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广州新机场点支式玻璃幕墙设计介绍

文章来源:中国幕墙工程网整理  作者:张桂先 韩平元 花定兴  日期:2008-10-28 14:53:46
文章概括 :本文通过广州新机场航站楼点支式玻璃幕墙设计介绍,分析了幕墙结构体系与主体结构的关系,并提出了合理的构造措施。提出了预应力自平衡索桁架这一新的幕墙结构型式.

  广州新白云国际机场是华南地区的主要枢纽机场。其航站楼建筑设计完美地结合了当代建筑艺术和现代科技成果,优美的建筑造型和立面晶莹剔透的点式玻璃幕墙将成为具有二十一世纪国际先进水平的大型现代化国际航空港。本工程点支式玻璃幕墙面积为当今世界上单项工程面积最大。整个工程幕墙设计及主楼幕墙施工均由三鑫公司承担。为使大家对该现代化幕墙工程有个了解,现将其设计情况介绍如下:

  1、 工程概况

  首期航站楼建筑面积约30万平方米。幕墙面积约14.9万平方米,其中点支式玻璃幕墙为8.15万平方米,共由七个部分组成:主楼、东连接楼、西连接楼、东一指廊、东二指廊、西一指廊(见图一)。

  图一   鸟瞰图

  各部分幕墙面积及长、宽、高尺寸分别见下表:

    子项

类型

主楼

连接楼

东一指廊

西一指廊

东二指廊

西二指廊

备注

289

450

341

239

 

175

52

34

34

 

40

23

28

27

 

面积

42968

67150

23359

15523

合计149000

  2、 幕墙特点、难点

  (1) 、主楼南、北立面点支式玻璃幕墙结构,平面长约288米,中间幕墙最高约40米立面高呈孤形,中间高,两端低(见图二)。幕墙立面前倾角为80度。整个立面实际成为锥形曲面一部分。每个构件及玻璃尺寸不一,型号多,对加工、测量放线及安装要求精度高。

  图二   主楼立面图

  (2)、预应力自平衡索桁架作为幕墙支承新型结构体系首次在国内大规模采用。其结构轻巧、通透,视觉好,广为人们欢迎。此结构施工工艺复杂,预应力张拉设计、施工、检测难度大,技术要求高。

  (3)、每建筑物及各立面结构类型不一,其型式繁多,有钢桁架、索桁架、单管结构、弧形钢管、吊索体系等。

  (4)、采用了新材料、新工艺。其中钢索采用了德国生产加工的不锈钢钢绞线,玻璃、PVB胶膜、密封胶、铝板、涂装等分别采用国内外品牌产品。

  3、主要结构型式介绍

  1)、  主 楼:原主体设计未考虑设计幕墙抗风桁架柱,经与广东省建筑设计研究院、业主多方案比较后确定采用单片抗风钢桁架(见图三),柱距9米,每块玻璃宽高理论尺寸为3×1.5米,水平设立跨度约9米的预应力自平衡索桁架,与钢桁架腹杆铰接,柱顶设立一道纵向空间三角形钢托架,伸缩缝处柱间设立交叉不锈钢拉杆支撑,柱底与楼层铰接,柱顶与屋面水平抗风桁架活动铰接(仅传水平力,不传垂直力),详见图四。为保证竖向钢桁架平面外稳定需要,设立了两道通长水平钢桁架。 

          

  传力途径:水平风力由玻璃面板通过连接件传给水平预应力自平衡索桁架,再通过竖向钢桁架柱分别传给楼板及屋盖。玻璃幕墙重量通过吊索传给上部柱顶钢托架,然后由三角形钢托架通过竖向钢桁架柱传给楼面。

  与主体建筑连接原则及其措施:由设计院提供大屋盖在最不利荷载组合下,其各方向位移分别为:沿玻璃面(纵向)位移为50mm;垂直玻璃面(横向)位移为100mm,竖向(上、下)位移为50mm,由于整个玻璃幕墙的主要材料玻璃为脆性材料,因此要求幕墙必须在满足牢固连接(依附)在主体建筑物上的同时,还必须适应主体建筑屋盖的各向位移。屋面水平抗风桁架只能传水平力,不允许传垂直力,设计中在柱顶设一特殊的活动机构与屋面抗风桁架连接,此机构为三向活动的连杆机构(如图四),当屋架发生变形时,此机构完全可满足屋面的三向位移。并能可靠地传递水平风力,根据结构体系需要,柱脚设计为固定铰连接。

  2)、连接楼陆侧:自平衡索桁架间距3米,详见图五。顶部与屋架活动机构铰接,下部与楼板铰接。水平设立两道拉索通过与夹紧器将自平衡索桁架中间压杆连接,以保证该压杆平面外稳定。

  3)、指廊:采用单片鱼腹式钢桁架,柱距3米,顶部与屋架活动机构铰接,下部与楼板铰接。水平设立两道拉索通过与夹紧器将钢桁架连接,以保证该压杆平面外稳定。

  3、 结构计算

  考虑到航站楼幕墙结构型式复杂,主要荷载为水平风力,结构受风动力影响很大,因此我们委托哈尔滨工业大学完成了主楼空间结构、连接楼的自平衡索桁架的静力及动力分析,从而提出了合适的风动力系数,计算中我们分别采用了北京大学编的SAP8450有限元计算程序、同济大学编的3D3S程序以及国外的先进有限元计算程序分别进行了计算,并且作了相互校核。   

               

  图 五

  4、预应力自平衡索桁架设计

  本工程预应力自平衡索桁架是一种由主压杆、横支撑杆和呈抛物体布置的高强钢绞线等组成的结构,其外形轻巧,美观新颖,受力合理;索的预拉力不会传给主体结构而由主压杆承担,在结构内部形成力的平衡,故称为预应力自平衡索桁架。这种结构可在工厂预制,现场安装方便,从而减少现场工作量而加快施工进度,因此备受用户及一般设计人员欢迎。然而自平衡索桁架结构施工制作要求高,预应力张拉工艺较为复杂,又是一种非常规结构,其力学性能,预应力张拉工艺尚未为人们完全认识,设计的正确性、计算参数取值的合理性等均有赖于试验验证。这次测试工作委托东南大学建筑结构与材料试验中心和广东省建筑科学研究院负责,试验工作在我公司索结构试验加工中心专用试验台座上进行。通过这次预应力自平衡索桁架结构试验,结果与理论计算很接近。

  5、设计的主要材料:

  1)、玻璃: 航站楼的主楼、指廊、连接楼陆侧点支式玻璃幕墙设计选用12(FT)+1.52PVB  +10(FT)(由外向内)钢化夹胶镀膜玻璃。其中连接楼空侧设计选用12(FT)+1.52PVB+10(FT)(由外向内)弯钢化夹胶镀膜玻璃。

  2)、驳接系统:驳接爪设计选用点距为300x600的H型不锈钢驳接爪及配套系列,主楼南北立面、连接楼空侧驳接头为抱头,其它部位都为沉头,与玻璃的连接形成球铰连接。材料为0Gr18Ni9。

  3)、钢索:选用德国进口不锈钢钢铰线,其单丝抗拉强度为1450Mpa;

  4)、钢材:选用20号钢。

  5)、密封胶:设计选用由国家经贸委批准的硅酮结构胶及相应密封胶,点式玻璃幕墙部分选用硅酮密封胶,颜色为半透明;铝板幕墙部分选用硅酮结构密封胶,颜色为银灰色;防火节点部分选用硅酮阻燃密封胶;颜色为白色。

  6、结语

  鉴于点支式玻璃幕墙及预应力自平衡索桁架在国内幕墙同行业起步不久,设计工作除考虑重要的结构方案计算分析及力学试验外,还必须考虑切实可行先进的施工工艺,以确保设计意图的顺利实现,为此我公司多次组织技术人员研究,发挥大家技术智慧,把成功的国内外先进技术及我公司多年来积累的宝贵施工经验有机地结合起来,充分利用我公司现有的6个专利技术,将这些经验,技术巧妙地应用在广州机场幕墙工程上。广州新白云国际机场旅客航站楼幕墙索桁架点支式玻璃幕墙工程的结构形式集新技术、新工艺、新材料于一体。目前幕墙施工正紧锣密鼓紧张进行,相信不久后,一个具有世界一流的现代化国际枢纽机场风貌将展现在世人面前。