【BCW】东方之门超高层异型玻璃幕墙的设计与施工

tonytang2016 2016-03-24

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1 前言

随着科学技术日新月异的发展，建筑技术不断推陈出新，造型独特的外围护结构复杂的新型建筑不断涌现，对于围护结构的设计与施工技术也提出了更高的要求。单元式玻璃幕墙日渐成为高层和超高层建筑的主要围护结构。

本文结合东方之门异型超高层幕墙工程的设计与施工实践和超高层玻璃幕墙工程选择性能好、技术先进、造价合理的高性价比幕墙技术方案还有超高层建筑的不同特点，对幕墙材料的采购、加工、组装、运输、吊装以及质量控制措施进行分析，把握整个工程的要点难点，采用科学有效的安全与技术措施，以确保幕墙工程对质量、安全、成本等方面的控制。

2 项目概况

东方之门座落于苏州工业园区的中央商贸区，地处金鸡湖西岸，位于建设中的苏州中心的中央，地理位置及其优越。苏州中心片区建成后，将成为中国规模最大的整体开发城市综合体、规模最大的整体开发地下空间、规模最大的空中生态花园等。苏州轨道交通 1 号线、6 号线将贯穿整个项目。它包含了写字楼、商业、酒店、酒店式公寓、文化娱乐等多种业态，将设立高端品牌旗舰店与一站式综合性购物中心，引进真冰溜冰场、高科技影院、主题儿童体验中心、精品超市、美食广场及超五星酒店、高端时尚精品酒店等，满足消费者衣、食、住、娱乐等多重体验和需求（图 1）。

东方之门位于苏州工业园区 CBD 轴线东端的龙头位置，毗邻星港街及金鸡湖。苏州轨道交通 1 号线及 6 号线穿过本项目下方并设置“东方之门站”换乘站点。基于本项目的显著位置，以“门”形作为建筑设计的立意自然形成，它以 CBD 轴线为中心对称，门洞正座于轴线上方。东方之门项目在整体外观塑造上同代表着苏州园林典型风格的月洞门之间有着意向上的联系，同时中空呈塔状，是以苏州名塔虎丘塔的轮廊演变而来。以阴刻形式勾勒轮廓，给人留下想象空间，传达了创建苏州新门户的喻意（图 2，3）。

东方之门楼高 301.8m，总建筑面积约 460 000m。整个建筑由南北塔楼和裙楼构成，两座塔楼在顶部相通，成为一体，其外形如同一座大门。300m高度的“门”形外观既表达了独特的古典神韵又体现了高超的现代科技，同时标志着 CBD 轴线的起始，又将空间向金鸡湖作了延伸。

东方之门立面幕墙的处理蕴含着中国文化的精细，双塔东西表面的弧形幕墙如同苏州的丝绸一般从300m 塔顶一泻如瀑，体现着东方之门的气势。南北侧立面及内拱的幕墙设计明显区别于东西面，遮阳挑檐的设置，利用光照阴影产生较含蓄的效果，与率直的东西面互相映衬。建筑顶端的玻璃穹顶用流畅的曲线将东西幕墙自然地连接起来，使得整个建筑浑然一体。

图1 东方之门与苏州中心总体鸟瞰

图2 东方之门建筑形体概念

图3 东方之门效果图

3 幕墙设计概况

东方之门幕墙面积近 160000m²，其中塔楼幕墙面积 120000m²，东西面为单元式玻璃幕墙，南北面及内拱为单元式玻璃幕墙，层间挑檐为框架式铝板幕墙，264m以上拱顶为框架式玻璃幕墙。裙楼幕墙面积约 30000m²，主要为框架式玻璃幕墙（图4，5）。

图4 东方之门幕墙系统概况

图5 东方之门效果图

3.1 塔楼幕墙

3.1.1 南、北塔楼东西主立面幕墙系统

（1）基本结构形式：横明竖隐单元式玻璃幕墙系统（图 6）

（2）面材规格：10 超白+12A+8 双银Low-E 钢化中空玻璃

（3）排水形式：采用横滑式铝合金高性能单元体幕墙，排水方式为高落差隐蔽排水

（4）自然通风形式：设置通风器

东西面的幕墙是逐渐向上收缩的“横明竖隐”单元式玻璃幕墙，外框线条突出较小，远观整体玻璃面比较顺滑，玻璃面向上收缩的角度从 90°~82.5°逐渐过渡。而根据风洞试验数据可以了解主塔楼东西上下值差距不大，选用何种单元幕墙系统，可以简洁高效地覆盖整个东西面上下的幕墙，从而使建筑东西整体立面体现出丝绸般的光滑质感，这是设计的关键。

（5）设计特点：单元上横梁设计中特别考虑角度的变换，设计内层排水构造使之在角度渐变中也能保障排水的顺畅，支座的设计考虑角度的转接顺畅，竖向和横向明框盖板尽量轻薄，立面设置通风器通风使之能保留大分格的玻璃（图7，8）。

图6 东西立面幕墙

图7 东西立面幕墙大样

图8 东西立面幕墙节点

3.1.2 南、北塔楼南北垂直和内拱立面幕墙系统

（1）基本结构形式：横明竖隐层间单元式玻璃幕墙系统（图 9）

（2）面材规格：10 +12A+8 双银Low-E 钢化中空玻璃（部分

8+1.52PVB+8）

（3）排水形式：采用横滑式铝合金高性能单元体幕墙，排水方

式为高落差外露排水

（4）自然通风形式：设置通风器（图 10）

南北直面的幕墙因层间每层均有出挑 900 的砼结构外包铝板的装饰挑檐打断了上下幕墙的连贯性，幕墙的系统构造与东西面幕墙存在差异。南北面内拱为逐渐向外倾斜的幕墙，倾斜的角度从 90?~140? 逐渐过渡至最后并在拱底合拢，选用何种幕墙系统使直面和斜面在外观上保持完整一致性、上下一贯的连续性以及足够的安全可靠度是设计的关键（图 11）。

（5）设计特点：

采用层间单元的构造设计，板块从室内安装，降低了施工安装难度，又利于日后单元板块的更换维护，出挑 900的砼结构挑檐内衬镀锌钢板加强铝板的刚度，加衬保温岩棉有效提高隔音效果，因挑檐的影响玻璃选用不同的 Low-E 中空玻璃，与东西面形成对比，反衬东西面的光滑质感，预留擦窗配合导轨，便于以后清洁维护。

图9 南北立面幕墙

图10 南北内拱幕墙大样

图11 南北内拱幕墙节点

3.2 裙楼幕墙

过街桥部分幕墙跨度达9m高，幕墙向外倾斜75°，平面弧形逐层外移，成倒锥形的曲面表皮；系统亦采用铝包钢框架明框玻璃幕墙系统，可见光透明部分玻璃采用10Low-E（超白）+1.52PVB+8+12A+8中空夹胶钢化玻璃，层间非透明部分采用6Low-E（超白）+1.14PVB+12A+6 中空钢化玻璃和 2mm 铝板背衬板；主龙骨采用300mmX80mm 焊接钢管 + 铝合金扣板包饰（表面氟碳喷涂）；装饰构件：横向铝合金装饰盖板（100mm 宽×300mm厚），竖向小盖板，表面氟碳喷涂。该处幕墙最大难度之处为西立面倒锥型弧形幕墙与弧形屋面相交接处，曲面与曲面相交线为马鞍型的双曲线，所有上排横梁和玻璃提料放样均采用空间三维放线定位（图12~14）。

图12 过街廊幕墙大样

图13 裙房过街廊大样

图14 裙房效果图

4 幕墙结构计算分析与校核

4.1 设计依据

4.1.1 设计参数取值

基本风压：主楼 W0=0.50kN/m2

裙楼 W0=0.45kN/m2

基本雪压：S0=0.40 kN/m2，

地面粗糙度：B 类

抗震设防烈度：6 度

设计基本地震加速度：0.05g

4.1.2 风荷载

（1）风荷载标准值wk ：据《建筑结构荷载规范》(GB50009-2012)（图 15,16）

wk＝W0×μs1×μz×βgz

W0为基本风压，μz为风压高度系数，βgz为阵风系数，μs1为局部风压体型系数

（2）按南京航空航天大学空气动力研究所提供的《苏州市中新工业园区“东方之门”模型动态测力风洞试验报告》参数，以及上述《建筑结构荷载规范》(GB50009-2012) 计算数据，采取最不利数据进行计算，荷载计算取值见表 1。

（3）风洞实验：由于“东方之门”建筑群体造型各异、绕流复杂多变，不同风向角下流态是不同的，其间的干扰影响而导致的风荷载的变化是难以从已有的规范中找到的，故只有在模拟的大气边界层流场中对模型进行试验，利用动态测压系统及动态测力天平实测并加以分析才能初详其貌，为建筑结构设计及覆面材料的抗风载设计提供必要的风荷载数据（图 15,16）。

南京航空航天大学空气动力研究所图纸为“东方之门”制造了几何缩尺比为 1 ∶ 350 的轻质实体测力模型及测压模型。并在 NH-2低速风洞中（模拟大气边界层流场）进行了测压试验及动态测力试验，以确保建筑物的安全、可靠与人居环境的舒适。

图15 风荷载分布对比

图16 东方之门风洞实验模型

4.2 结构设计原理与设计方法

4.2.1 设计原理与方法

（1）有关内力和变形的计算均采用弹性方法进行，对部分变形较大的结构，如索结构，考虑几何非线性的影响。

（2）进行构件的设计计算时，对于静定结构采用材料力学、弹性力学的相关假设、公式、原理及方法进行计算；对超静定结构，一般利用 ANSYS、3D3S等结构设计软件进行计算。

（3）进行面板的设计计算时，一般是基于挠度不大于厚度条件下的弹性小变形理论，采用弹性小挠度计算公式，并考虑与大挠度分析方法计算结果的差异，将应力与挠度计算值进行折减；对支撑条件比较特殊的面板，采用有限元方法进行计算。

（4）除按上述原理及方法进行结构设计计算外，还遵守现行相关规范的规定。

4.2.2 设计荷载分析与组合

在作用于幕墙上的各种荷载中，主要有风荷载、地震作用、幕墙结构自重等。其中，风荷载、地震作用为作用在幕墙上的动荷载；结构自重和由环境温度变化引起的作用效应为作用在幕墙上的静荷载。在进行幕墙构件、连接件和预埋件承载力计算时，采用荷载设计值；进行位移和挠度计算时，采用荷载标准值。

（1）幕墙结构自重

按规范要求，幕墙结构自重的分项系数取γG=1.2（自重起主要控制作用时为1.35)。

（2）风荷载

按规范要求，风荷载分项系数应取 1.4，即风荷载设计值为：W =γ·wk=1.4wk

（3）地震作用

地震荷载标准值Ek，据《玻璃幕墙工程技术规范》（JGJ102-2003）Ek＝Gk×αmax×βE

αmax地震影响系数放大值，抗震设防烈度为 6 度，基本地震加速度为0.05g，取 0.04βE

动力放大系数取 5.0

按规范要求，地震作用的分项系数取γE=1.3，即地震作用设计值为：qE=γE·qEK=1.3qEK

（4）雪荷载

按《建筑结构荷载规范》（GB 50009-2012）取值，雪荷载的分项系数取γG=1.4

（5）施工荷载

按《建筑结构荷载规范》（GB 50009-2012）取值。施工荷载分项系数取γL=1.4。

（6）荷载组合

按规范要求对作用于幕墙同一方向上的各种荷载应作最不利组合。

4.3 塔楼单元式幕墙结构分析与核算

4.3.1 系统描述

北塔楼标准层高为 4.1m ，幕墙横向计算分格宽度 B=1 500 mm，玻璃最大分格为 1550mm×2 995 mm，玻璃采用 10+12A+8mm 厚钢化玻璃（图 17）。

（1）幕墙传力路径分析

玻璃→结构胶（压码）→横梁或立柱→立柱与支座连接系统→支座→主体结构

（2）风荷载标准值

wk：作用在幕墙上的风荷载标准值（kN/m2）

根据风洞试验报告及《建筑结构荷载规范》，取最不利荷载 -3.85 kPa进行计算。

4.3.2 采取ANSYS 结构计算软件进行结构分析

（1）玻璃复核（图18）

（2）立柱复核（图19）

（3）横梁复核：横梁通过螺钉与立柱连接，可简化成简支梁，玻璃面板通过三角形或梯形荷载传递给立柱，通过静力计算方法，可得出横梁的弯矩、剪力大小，查询横梁截面参数后可计算其强度及挠度满足规范要求。

（4）连接复核

a. 横梁与立柱通过自攻钉连接

经过计算分析得出最不利螺钉承受剪力为 3.26kN，小于选用的螺钉受力 3.79kN，满足设计要求。

b. 立柱与挂码连接

经计算，连接螺栓承受最大剪力 11 kN，小于选用螺栓剪力17.39kN；立柱的局部承载力及挂件的局部承载力均满足设计要求。

c. 挂码与主体连接

经计算，挂码与主体连接的角钢各截面局部承载力均满足设计要求（图20）。

图17 塔楼单元幕墙典型大样

图18 立柱弯矩应力与挠度分析

图19 玻璃应力与挠度分析

图20 挂码应力与挠度分析

4.4 塔楼拱底单元幕墙系统难点分析计算

4.4.1 系统描述

本系统位于南北塔楼汇合处拱底部分横明竖隐框单元幕墙，面板采用 8+12A+8+1.52PVB+10mm 中空夹胶玻璃面板，夹胶层在外侧，单元系统为窗式单元板块，最大玻璃面板计算分格宽度 1500mm，计算高度 2 950mm，倾角 50°，计算标高 225.85m，本系统的最大难点在于玻璃面板结构胶与铝合金龙骨的连接，由于结构胶在永久荷载和瞬时荷载作用下的不同力学性能，按常规横明竖隐玻璃面板的连接方式，结构胶很难满足设计要求，故采用弹塑性结构计算原理以及选取高性能结构胶的方法分析计算，玻璃面板的永久荷载通过增加角铝夹件来承受（图 21）。

4.4.2 荷载计算说明

风荷载按风洞及规范编号《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）取值为 6.94 kN/m2，自重荷载分解成与幕墙垂直及平行的两个方向的荷载，并与风荷载进行组合，得出最不利组合设计值为10.32 kN/m2, 最不利组合标准值为7.37 kN/m2。

4.4.3 玻璃面板的受力校核

玻璃面板的受力校核如图22所示。

4.4.4 硅酮结构密封胶宽度计算

此处按最不利分格 Ba×Bb ＝1.50m×2.95m 玻璃面材处硅酮结构密封胶进行计算（图 23）。在本计算中，硅酮结构密封胶实际宽度为 25mm，胶实际厚度为 8mm。在风荷载和水平地震作用下：Ｃs＝ (1.4×1.0×Wk1＋ 1.3×0.5×Ek3)×a/(2000×f1) mm ＝ 24.5mm

水平荷载作用下的胶缝宽度为 24.5mm ≤实际胶缝宽度 25mm，满足要求。

硅酮结构密封胶的粘结厚度计算：按 JGJ102-2003《玻璃幕墙工程技术规范》（JGJ102-2003）第 5.6.5 条

Ts≥μs/[δ×(2 ＋δ)]0.5 ＝ 6.182mm ≤实际胶接厚度 8mm，所以硅酮结构密封胶的强度满足要求。

图21 塔楼内拱单元幕墙大样

图22 玻璃面板应力与挠度分析

图23 单元幕墙立柱节点

5 本项目设计与施工中的重点与难点及解决方法

5.1 造型独特、结构复杂

5.1.1 空间定位放线

对整个大楼进行 CAD 线框建模，形成工作控制模型，指导节点设计与现场施工，提供了准确的理论坐标，为现场测量提供有效依据，能通过实测纠偏提前发现设计与现场的问题，并及时解决。

5.1.2 全站仪、垂准仪应用

由于东方之门塔楼幕墙造型比较特殊，东、西立面自下而上向内收缩，南、北塔楼内拱处自下而上逐渐向外倾斜。为了保证测量、放线的准确性和精确度，东方之门塔楼工程特采用全站仪和垂准仪进行定位、放线。总包采用三级平面测量控制网，每 4 层联测校核对分包测量进行系统组织控制。通过一层总包方提供的基准控制点，用全站仪将其引至幕墙外边缘线，再通过垂准仪将基准控制线引至七层，然后依次用全站仪和垂准仪将基准控制线引至各楼层进行定位、放线。

5.1.3 塔楼幕墙在设计与施工中解决的问题

1）大型幕墙单元的垂直运输与高空安装；2）内拱与拱底幕墙加工与安装及其维护措施；3）弧面幕墙的收口与交接；4）成拱过程中结构变形对幕墙安装的影响；5）拱顶幕墙的精度度、外观、安装与结构安全；6）采用适当的幕墙体系处理好收边收口工作；7）采用特殊的技术工艺安装拱底幕墙；8）采用柔性单元节点处理好结构变形；9）拱顶的幕墙采用室内排架，自上而下安装。

5.2 弧面幕墙的施工

（1）基本结构形式：横明竖隐单元式玻璃幕墙系统。

（2）采用轨道吊装：该楼梯表面之下而上向内缩进，轨道不能一次安装至最顶端，只能根据标高测量每层的缩进量来分段架设（图24，25）。

图24 东西弧面幕墙吊装措施

图25 东西弧面幕墙安装

5.3 内拱的施工

（1）基本结构形式：横明竖隐层间单元式玻璃幕墙系统。

（2）层间单元的安装：本系统单元在楼体外沿向内 900mm 处，上下两层单元断开，在每一层的单元位置上方开了预留孔，在上层设置吊具，进行安装（图26）。

（3）内拱挑檐板

垂直面挑檐板安装：采用传统的吊篮安装方式，在内拱处自下而上逐渐向外倾斜，三十九层以下倾斜量较小，在正常吊篮作业范围内，可直接按照普通吊兰架设模式架设，完成三十八层以下的作业面安装工作；由于本工程楼体造型原因，三十九层以上大倾斜量逐渐加大，至四十九层（五十一层为合拢处）倾斜量达到 11m。根据每层的倾斜量分段架设：从三十九层至四十九层分 3 段架设，这样吊篮向内的拉近量就小了很多，安全性得到了保证（图27）。

图26 内拱幕墙吊装措施

图27 内拱幕墙安装

5.4 塔楼拱底幕墙

（1）具体位置：内拱交接部位。

（2）基本结构形式：构件式明框玻璃幕墙系统（图28）。（3）面材：夹层 Low-E 中空玻璃。

本系统位于南、北塔楼连接部位（标高 225.85m），施工面较高、下部无楼体结构，通过搭建工作平台，在其施工面的下方安装辅助钢支撑，钢支撑上铺设木板的方式进行幕墙的安装工作外围护做全封闭安全网，以确保施工安全（图 29）。拱底也配置了特殊擦窗系统（图30）。

图28 拱底幕墙节点

图29 拱底幕墙安装措施

图30 拱底幕墙的清洗措施

5.5 塔楼拱顶幕墙

（1）具体位置：塔楼采光顶位置。

（2）基本结构形式：构件式明框玻璃幕墙系统。