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iStructure| 巧妙的幕墙钢结构设计分享
2020年11月10日    阅读量:1080    新闻来源:360资讯网 ChinaNews360.com  |  投稿

幕墙以独特的色彩与光影、多变的造型包覆在建筑表面,是现代建筑最显著的表现特征之一,也是项目业主和设计师关注的重点。

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中国钻石交易中心单索幕墙,上海

普通的幕墙一般通过连接件把幕墙框或面板与主体结构固定即可。但对于特别高大的幕墙,就需要设计专门的支承钢结构,有实腹梁柱、桁架、索网、索桁架、纯玻璃结构等形式涂料在线coatingol.com

幕墙结构承受的荷载包括竖向重力荷载和水平荷载(风荷载为主),相应的需要两个方向的传力体系。当然,也可以将两个传力体系合二为一。

对于幕墙竖向自重荷载,一般采用吊挂式或下承式;对于水平风荷载,一级支承构件可以是立杆、横杆或双向受力。

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典型的竖向实腹钢柱支承结构

之前小 i 介绍过索网幕墙、索桁架幕墙、纯玻璃结构,系列文章见文末链接。今天再分享几个有趣的案例,看结构工程师如何在幕墙结构设计中发挥创造力。


实腹梁柱

实腹截面的钢立柱是最常用幕墙支承结构形式。出于建筑立面效果的考虑,一般要求构件截面在立面上的宽度尽量小。

当截面宽度小到一定程度,钢柱就变成了一块厚钢板。虽然从力学角度考量的材料效率和受力稳定性并不好,但外观轻薄、加工方便、避免了小尺寸构件的焊接变形,深得建筑师青睐。

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International library of children's literature

由于厚钢板构件的截面宽度过小,构件弱轴稳定问题很突出。常见设置水平方向的钢拉索,以约束构件的失稳。如上图所示,每道横向约束由两根拉索组成。

如果幕墙柱不承受竖向力,或者上端吊挂受拉,其稳定性能得到提高。下图案例所示的幕墙柱之间通过钢拉索约束钢柱失稳。同时,另有一道靠近玻璃面板的钢索吊挂着点式爪件,承受着幕墙的重力荷载,幕墙钢柱仅承受水平荷载。


空腹桁架

空腹桁架、平面桁架、立体桁架形式的幕墙,由于桁架杆件数量大、视觉重叠,很难做到通透而细致。偶尔也有特例。

纽瓦克国际机场候机廊的幕墙,幕墙柱的间距较小(约3~4m),每根幕墙柱负担的荷载小。设计上把常规的实腹式幕墙柱截面,离散成空腹桁架的细小杆件,并不觉得笨重。


细节处理方面,桁架腹杆用钢板代替并且切出圆角,使得钢结构外观上更像腹板开孔的梁;桁架之间的连系杆与幕墙横框错开,避免两者重叠显得构件太大,意外地呈现出相对匀质的立面。


纽瓦克国际机场候机廊幕墙-空腹桁架

约翰肯尼迪国际机场的幕墙柱也类似,空腹桁架柱采用小管径构件,桁架两端的弦杆捏拢收小,腹杆为纺锤形方管。细部设计方面,钢结构与玻璃面板的连接显得更加紧密。


约翰肯尼迪国际机场幕墙-空腹桁架

当然,也有把双向桁架,甚至三向桁架用作幕墙支承结构的案例。


双向桁架作为幕墙主支承结构


Faculty of Law University of Cambridge 三向桁架


索网的变种

在“单索-极致通透”一文中,我们介绍了许多单索和索网幕墙案例。今天再介绍几个有趣的变化。

YAMAHA乐器银座店的幕墙设计取自弦乐器的意像,采用索幕墙形式。立面大部分为斜放的网格,仅在首层因开门和橱窗位置竖直板块。


YAMAHA乐器银座店 立面幕墙

因此,上部的幕墙索网按照斜交网状布置,锚固在建筑两侧强壮的侧墙上;而首层为简洁的竖向单索幕墙。两种索幕墙通过二层的刚性桁架转换。


YAMAHA 乐器银座店的两种索幕墙


两种索幕墙之间的转换桁架


东京Mori美术馆是一栋圆桶形的建筑,主体的竖向和抗侧结构为建筑中心的钢结构支撑筒体。像酒桶形的立面幕墙并不适合采用索网结构,因为施加预应力的钢索会使单曲率幕墙面向内收紧,结构体系不稳定。


本项目幕墙设计的巧妙之处在于,设置一道道环向的钢横梁,限制索网向内收紧的变形趋势,实现了桶状的索网幕墙。


东京Mori美术馆

在交叉索网中施加预应力形成抗风抗震所需的水平刚度;沿立面竖向设置更加纤细的拉索吊挂幕墙重量;横梁设计成环形的钢片,即交叉索网和竖向索索力的水平分量,同时用来固定玻璃板块。三者相辅相成。


东京Mori美术馆—幕墙节点细部


我们知道索网幕墙内有很大的拉力,因此需要周边主体结构提供一定的刚度和承载力。有没有其它方法?

Sowwah Square项目中,转角处并没有强壮的主体结构支承索网幕墙。结构工程师设计了两个平面上的鱼腹形索桁架来承担水平向索力。角部的钢立柱只承受轴力,截面有机会做得很小。


 Sowwah Square转角处的鱼腹形索桁架

不过,鱼腹形索桁架的刚度可能比较小,是否与索网幕墙的索力和变形协调,尚需进一步考证。


玻璃肋幕墙

在“结构材料系列—玻璃” 一文中我们介绍过许多玻璃结构,这里只提一个案例的细节。

为了实现视觉上最大程度的通透,有些玻璃肋幕墙设计上,取消了人视高度范围内的肋板,仅保留立面的上半部分肋板。玻璃肋呈悬臂受力的状态,形状也呈上宽下窄。


悬臂受力的半跨玻璃肋幕墙


一些项目案例中,直接利用靠近幕墙的主结构柱作为幕墙系统的一级支承,再辅助以二级构件,构成完整的幕墙结构体系。

下图所示的项目中,以主楼柱子做竖向构件,以三角形飞翼和玻璃肋做水平横梁,以钢拉杆吊挂玻璃重量。


利用主结构柱的幕墙结构体系

三角形飞翼、飞翼与飞翼的铰点、飞翼与水平玻璃肋的节点等做了细致处理。虽然整个系统略显繁琐,但看得出结构体系和细节的设计都花了很多心思。


幕墙结构体系和细节设计

下图所示的案例也用了类似方法:斜撑杆与水平梁构成稳定的三角撑,钢拉杆吊挂幕墙自重。


仔细看横梁由成品槽钢开孔制作,撑杆与横梁铰接节点做了一个真实意义的转动销轴,爪件与横梁、爪件与拉杆的连接简洁、有效。


利用主结构柱的幕墙结构体系和节点

McLaren Technology Centre项目中,将钢板横梁按照连续梁弯矩的变化,而宽度渐变,并随着建筑立面蜿蜒延伸。在靠近柱子位置的钢梁宽度最大,一方面能够与柱子直接相连,另一方面在钢板开许多孔来消解结构的尺度。


McLaren Technology Centre

钢板横梁仅能承受水平荷载,幕墙的竖向荷载由竖向拉索吊挂,拉索贴近玻璃板块的分缝,幕墙整体显得十分简洁。仔细看横梁钢板与柱子的法兰连接,也是足够考究。


McLaren Technology Centre 幕墙细部


幕墙结构虽然体量小、受力清晰,但其结构形式和形态丰富多变,尤其考验设计者创造性和想象力。结构工程师应根据主体结构特点、幕墙尺度、支承条件、建筑视觉要求等因素,选择合适、高效的体系。

此外,幕墙结构直接暴露在建筑空间中,对构件尺度和节点细节的精细化设计也尤为关键。

最后,希望这篇浅显的资料收集短文能够对大家有所帮助,欢迎留言区交流讨论。


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