天津泰达市民文化广场钢结构、玻璃幕墙工程新技术应用探讨

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[摘要]以天津泰达市民文化广场为例，探索幕墙行业新技术应用。

[关键词]智能生态幕墙 金字塔艺术钢结构 光电幕墙 点夹式幕墙 螺栓球网架脚手架 弹簧减震技术 PTFE膜结构

1. 目标及意义

随着社会不断进步及科技不断发展，建筑物不仅以满足使用功能为主，还对其外观、环保、智能、节能等方面提出了许多要求。如何运用现代化的技术手段，改造传统产业，加强推广新技术、新材料的应用，加大机械化程度和科技含量，是行业需要解决的重要课题。

天津泰达市民文化广场作为创新应用新技术的工程实例，籍此推广成功经验。在本项目中，我司作为设计及施工单位，积极采用新技术、新工艺、新材料，提升了工程整体质量，加大了工程机械化程度，发展壮大了企业整体实力和形象。并为业主提供出优质的工程产品，为企业创造了良好经济和社会效益。

2. 环保、生态、智能幕墙

本工程整个幕墙就像一个巨大的玻璃罩，将建筑物整体罩于其中。该围护系统集多种高新技术于一身，形成了一个统一的环保、智能、生态系统，是环保生态幕墙的集中展现。

大锥双层幕墙顶部共设置了145组三角形自动排气开启窗，所有开启窗由中央控制器根据室外风、雨和室内温度情况自动进行控制，达到设定的条件，窗就会自动开启，以利幕墙内外空气对流，开启的角度由中央控制器根据室内外的气温、湿度自动调节。

大塔十四层以上及顶面的玻璃内侧布置了279幅遮阳帘，外侧矩形面积10300O。遮阳帘由中央控制箱集中控制，中央控制箱根据天气变化、光照强度、幕墙内外层温差，自动控制遮阳帘的开启和关闭，一定程度的避免了阳光直接照射在幕墙上，起到了很好的防暑作用。

双层幕墙的夹层两侧设置了144组全自动玻璃百叶窗，由中央控制器根据天气变化、室外风、雨和夹层内温度情况由单片机进行自动控制，保证了双层幕墙通风换气质量。

3. 建筑艺术钢结构

本工程钢结构全部外露，玻璃幕墙悬挂在钢结构的内部，整个钢结构高达131.5m，除三条棱边外其余均为等管径的圆管相贯组成的棱形单元格，整体形成一巨大的钢格构，极富艺术表现力。钢结结构主体不但要承受幕墙荷载，同时还要表现艺术与美。其表面处理、细部构造、节点连接都经过精心设计，保证了结构与艺术的协调。

4. 光电幕墙在工程中的实际应用

1973年10月的中东战争，引发了世界性的“能源危机”。许多国家，尤其是发达工业国家，加强了对太阳能及其它可再生能源技术研发的重视，在世界上掀起了开发太阳能热潮。当年，美国政府就制定了阳光发电计划，并成立太阳能开发银行，促进太阳能产品的商业化。

由于太阳能发电具有清洁、安全、资源相对广泛和充足、寿命长及免维护等优点，光伏能源被认为是二十一世纪最重要的新能源。

光电玻璃可将太阳能转化为电能，做法是将太阳能电池粘贴在一片玻璃上，并镶嵌于两片透光率高的玻璃中间，制成光电单元玻璃件，通过电池将光能转化为电能。光电玻璃应用在窗和幕墙时，还有一系列复杂电路连接并网等，光电玻璃为光电幕墙开辟出一条新路。

在一些欧美国家，目前正在广泛开展应用“光电玻璃幕墙制品”，这是一种将太阳能光电玻璃组件，安全地将太阳能转换为电能的一种新型生态建材。美国的“光伏建筑计划”、欧洲的“百万屋顶光伏计划”、日本的“朝日计划”将在建筑领域掀起节能环保生态建材的开发应用热潮，极大的促进了光电玻璃在新型建材产品中的应用。

国际上，建筑领域方兴未艾的光伏集成在我国几乎是空白。本工程大胆采用了国外的先进技术，引进了德国ASE公司的光电组件，利用太阳能组件的电力为幕墙系统的开启窗、遮阳帘、百页玻璃窗系统供电。屋顶的光电幕墙利用太阳能电池组件产生的电力为幕墙系统供电，开创国内光电幕墙应用之先河。

5. 点夹式玻璃幕墙的新技术

本工程为棱形单元格玻璃幕墙，由鱼腹式不锈钢拉杆桁架作为幕墙的支撑体系，不锈钢拉杆桁架在玻璃下，而钢结构在玻璃以上，幕墙的玻璃为中空夹胶玻璃。

工程中此部位的点夹爪采用了由我公司自行设计生产的不锈钢夹式爪件，玻璃与不锈钢拉杆体系结构的连接采用点夹式连接，而不再采用在玻璃上开孔的传统做法。这样既保证了安装的安全可靠性，又大大降低了玻璃加工安装的难度。对于点式玻璃幕墙的创新技术及工艺，是本工程设计、施工的一大亮点。

6. 螺栓球网架的新应用

本工程62.5m以上的钢结构安装采用了螺栓球网架支撑体系作为施工操作平台和钢结构的胎架。螺栓球网架相对于普通的钢管扣件脚手架有如下优点：

1、承载力大，易于搭设和拆除，不需要其它特殊设备；

2、连接稳定可靠，安全牢固，结构刚度和稳定性均强于普通的钢管扣件脚手架；

目前国内用钢管螺栓球网架作为施工脚手架的应用案例极少，通常为钢管扣件脚手架，我公司考虑到现场的实际情况，同时结合公司自身技术实力，经多种方案比较，决定采用螺栓球网架方案作为吊装时的操作平台，进一步探索开发了螺栓球网架的应用。

7. 大型钢结构玻璃幕墙抗震技术

本工程塔楼和主体钢结构的连接采用弹簧减震支座。当地震发生时，塔楼和主体结构将作为相对独立的个体承受地震作用。由于塔楼和下部主体结构的自振周期不同，在合适的弹簧刚度作用下将有效改善结构整体的动力响应特征。

酒店大金字塔在整个建筑方案中具有举足重轻的地位，如何保证金字塔幕墙在各种荷载工况下安全，是设计中需要重点考虑的问题。由于大塔较高，又与主体结构结合在一起，在地震荷载作用下振动特性将非常复杂。为了保证塔楼幕墙在地震作用下的安全性，我们在塔楼幕墙与基础之间以及塔楼幕墙与主体结构之间的连接节点处均设置了弹簧减震支座，以改善大塔的抗震性能。大塔与基础之间的连接采用万向减震支座；大塔与主体结构的节点采用弹簧铰，主要特点如下：

1、安装时可三维调节。

2、建筑主体仅承受外部钢结构传来的水平力。

3、与建筑主体为弹性连接，大大减弱地震的影响。

4、可以均匀平衡各铰支座的支座反力。

考虑大金字塔和主体结构作为一个整体进行受力分析，在施加各种设计所允许的作用力后，若它们之间的连接刚度过大，则大金字塔传递给主体结构的力会很大，导致两者之间的连接难以实现；若刚度过小，则可能会出现过大变形，不能满足结构的挠度要求。所以，大金字塔和主体结构之间的连接，采用刚度为500kN/m弹簧，内力以轴力（拉压）为主，通过弹簧本身的变形，消耗了一部分能量，降低了大金字塔传递给主体结构的力；同时，协调大金字塔和主体结构之间的相互变形，明显改善了结构的抗震性能。

8. 大型膜结构应用技术

本膜结构工程轻巧飘逸、现代感十足。在大厦前端矗立的6座膜结构既有遮阳的实用效果；建筑外形如扬帆前行，更是给整个建筑画龙点睛。

此工程膜结构基本形状为以三角形（各边为69m、56m、29m长）的三个顶点所支撑的单层网壳形状，边界组合梁以矢高比为0.25的3个拱所组成。为了提高其边界刚度，组合梁以此三个拱梁和腹杆共同构成了格构梁。

膜面支撑体系采用的是由两种规格的钢管构成的单层网壳结构，主要是为了钢结构形式简单，突出膜面的整体效果，并为了提高其面内刚度，以三角形做为基本格网。屋面材料采用的是既轻质（1.5kgf/O）又有良好透光性（透光性为13%）及很强的自洁性的永久PTFE膜材料。PTFE膜材料是由极细的玻璃纤维（β丝，3微米）编织而成的布基上包覆PTFE（聚四氟乙烯）树脂而形成的复合材料。

玻璃纤维具有极高的强度和耐高温性，几乎不受紫外线的影响，而且PTFE树脂还具有耐化学药物、耐溶剂、耐微生物、耐湿度和温度变化等优越性能。

由于使用了高强度的膜材，大大增加了支撑体系的跨度，减少了钢构件的密度。