梁上。 　　钢横梁采用120×120×8方钢管制作，分别安装于15F、16F、17F，钢横梁在对应幕墙分格的位置设置承重拉杆，间隔1500mm布置，此钢横梁-承重拉杆共同形成一个紧贴于幕墙面之后并与之平行的内倾斜面。 　　每道钢横梁的后部，均设置一道水平的鱼腹形预应力抗风拉索(下简称鱼腹拉索)进行支承，鱼腹拉索跨度16.756m，弦高1.12m。由于幕墙立面为内倾斜面，鱼腹拉索亦设计为与幕墙立面垂直的方向上，采用Φ60×8撑杆与钢横梁连接。 　　鱼腹拉索的后弦的撑杆节点上，间隔4500mm左右设置了3道竖向稳定索。 图5 　　4.2鱼腹形预应力拉索体系设计 　　水平的鱼腹形预应力拉索体系，是一套大挠度体系，作为空中花园大跨度单元玻璃幕墙的主受力支承系统，幕墙的所有荷载，均由此体系承担。幕墙的荷载主要包括竖直重力荷载、垂直于幕墙表面的风荷载、水平地震荷载，以及温度应力（词条“温度应力”由行业大百科提供）。由于幕墙立面为内倾斜面，竖直重力荷载和水平地震荷载均需按幕墙表面垂直方向和平行方向进行分解后进行计算。 　　首先，设计将考虑除温度应力之外的荷载作用： 　　1. 鱼腹拉索：主要承担垂直于幕墙表面的荷载，包括自重荷载垂直于幕墙面的分量、风荷载、地震荷载垂直于幕墙面的分量; 　　2. 承重拉杆：主要承担平行于幕墙表面向下的荷载，包括自重荷载平行于幕墙面的分量、地震荷载平行于幕墙面的分量; 　　3. 稳定索：主要为精准地固定鱼腹拉索的空中位置，保持其在受力状态下的空中姿态，同时保证鱼腹拉索的稳定性。 　　其次，作为对外围护结构（词条“围护结构”由行业大百科提供）提供支承的预应力拉索体系，除需满足强度、挠度指标、稳定性设计要求之外，还应考虑温度应力的影响。在最不利工况下，即最不利温度条件下的极限受力状态中，所有拉索、拉杆均不应出现松弛。按照上海地区气候条件和大楼的实际使用情况，室内温差按40℃计，最不利工况下的拉索、拉杆的残余拉力设定为不低于2.0-5.0KN。 　　最后，设计还应考虑在长期使用条件下，预应力体系的应力蠕变所带来的预应力损失量，此部分按初始预应力的10%取值，并加入到初始应力中。 　　经过多次权衡协调分析，并考虑尽量降低预应力体系的初始预应力，以利于降低对主体结构的支座反力，鱼腹拉索的设计采用了较大的弦高来控制预应力，通过有限元软件(非线性)进行验算，得到应力云图与挠度云图如下，可以看出，鱼腹拉索的强度储备较大，但挠度已达69.13mm(挠度许可值83.78mm)，该预应力体系属于挠度控制。 　　至此，我们选定了鱼腹拉索的规格为Φ30mm不锈钢索，承重拉杆的规格为Φ16mm不锈钢杆，稳定索的规格为Φ16mm不锈钢索;鱼腹拉索的预应力值设定为173KN。 　　4.3钢横梁设计 　　空中花园的鱼腹形预应力拉索体系，是一套非线性的大挠度系统，而单元式玻璃幕墙系统板块之间的对插构造，也使单元板块在幕墙平面内有着一定范围内自由伸缩活动的能力，这两种系统叠加在一起时，一方面可以更好的适应主体结构的各种变形需求，形成一套柔性体系，但另一方面，却可能带来额外的安全隐患。 　　钢横梁的设置，主要目的便是为了消除这种安全隐患，同时方便单元板块的安装。 　　通过钢横梁，我们将同一楼层的单元板块利用专用连接件安装在同一个钢横梁上，并用螺栓（词条“螺栓”由行业大百科提供）进行锁定。这样做的好处，是可以防止板块脱落，另外，对每块单元板块的左挂件进行左右限位，防止了同层单元板块之间的左右自由窜动，从而避免了同层相邻单元板块之间的对插构造因板块的自由窜动而导致脱出，同时，仍可利用此对插构造释放温度变形。 图7 　　钢横梁上对应每个幕墙分格，设置了承重拉杆，一方面可以直接将单元板块的竖向荷载通过承重拉杆直接传递至主体结构，另一方面承重拉杆也在竖直方向上对钢横梁形成了约束，可防止钢梁出现竖向变形过大，从而导致上下楼层单元板块之间的对插构造脱出，进而引发安全事故。承重拉杆的设置，并不会影响上下楼层单元板块之间的横向自由滑动能力，可满足建筑幕墙的平面内变形性能要求。 　　5.结束语 　　超高层建筑在局部部位设计共享空间的项目日益增多，超高层幕墙多采用单元式幕墙系统，而共享空间又需要大跨度、通透性好的幕墙体系。上海东亚银行金融大厦的空中花园所使用的大跨度“预应力拉索+小钢梁”的结构支承体系，在满足各种结构荷载和变形需求的前提下，形成了一套较为完善的“柔性”体系，可满足建筑效果和幕墙各项性能要求，同时也规避了的安全隐患，对今后类似的工程项目有着重要的借鉴意义。 　　[参考资料] 　　1.中华人民共和国国家标准-建筑幕墙GB/T 21086-2007。北京：中国标准出版社，2008.2 　　2.中华人民共和国行业标准-玻璃幕墙工程技术规范JGJ-2003。北京：中国建筑工业出版社，2003.12 　　3.中华人民共和国国家标准-建筑结构荷载规范(2006年版)幕墙GB 50009-2001。北京：中国建筑工业出版社，2006.11