近年,随着行业的飞速发展,建筑对表皮设计的要求越来越高,特别是场馆类等大型公共建筑幕墙的造型越来越复杂,不乏大跨度、大空间的复杂结构形式,采用折面或者异形曲面等形式的也较多见 ^[1,2,3,4,5]。幕墙设计作为独立的一个体系,将建筑形态表现与结构受力需求有机地融合。幕墙钢结构与主体结构相比,多采用轻钢结构体系,钢材规格较小、壁厚较薄。由于幕墙钢结构设计一般需要考虑幕墙的细部连接构造,故一般由幕墙专业的设计人员完成计算及设计。随着建筑表皮设计多样化的发展,对幕墙专业的设计人员也提出了更高的要求。

　　 简阳市文化体育中心(简称简阳文体)位于四川省简阳市,总建筑面积419 939m²。项目分为1～8号楼(图1),简阳文体2号楼为其中一个子项,包含文化馆、美术馆、博物馆、方志馆(图2)。简阳文体2号楼的主体结构为钢筋混凝土框架结构,主楼地上5层,地下1层,主楼主要柱网尺寸为8.4m×8.4m,结构高度为28.2m,边柱采用斜柱,局部剖面图如图3所示。简阳文体2号楼主要幕墙类型有:镂空外网金属幕墙、铝单板幕墙、横明竖隐玻璃幕墙系统、铝合金矩管百叶系统等。本文着重介绍2号楼镂空外网金属幕墙的钢结构体系设计。

　　 简阳文体项目,除了2号楼,3,5～8号楼的幕墙均有镂空外网金属幕墙,此幕墙系统为本项目的一个亮点亦是难点,需确定一个统一做法来适应各个单体的情况。

　　 首先从幕墙钢结构型材选型着手,一是由于表皮外露的原因,考虑防腐耐久性及整体的美观度,钢结构型材确定选用闭口形截面; 二是从施工简洁、方便加工角度出发,由于表皮形态为斜交叉的菱形网格,有较多钢结构相交点的处理,而圆钢管在相交相贯点的处理方面较为灵活,故幕墙钢结构型材选用圆钢管作为主要受力构件。其次,是从钢结构受力体系选型着手。该工程建筑表皮形态为网状,不宜选用较厚重的空间三维网架结构,虽然表皮为异形曲面,但可类比于空间网壳结构。鉴于幕墙内外表面均为外露的可视面,考虑到建筑美感兼顾结构受力需求,最终确定幕墙钢结构选用异形空间圆钢管网壳结构体系。

　　 镂空外网金属幕墙的金属板材与圆钢管的连接方案比选如图4,5所示。方案一的连接特点是角码可以转动不同角度,适应多曲面多造型的表皮; 不足之处是在板块安装定位之后,需要打限位螺钉防止板块滑移,多一道工序。方案二的连接特点是简洁、方便,直接采用压块固定常规的不转动角码。通过BIM模型对整个项目板块尺寸及角度进行分析发现,金属板材可通过“以直代曲”来形成整体表皮形态。方案二直接压块的连接方式可满足项目需求,同时,考虑施工安装方便、经济性等因素,最终选择方案二的连接方式。

　　 将图4,5中铝合金横梁等效为简支梁的受力模型,通过受力分析,确定横梁的尺寸规格,同时考虑构造需求,最终确定幕墙空间完成距离(即表皮到幕墙钢结构中心线的距离)为200mm。

　　 镂空外网金属幕墙的金属板材孔洞处折边处理方案比选见图6。在设计之初,建筑模型没有考虑孔洞位置的折边效果,经幕墙专业深度配合设计之后,一是考虑增加板材边部强度,二是从美观角度出发,增强视觉观感及形态厚重感,最终确定在金属板材孔洞处折边100mm。最终现场挂样效果见图7。

　　 限于三维曲面幕墙成本高昂,在视觉误差允许的情况下,尽可能地用平板代替单曲面板、单曲面板代替双曲面板,规格尽可能统一是幕墙面板设计中兼顾效果与成本的常规思路。根据BIM模型中提取的几何信息对幕墙分格尺寸分析,同时进行微调及优化设计,使其在不改变原设计意图及建筑完成效果的前提下,以方便施工和降低造价为目的进行优化设计。

　　 首先,分析优化幕墙面板的几何特性。对模型进行微调及优化之后,利用Rhino中Grasshopper模块编程对模型中面板的边长角度等几何信息进行提取分析。通过提取出的四边形板块翘曲值等信息,分析幕墙面板是否可以做平板或单曲板。优化后模型如图8所示,图中虚线框区域为单曲面板,其余位置为平板,完全消除了双曲面板的情况,既满足了建筑效果,又降低了造价,同时也方便了施工安装。

　　 其次,分析优化幕墙钢结构的几何特性。在工程设计中,为了方便施工、降低造价,常常将异形曲面钢结构杆件进行优化,在不影响整体建筑效果的前提下,将直线杆件代替异形曲面杆件,该做法可称之为“以直代曲”。对整个2号楼表皮共21 753根钢结构杆件进行几何特性分析,钢结构“以直代曲”后最大弦高为101.7mm,幕墙转接件调整范围为±15mm,即幕墙转接件可以消化的弦高为30mm,在不改变幕墙的曲面顺滑过渡效果情况下,将钢结构“以直代曲”后的弦高分为4种长度区段,30mm为一个长度区间,幕墙钢结构几何特性分析情况的统计如表1及图9所示,图9(a)中虚线框以外区域的杆件弦高在0～30mm区间,图9(b)～(d)虚线框中的杆件为满足相应弦高要求的杆件。结果表明本工程约98.6%的杆件均可通过幕墙的构造层次来消化30mm的弦高,即实现钢结构的“以直代曲”,大大地降低了施工难度及造价成本。

　　 本项目所有檐口与立面的交接均为阳角,局部幕墙面板阳角分格图如图10(a)所示。上述2.2节中确定了幕墙空间完成距离(即表皮到幕墙钢结构中心线的距离)为200mm,将幕墙面板分格线向钢结构中心面法线方向投影,得到幕墙钢结构中心线。在阳角偏移后两个面的相交线(图10(b)中部加粗线)设置一根大尺寸的转接钢管,可以同时收口并连接两个面的钢管(图10(c))。

　　 提取上述过程所建立的钢结构中心线,由于钢管中心线全部为Nurbs曲线,直接导进结构计算软件不能识别计算,需要对线条进行预处理。将Nurbs曲线转化为多段线,转化后的曲线存在部分转角交接处与转接钢管不相交的情况,需要导入AUTOCAD中进行预处理,处理完后的模型可以导入SAP2000中进行结构计算。

　　 围护结构起控制作用的荷载类型主要有自重及风荷载。设计中参考了《钢结构设计标准》(GB 50017—2017) ^[6]中第3.3.5节对温度区段长度值的规定,同时整个项目幕墙钢结构根据主体结构的布置,相应地设置了伸缩缝,故可变荷载组合中不考虑温度荷载。镂空外网金属幕墙的金属板材选用4mm厚的铝板,幕墙钢结构圆管壁厚也较薄,均是轻质材料,地震作用并不是主要控制荷载。本工程位于简阳,抗震设防烈度6度,根据《空间网格结构技术规程》(JGJ 7—2010) ^[7]中第4.4节的规定,网壳结构在6度地区可不进行抗震验算。

　　 表2为幕墙钢结构设计中考虑不利的可变荷载组合 ^[8,9,10],根据位置不同,分为非转角位置即大面区域和转角位置。荷载模式有正风荷载、负风荷载、檐口活荷载(即不上人屋面活荷载)和自重荷载,同时在转角位置还考虑了左侧面和右侧面受正风向、负风向的组合情况。荷载分项系数,均按照最新版《建筑结构可靠性设计统一标准》(GB 50068—2018) ^[11]取值,即永久荷载分项系数为1.3,其余可变荷载分项系数为1.5。

　　 本项目中的风荷载按照实际的受荷面积宽度以线荷载的形式进行加载。首先计算得到风荷载的面荷载标准值为1kN/m²,对于大面积镂空立面,受荷金属板宽度约为400mm,故镂空处加载的线荷载标准值为0.4kN/m; 对于实体面板部分或者小面积镂空区域,受荷宽度约为750mm,故加载的线荷载标准值为0.75kN/m。以上荷载通过幕墙构造层次中的压块及铝合金横梁传递到所连接的钢管上,在计算模型中以线荷载的形式进行加载。

　　 整个镂空外网金属幕墙分为立面表皮和檐口表皮两大部分。立面表皮的幕墙钢结构均连接在主体结构的竖向构件上,主体结构的柱距为8.4m; 檐口表皮的幕墙钢结构通过连接柱与主体梁连接。首先取出一片典型的幕墙钢结构模型来计算并优化钢管尺寸。典型网壳几何模型见图11。最终确定幕墙钢结构均采用Q355B材质圆截面钢管,大面斜交叉钢管截面为ϕ180×5,表皮铝板直接连接在此钢管上,连接方式见图5。钢管交接转换位置采用加强圆钢管ϕ273×8,檐口连接柱及悬挑构件的钢管截面ϕ245×8。幕墙钢结构与主体结构连接形式为:檐口连接柱与主体梁刚接,悬挑件与主体竖向构件铰接。最不利工况的计算结果见图12,13,应力比最值0.844<1.0,应力满足要求; 《建筑幕墙》(GB/T 21086—2007) ^[9]中5.1.1.2规定钢结构挠度限值为L/250,挠度最值33.6mm<8 800mm/250=35.2mm,挠度满足要求。

　　 将上述确定的钢管尺寸应用到整个项目模型上,分片区单独计算不同位置的模型。本项目模型计算首先通过Rhino三维建模软件提取几何模型,将几何模型导入AUTOCAD中进行预处理,而后导入有限元软件SAP2000进行应力、位移计算分析。在SAP2000中定义Q355B的材料特性,弹性模量E=2.06×10⁵N/mm²,泊松比ν=0.3,分析过程均为弹性阶段计算。计算模型较多,本文列举一些受力不利且较为有代表性位置的模型(M1～M5),如图14,15所示。上述模型计算结果如表3所示。从表3中可知,应力和挠度均小于允许值,满足要求。

　　 总结归纳所有模型的计算结果发现:1)在支座附近处钢管应力比数值较大,水平力通过网壳的斜交叉钢管共同受力,有效地传递到支座处; 2)通过计算结果的反力分析得知,自重荷载较大比例地传递到最底部的支座处,故模型中最底部的两处支座钢管之间增加了交叉钢管,进行加强; 3)水平向的大截面钢管ϕ273×8不仅在构造上收口连接各个斜交叉钢管,在受力上也起到了关键的传递作用,同时增加了网壳的整体刚度。整个计算模型符合力流的传递规律。

　　 本文以简阳文体2号楼镂空金属幕墙设计工程为例,从方案对比分析出发,介绍了场馆的BIM找形应用以及表皮与主体结构间的连接钢结构设计全过程,通过计算结果分析,结果均满足现行标准的指标。最后,总结梳理场馆类建筑幕墙钢结构设计的几个要点,为今后场馆类建筑幕墙钢结构设计提供参考。

　　 (1)场馆类建筑的幕墙设计与传统一般建筑有所不同,在前期方案阶段,就需要建筑、结构及幕墙专业的充分配合,缺一不可,必须采用“建筑-结构-幕墙”一体化设计的方法,进而实现建筑之美感并保证结构之安全。

　　 (2)由于场馆建筑表皮造型复杂,多异形曲面,所以幕墙钢结构计算量较大且复杂。设计过程中首先确定幕墙的完成空间尺寸,利用三维模型软件,提取准确的几何模型,再导入有限元软件中进行受力分析。幕墙钢结构大多是杆系或梁系结构,常用的有限元分析软件有SAP2000或ANSYS。

　　 (3)BIM找形在场馆类建筑幕墙设计中广泛应用,首先建立三维BIM模型,准确地表达异形幕墙面板分格尺寸、定位及钢结构的尺寸、定位等信息,再利用软件自动生成二维图纸,其中除注释内容需要设计人员在二维图纸中手工添加外,图形及尺寸标注均可由系统自动生成,保证了图纸的精确性和一致性,显著提高图纸质量和设计人员的效率。

　　 (4)场馆类建筑幕墙构造细节的设计也是非常重要的一点。设计师不仅要实现面板的安装,还要考虑经济性、施工方便以及使用维护便利等方面因素,特别要注意图纸的表达,准确、细致、逻辑布局清晰,讲好“图纸”这一设计师的“语言”。