單層索網玻璃幕墻施工技術淺析

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　　摘要：本文結合國際金融論壇(IFF)永久會址項目國際會議中心東立面主入口單層索網玻璃幕墻的施工案例情況，對其施工技術進行了簡單介紹，重點針對施工過程仿真分析、展索、掛索、分級張拉等工藝進行總結，供廣大幕墻工程技術人員參考。

　　關鍵詞：單層索網;施工準備;仿真分析;施工目標狀態;找形分析;展索;掛索;分級張拉;超張拉;施工監測

　　1.引言

　　在當代建筑行業，單層索網玻璃幕墻因其無玻璃邊框、無大型支撐結構而深受建筑師的青睞，它輕盈通透，不僅讓人們視野開闊，而且增強了建筑內外交融的美感，因而被廣泛運用到辦公樓大堂、會議中心、機場、會展等公共建筑的外立面。然而單層索網玻璃幕墻的支撐結構由柔性鋼索構成，其與傳統幕墻結構相比具有受力復雜、現場張拉力大、施工難度高等特點。本文結合國際金融論壇(IFF)永久會址項目國際會議中心東立面主入口單層索網玻璃幕墻的施工案例情況，重點對柔性結構邊界的索網施工仿真分析、展索、掛索、分級張拉等工藝進行分析和總結，供廣大幕墻工程技術人員參考。

　　2.項目概況

　　國際金融論壇(IFF)永久會址項目選址于明珠灣起步區橫瀝島尖東側，是大灣區建設的標志性工程。該項目主要包含國際會議中心、國際會議服務酒店、政要公館三個部分，總用地面積約20萬平方米，總建筑面積約25萬平方米。項目立足于南沙獨特的自然要素與地域文脈，以木棉花開、鴻翔海絲為設計概念，體現花城之美;建筑線條飄逸飛揚，如鯤鵬展翼，有振翅欲飛之力，寓意國際金融論壇(IFF)永久會址助力南沙新區建設騰飛發展，在粵港澳大灣區發展中發揮示范性作用，面向世界，面向未來。，其中國際會議中心建筑面積約15.1萬平方米，具備一個3000平方米的主會場，3000平方米的宴會廳，兩個1600平方米的多功能廳、數十個中小型會議室及約1.3萬平方米的專業展廳。主要幕墻包括PTFE膜及內側玻璃幕墻、大跨度Y形柱框架玻璃幕墻、大跨度單層索網幕墻、UHPC幕墻、采光頂等。

　　3.索網概述

　　本項目國際會議中心東立面的主入口采用單層索網幕墻，幕墻安裝在托桁架與A字柱形成的門框結構中。主入口單層索網幕墻從頂部往下向內部傾斜的同時寬度縮減，平面形狀為一內傾的梯形，下部寬39m，上部寬40m，兩側高39m。

　　單層索網玻璃幕墻的橫向索和豎向索呈正交網狀布置，典型分格尺寸寬為2m，高為3m。其中豎向拉索為主受力索，上端錨固在托桁架下弦，下端錨固于地面預埋件;橫向拉索為穩定索，兩端錨固于A字柱。托桁架弦桿和腹桿截面分別φ700x40和φ351x25，A字柱截面為□1300x1300x40x40。入口門斗的梁截面為鋼管混凝土梁□800x800x40x40，柱截面為鋼管混凝土柱□800x500x40x40,以及箱型柱截面□600x200x20x20。橫向穩定索采用1300級316不銹鋼（詞條“不銹鋼”由行業大百科提供）φ45拉索，豎向承重索采用1300級316不銹鋼φ65拉索。豎向拉索的索力為950kN,橫向拉索的索力為320kN。

　　4.施工準備

　　預應力鋼索施工專業化程度很高，前期需要大量的準備工作，包括深化設計方案、施工過程仿真分析、施工工器具設計、施工方案編制、與其他單位技術配合等。因索產品是在工廠加工的成品運至現場，一旦前期準備工作出現偏差將嚴重影響工程施工質量、進度和安全，故前期技術準備工作是索結構施工的核心環節，尤其是施工過程仿真分析，以下僅針對施工過程分析進行介紹，其余不再贅述。

　　施工過程仿真分析是通過計算機有限元仿真技術，提前將整個施工過程進行“預演”，了解各個施工階段結構的受力狀態以及施工過程結構非線性響應對結構最后成型狀態的影響，為制定滿足設計意圖、安全經濟的施工方案提供指導。

　　4.1 施工目標狀態

　　本項目的索網結構特點鮮明，索網幕墻上部的屋蓋鋼桁架結構跨度超過40m，兩側為高大的A型柱，相較于錨固在混凝土主體結構（詞條“主體結構”由行業大百科提供）之間的索網幕墻有較大差異，邊界的剛度較柔，變形很大。且本項目幕墻面自然前傾5度，改變了垂直面索網幕墻的形態，受力狀態相對更復雜。為了保證索幕墻在完工狀態的建筑立面效果，保證璃幕墻完工狀態橫平豎直，即要求橫向玻璃膠縫和豎向玻璃膠縫均應與建筑立面設計要求保持一致，而不應該出現彎扭或者曲線下垂效果，以此作為施工終態的目標狀態。要達到此狀態，對結構設計和索結構施工提出了較高的要求。

　　根據設計初始態要求，索網幕墻的最終目標狀態包含了索力和位形兩個主要的目標。所有橫索張拉完畢索力控制在320kN;所有豎索張拉完畢索力控制在950kN;對位形的要求，考慮到建筑立面的效果，所有的玻璃在安裝完畢后保證橫平豎直，由于整個索網前傾5°，索網面外不可避免也會有一定變形。

　　4.2 主體結構屋蓋影響分析

　　結合主體鋼結構整體模型，充分考慮整體結構與索網的協同工作，以及主體結構屋蓋的卸載對索網邊界的變形影響，需要進行屋面施工過程不同階段的位移分析，主要為吊裝屋面鋼結構、拆除屋面胎架、非采光頂區域屋面安裝、采光頂區域屋面安裝階段位移分析。索施工前，屋面恒載作用下頂部桁架跨中已經有-18mm的豎向變形。

　　4.3 施工過程找形分析

　　根據索網施工過程，分析掛索預緊、一級張拉、二級張拉、三級張拉、安裝完玻璃位移，并對索夾進行設計目標狀態和找形后狀態對比，張拉施工結束安裝完玻璃所有拉索需達到橫平豎直的結果。

　　4.4 關鍵工況索力分析

　　根據施工過程找形分析的結果，張拉施工安裝完玻璃所有的拉索索力滿足設計要求，最終橫索索力范圍316~328kN，豎索索力范圍934~1040kN。其中三級張拉完畢狀態對應設計初始態，索力結果基本一致。

　　4.5 關鍵工況邊界結構變形分析

　　根據施工過程找形分析的結果，頂部的懸鏈線形桁架在張拉過程中豎向變形從施工前-18mm逐步發展到-88mm，反應出邊界較柔，這么大的變形對拉索下料有非常大的影響，必須要根據施工過程的結果結合現場復測來確定拉索索長。

　　5.施工工藝

　　索網施工工藝包括現場復測和放線、拉索下料、進場準備、搭設平臺、展索、掛索、分級張拉、安裝夾具、安裝玻璃等，張拉過程中需進行張拉監測，自掛索開始至玻璃安裝完成需由第三方監測單位對主體結構進行監測。上述除展索、掛索、分級張拉外，其他工藝與普通幕墻施工大同小異，以下僅針對展索、掛索、分級張拉進行介紹，其余不再贅述。

　　5.1 展索

　　展索的目的主要釋放索內殘余應力，拉索運輸到現場后，展開拉索的盤圈直徑不小于拉索直徑的30倍，即本工程最大索直徑為65mm，盤圈直徑不小于2.0m。根據現場場地布置要求，在入口大門正下方擺放拉索，保證拉索在安裝過程中避開障礙物，同時保證拉索順利放開并安裝，最后將所有拉索放置與成形后對應位置豎向投影位置處。展索時將索盤吊至展索盤上并將索頭解開，用卷揚機牽引索頭，為防止索體在移動過程中與地面接觸，索頭用軟性材料包住，在沿放索方向鋪設展索小車，以保證索體不與地面接觸，拉索每隔兩米間距宜布置方木用來擱置拉索，盡量保護拉索，避免與地面摩擦。再將鋼索在幕墻所在位置正下方附近的地面上慢慢展開。在放索過程中，因索盤繞產生的彈性和牽引產生的偏心力，索開盤時產生加速，導致彈開散盤，易危及工人安全，因此開盤時注意防止崩盤。

　　5.2 掛索

　　本項目拉索幕墻自然前傾5°，綜合考慮拉索索夾拉索的關系，橫索在內，豎索在外，結合現場實際情況，擬從下往上逐根安裝橫向拉索，待橫索安裝完畢再從左往右逐根安裝豎向拉索。

　　5.2.1 橫索安裝與就位

　　橫索選用Ф45的不銹鋼拉索，單根長度約為40米，單根重量最大約為700kg,利用兩臺卷揚機通過A柱頂部懸掛的滑輪吊裝，上人操作平臺采用高空車，跨中采用50噸吊車輔助吊裝，待拉索到了指定位置，高空車上的工人通過吊帶及葫蘆將索頭牽引到連接耳板附近，校準后完成銷接。索頭螺桿牽引就位時需要將錨杯順著連接耳板插入，不得磕碰螺桿螺紋。拉索提升過程中需要采用木扁擔保護拉索，如下圖12所示：

　　5.2.2 豎向幕墻拉索安裝

　　豎向幕墻拉索的安裝：豎向拉索選用Ф65的不銹鋼拉索，單根長度約為39米，單根重量最大約為1.2噸，利用卷揚機提升拉索至待安裝位置，高空車上人安裝拉索如下圖13所示：

　　5.3 分級張拉

　　本工程特點為平面和立面均為不規則結構，為最大限度降低幕墻索預應力施加對結構的影響，且與整體計算模型相吻合，本方案擬定采用先張拉橫索和豎索，然后再進行玻璃夾具的安裝，該方案的優點是張拉結果與設計要求的設計索力吻合度較高，可以較好的減少主體結構施工偏差帶來的不利影響。另外，為降低索預應力施加對周邊結構或構件造成較大突變，本方案擬定張拉施工從剛度較大的區域逐漸向剛度較小區域發展，且張拉過程盡量均勻。

　　5.3.1 張拉施工原則

　　張拉順序：豎向拉索從兩邊往中間張拉，橫向拉索從上往下張拉;對稱與同步張拉：豎索的空間位置分為10個張拉組，每一組內的索同步張拉;橫索分為11個張拉組，每一組內的索同步張拉。相鄰兩個張拉組的時間間隔約1.5~2h，兩個張拉級間隔時間為一天，保證整體結構及連接節點受力變形到位，消除結構的間隙。張拉分級：橫向拉索和豎向拉索分別分三級張拉，張拉級分別為30%、70%和100%;張拉條件：主體結構幕墻框架主體構件A柱、桁架和拉索節點安裝完成，主體結構屋面安裝好，恒載到位后，節點連接焊縫探傷驗收等滿足要求后方可進行張拉施工。張拉過程中橫索撓度控制：最后一級張拉完成前進行玻璃夾具的安裝，將夾具螺栓（詞條“螺栓”由行業大百科提供）放松，讓橫索可以在夾具內滑動，最后一級張拉完成后再擰緊夾具螺栓。

　　5.3.2 預應力張拉施工

　　根據橫索和豎索的邊界情況及拉索兩頭調節端的情況，擬在地面一側張拉豎索，左側A柱設置張拉端，進行張拉施工，張拉點如圖15示意。其中橫索的張拉施工由于條件較差，需要吊車及高空車的配合，同時結合頂部桁架掛工裝索及吊帶，用于輔助安裝工裝及千斤頂設備。

　　工人通過高空車在張拉端就位，首先吊裝安裝反力架，位于拉索錨具外側，重量較小，直接可以套在錨具的耳板上固定;高空吊車將千斤頂和配套精鋼螺紋桿，吊裝到目標張拉端，安裝過程中需注意千斤頂受力中心線和拉索軸線方向一致;再安裝油泵，注意油泵的出油口和進油口需按照油泵說明書上安裝;工裝設備安裝完成后，開始張拉，張拉之前需要標記拉索大螺母的位置;開始加壓，加壓的過程必須保證兩臺千斤頂同步進行，避免受力不均勻，如何保證千斤頂同步進行，加壓的速度需緩慢，通常是1Mpa為一個步級。張拉過程中，通過擰緊大螺母來使拉索受力，考慮到小鋼棒轉動可能力矩不夠，需要采用對應的扳手，大螺母始終保持和錨墊板在一起便可。張拉到設計要求力值后，測量結構等變形情況，張拉結束。

　　5.3.3 預應力損失及處理措施

　　張拉過程種預應力損失產生主要原因如下：鋼索索體松弛;鋼索索體錨具回縮變形，主要是調節螺桿變形;油壓損失;節點摩擦使預應力產生損失。為保證張拉力達到設計要求，根據大量工程經驗，實際張拉過程中，采取在理論張拉力基礎上超張拉5%進行控制。

　　6.施工過程監測

　　通常預應力拉索，是從確定的一個初始狀態開始的，習慣上是根據建筑要求和經驗使結構具備一定的初始剛度。但是僅此而獲得的結構剛度是不夠的，這就必須對柔性的預應力鋼索施加預應力，使結構進一步獲得剛度，以便在荷載狀態對各種不同的荷載條件下結構任何段鋼拉桿的任一單元均滿足強度要求及穩定條件。本工程經計算可得，預應力拉索的張拉結構位移控制可變因素多，故張拉施工過程中對結構“力”的控制極為重要。

　　6.1 監測原則

　　為滿足預應力施工過程的需要，保證工程順利進行，施工監測布點時采取以下原則：

　　索力監測：以索力監測為主，保證結構張拉完成的結構“力”與設計相符。

　　位移監測：本工程位移響應不敏感，位移監測相對誤差較大，以位移監測為輔，通過監測結構位移情況來驗證結構“力”的變化趨勢情況。

　　6.2 位移監測

　　本工程預應力拉索的施工精度（詞條“精度”由行業大百科提供）直接影響到玻璃幕墻的安裝，而拉索的安裝位置取決于主體鋼結構的安裝精度，主體鋼構（詞條“鋼構”由行業大百科提供）、拉索和玻璃幕墻三者緊密的結合，前后互相影響較大，故對本工程的測量監控技術要求較高。

　　拉索節點空間位置：本工程在索網均勻選取若干個區域，測量這區域的拉索節點，再放映到CAD圖紙上，通過實際放樣確定拉索的安裝精度是否與設計相吻合。通過監控索夾處的三維坐標，把現場放映回來的實測數據與圖紙上的CAD坐標進行比較。可以知道這個節點的位移變化值，進而確定拉索的安裝與張拉精度。

　　張拉過程中監控點位移控制：通過監測索網節點在張拉施工過程最終的位移驗證索網索力的變化。

　　根據仿真分析，監測點最終標高數據如下：

　　最終的位形按照玻璃幕墻工程技術規范JGJ102-2003的施工質量要求控制：

　　6.3 索力監測

　　直接在張拉千斤頂油泵上的壓力表直接讀出，這是施工過程中最直觀的讀數方法。鋼索結構通常使用液壓千斤頂張拉，由于千斤頂張拉油缸的液壓和張拉力有直接關系，所以，只要測定張拉油缸的壓力就可以求得鋼索索力。

　　7.結語

　　索網結構的形成過程即施工過程，索網在安裝過程中同時建立了預應力并使結構形成，若施工沒有控制好，其可能形成的索網結構面目全非，甚至導致玻璃面板無法安裝。其施工過程中應注意以下幾點：

　　1)前期技術準備工作是索結構施工的核心環節，重點做好施工過程仿真分析;

　　2)索的下料長度、索的下料狀態應力在施工仿真分析中得到計算和控制，并結合現場復測尺寸進行修正;

　　3)施工方案確定好掛索順序、張拉順序、張拉分級及相應索力控制，必須與設計的預應力施加過程相一致，并嚴格按方案執行;

　　4)控制預應力施加過程的速率，保證整體結構及連接節點受力變形與設計一致;

　　5)預應力施加過程的監控十分重要，施工中應規定監控索力和位移的指標，同時監控一些重要結構構件的“形”和“力”。

　　參考文獻：

　　[1] 中華人民共和國住房和城鄉建設部. 建筑施工高處作業安全技術規范：JGJ 80—2016[S]. 北京：中國建筑工業出版社，2016.

　　[2] 中華人民共和國住房和城鄉建設部. 索結構技術規程：JGJ 257-2012—2012[S]. 北京：中國建筑工業出版社，2012.

作者單位：深圳市方大建科集團有限公司