关键词：超大玻璃；面板设计；连接；地震荷载；现场安装
随着玻璃加工工艺的不断提升，单块玻璃面板的尺寸已不再是建筑师们想象翅膀的限制器。越来越多的超规范的大尺寸玻璃面板被应用为高档建筑元素，使用情况日益增多，逐步成为新时代的宠儿。
2019年，有幸参与了《上海浦东美术馆幕墙工程》的外立面设计，其中关于大玻璃幕墙系统的设计让我受益良多，在这里对设计和施工中遇到的一些问题进行简单的阐述。
该超大玻璃幕墙系统位于上海浦东美术馆的西立面二层和三层，最大高度为25.50m，层高11.50m。玻璃规格为5层15钢化/1.52SGP+20Ar+2层15钢化/1.52SGP，最大面板尺寸为12.05m×2.94m，单块玻璃自重约为为95KN。
根据《建筑结构荷载规范》中组合荷载取值，可得该工程风荷载标准值为1.88Kpa。
且考虑抗震设防烈度为7度，则水平的证作用标准值为1.15Kpa。
综合上所述，其设计难点主要在于面板自身受力、与主体结构的连接、抗震能力以及现场安装这几个方面。
一、面板设计
该系统玻璃为多层夹胶中空钢化玻璃，根据《夹层玻璃 GB 15763.3-2009》中规定，当面板玻璃有一侧边长的尺寸大于2500mm，且有一块玻璃厚度值大于10mm时，长度及宽度的允许偏差为-4.5mm~+6.5mm。当夹层玻璃的长度超过4000mm时，最大允许叠差为6.0mm。
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超大玻璃实物照片
这就意味着在实际加工过程中，夹层玻璃的侧边并不是完全平整。如果采用规范中建议的明框幕墙做法，即在玻璃下口采用两块硬质垫块承重，很有可能出现所有的玻璃自重全部由一块玻璃承受，在超出材料自身的受力极限后，直接碎裂。
此处考虑在面板“内部”消除叠片差——重新划定面板边界，并在玻璃与新边界内，填充柔性材料，且该柔性材料需具有一定的粘结强度。
所以得出的最终解决方案是，为大尺寸玻璃加设一个不锈钢玻璃槽。在玻璃槽与大尺寸玻璃间填充结构胶，通过结构胶的可塑性消除叠片差，并经由结构胶将玻璃与不锈钢槽可靠连接。再通过控制不锈钢槽的安装定位达到对整个面板外观尺寸的控制。
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超大玻璃加工示意
二、连接设计
因为该工程采用钢梁上铺设钢筋混凝土楼板的结构形式。考虑安全性，大玻璃连接采用坐地式而非吊挂式。大玻璃系统经过转接最终将荷载传递至主体结构上，但由于玻璃自重过大，理论上安装完成后主体钢梁会产生30mm的形变。若采用常规做法，即在玻璃L/4处设置硬橡胶垫块衬托，会因为主体结构的沉降不均匀，引发玻璃倾斜，严重时会相互碰撞损毁。出于上述考虑，在实际工况下，大玻璃的重力作用点一个为宜。
当玻璃自重完全由一点承担时，玻璃槽的受力是非常大的，在受力过程中由于形变量过大，可能超出结构胶的变形范围，导致结构胶撕裂，玻璃面板与不锈钢槽直接接触，整个面板的受力体系瓦解。
此处设计了一个“扁担”体系，即在玻璃槽内加设两枚硬质垫块，将玻璃的自重线荷载转化为两点荷载作用于玻璃槽上，玻璃槽下端正中位置设一点支撑落于横梁上，横梁直接与主体结构相连。
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玻璃槽安装示意
如此一来既能确保单块面板的自重作用点唯一，不会因为沉降不均发生歪斜，又能有效的控制玻璃槽的形变量，不会因为形变量过大，影响面板系统的稳定性。
此处简化受力模型，为悬臂梁结构，受一个竖直向下的集中力荷载。通过SAP2000有限元软件建模可得，玻璃槽竖向最大挠度为2.94mm。
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三、地震荷载影响
根据建筑行业强制规范要求，整个结构体系需在地震荷载作用方向上可以发生一定量的形变。根据前两步的推论，整个玻璃体系坐落于一点，为实现侧向位移，我们很容易联想到一个物件”不倒翁”。因为仅需在地震荷载作用方向上变形，所以不需要设计成球面，单纯的曲面就可以达到预期的效果。但在实际转动过程中，整个玻璃的重力作用点还需保持竖直，所以需要给出一个侧向的约束力，确保大玻璃面板“不跑偏“。
该方案具体的设计思路为：将玻璃槽下端的受力块底部做成弯弧装，在横梁相应位置假设弯弧导轨,并固定位置，确保面板侧向位移有迹可循。在面板的上端正中位置设限位杆(不锈钢管)，并在上横梁同样位置加设限位装置(足够强度的钢转接件)，在横梁的刚转接件上开竖直方向的长远孔。实际安装时通过螺杆连接上述两个装置，并通过组装多个螺帽的方式实现地震荷载作用方向上的限位。此处螺杆除承受侧向荷载外，还需起到防坠的作用，所以此处采用高强螺栓，一举两得。
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超大玻璃上口限位及防坠示意
实际工程中，发生地震时，是多块面板一起错动，所以还需考虑面板与面板之间的连接。此处考虑在相邻两块面板之间加注结构胶，并间隔1米铺设硬质垫块。
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玻璃胶缝示意
当面板变形的方向一致，结构胶强度高，拉伸量小，能提供一个侧向拉力，有利于整个系统的稳定。当面板变形的方向相对时，结构胶起一个缓冲作用，在硬质垫块的支撑作用下，不会发生碰撞破裂。
模拟地震荷载作用，玻璃结构胶最大剪切力发生在跨中位置，此时最大剪切力约为Fv=1500N，结构胶计算高度取L=250mm，结构胶深度取h=90mm，则结构胶的设计强度为：f=Fv/(L·h)=0.07Mpa。根据厂家提供报告，该工程采用的结构胶短期强度为0.2Mpa。故满足受力要求。
地震荷载作用时，玻璃与不锈钢槽也会发生相对位移，在结构胶变形允许范围内，可能会出现玻璃槽转动而玻璃不转动的情况，增加碰撞风险。所以玻璃与不锈钢槽在侧向上也需进行连接及限位，即在不锈钢槽两侧加设封板，加强面板体系的稳定性。
四、面板吊装
由于玻璃规格大，吊运过程中为防止玻璃受力不匀而出现玻璃破损情况，常规的吸盘做法不能满足实际工程要求，此处考虑做制作平衡杆和玻璃固定桁架，即将玻璃面板与钢架视为一个整体单元来吊装。钢结构吊架和钢桁架采用50×50×4mm钢方管焊接而成，吊架在下端用40mm钢板挑出160mm，作为吊装时的玻璃托。在钢架表面铺设10mm厚的木板或橡胶皮，避免玻璃直接与钢架接触）
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玻璃固定桁架
结合现场实际情况，大玻璃的吊装方案如下：
1、现场将吊装钢架平方在地面，吊点1和吊点2吊耳上挂好吊装带或钢丝绳，钢架下方用方钢管或木方垫空以使挂耳不至于被压；
2、将玻璃用吊车从玻璃架上吊起，搁置到吊装钢架上，玻璃下口靠紧玻璃托，玻璃外面朝下。然后按照钢桁架间距，按照每隔1.5米用1吨吊装带（选用宽而薄的吊装带）将玻璃捆绑在钢架上，一共捆绑7道，每道吊装带都需绞紧（用收紧器和手拉葫芦收紧）；
3、在汽车吊大钩上悬挂两吊环，其中一个吊环上悬挂一个5吨的手拉葫芦，检查吊装带、挂钩等没有问题后，将钢架吊点2上的吊绳挂在悬挂于吊车吊钩上的手拉葫芦上，钢架吊点1上的吊绳挂在汽车吊上的另一吊环上，启动汽车吊，将玻璃缓缓吊起；
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玻璃吊起靠近结构并与电葫芦连接
4、在汽车吊吊着玻璃上行过程中用两根大绳系在钢架上牵引，使玻璃不至于转动。当玻璃上行至超过安装楼层1米左右时停止上行，转动吊车臂，使玻璃靠近结构外沿（玻璃面平行结构并离结构保持300mm以上的距离，并用10mm胶皮或木板将结构外侧覆盖，以防玻璃上行时碰撞结构），吊车停止运行；
5、当玻璃上口进入楼层，且吊装钢架吊点1位于楼层内且在楼面往上1.5米至1.8时，将吊装钢架吊点1上的吊绳挂在吊装轨道的电动葫芦上，检查无误后启动电动葫芦缓缓上行，直至电动葫芦完全受力，汽车吊臂缓缓扬起，同时电动葫芦往外行走至轨道最外端并上行，且吊点2的钢丝绳完全放松时，电动葫芦再往内运行，使吊点2位于室内靠结构边且高度在1.7米至1.8米左右时，取下钢架吊点2上的吊绳，再次启动汽车吊和电动葫芦同时运行，是吊点3位于结构室内上方且高度不超过1.7米，将电动葫芦上的吊绳栓在吊点3上，调整吊点3的吊绳长度（通过不小于5吨的手拉葫芦），由电动葫芦将玻璃吊起使玻璃下口超过楼层高度200mm，并运行至室内，取下吊点4的吊绳和拦风绳，汽车吊撤离；
6、将玻璃完全吊进楼层，取下拦风绳后，调整玻璃高度（钢架底部离楼面高度大约在100mm左右），转动玻璃使之与吊装轨道平行，启动电动葫芦，平移至需要安装处。调整玻璃左右位置，完全放松吊绳，检查玻璃左右位置和垂直度，如偏差超过允许范围，则启动葫芦进行调整，直至误差在允许范围内，然后解开捆绑的吊带，使吊装钢架与玻璃分离。最后启动电动葫芦将吊装钢架吊离玻璃，准备下一块玻璃的安装
结束语
通过对上海浦东美术馆幕墙工程中大玻璃系统，整个设计过程的研究，我们可以看出超大尺寸玻璃的设计依旧是遵循基本的行业规范，只是在最基础的规范上要加入一些更细化的设计，比如不能忽略的工艺误差、结构沉降带来的不利影响以及不能进行整体计算时小部件的连接等。施工方面，则是需要我们注意在面板材料自身不能满足吊挂的受力要求时，要借用桁架及支撑杆，利用多个起吊装置对接的方式，实现面板的安装。只要注意以上几点，超大玻璃的设计不再是触不可及的难题。
参考文献：
【1】中华人民共和国行业标准——夹层玻璃 GB 15763.3-2009
【2】中华人民共和国行业标准——建筑幕墙 GBT 21086-2007
【3】中华人民共和国行业标准——玻璃幕墙工程技术规范JGJ102-2003
【4】上海市工程建设规范——建筑幕墙工程技术规范 DGJ08-56-2012
论文作者:吴明瀚
论文发表刊物:《建筑实践》2020年01期
论文发表时间:2020/4/27
标签：玻璃论文; 面板论文; 钢架论文; 荷载论文; 结构论文; 受力论文; 结构胶论文; 《建筑实践》2020年01期论文;