作者：北京江河幕墙系统工程有限公司 任京原、唐湘军、杨瑞刚、何春成
【摘 要】： 建筑幕墙是建筑外墙中常见的一种装饰性轻质墙体，可相对于主体结构有一定位移能力，不分担主体结构所受作用的建筑外围护结构。主要功能是提高建筑美观性，同时优化建筑性能。建筑幕墙结构概念设计是以幕墙设计概念为主线，根据自身工作经验确立基本设计原则和路线的一个过程，进一步掌握其概念设计要点，明晰建筑幕墙结构设计在安全性、经济性、可实施性方面的要求。随着建筑结构及功能的复杂化，建筑幕墙结构设计内容变得更加繁杂，随之很多大跨度、大层高、大悬挑的幕墙形式也不断的出现，面对复杂的幕墙结构形式，传统幕墙所采用的铝型材截面已很难满足其功能和受力的要求，钢结构技术的快速发展和应用很好的解决了这些结构问题。相比而言钢结构有强度高，刚度大，可工厂预制也可现场加工，施工方便，施工周期短等优点，使其在建筑幕墙所用材料中的比重越来越大。相对于主体钢结构，其相关的技术要求和精度要求也更加严格。本文通过国家会议中心二期菱形钢结构的实际案例就建筑幕墙钢结构设计和施工安装进行分析和探讨。
【关键词】：钢结构、建筑幕墙、设计和施工分析
一、工程概况
本项目位于北京市朝阳区奥林匹克中心区，国家会议中心北侧，用地范围南起大屯路、北至科荟南路，东起天辰东路，西至天辰西路。建筑高度51.85米，建筑长度458米，建筑宽度148米，建设用地总面积约92626.94平方米。
以建设首都北京作为中国国际交往中心的重要支撑节点、“一带一路”战略在首都北京重要的落地平台、增强首都北京核心功能区承接大型国际交往活动能力为背景和契机而建设的国际会议中心二期项目，其地上建筑主要功能为展览中心、会议中心、高端政务和商务峰会活动中心；其地下建筑主要功能为展览中心、停车场及附属配套设施。
二、建筑幕墙钢结构设计要点
2.1确定钢结构受力形式
建筑幕墙钢结构相对于主体结构来说，杆件长度、截面尺寸要小的多，复杂程度上要简单一些，但是一般来说留给幕墙的构造空间并不多，建筑幕墙钢结构构件的外轮廓要严格控制，不能与幕墙表皮发生干涉。遇到一些大跨度的幕墙体系，在保证自身结构安全的前提下，又要实现复杂的建筑外观，还要能够调节主体结构偏差，前期的钢结构设计方向和思路就至关重要。受视觉外观和空间尺寸的影响，其所能够产生的作用空间很小，所以在幕墙钢结构设计中主要就是需要按照建筑以及相关的设计图纸，在复杂的边界基础上将所需要的钢结构设计范围进行获取，然后选择适当的结构布置形式来满足建筑外形和结构安全的要求。下面就国家会议中心二期菱形钢结构设计做如下分析：
国家会议中心二期，建筑总高度为44.85米，但在东立面20米标高以下除了最大36米柱距的主体结构柱以外再无任何结构可供幕墙结构生根（图1-1）。同时由于6米~20米标高范围内外立面效果比较特殊，一个个透明的鸟窗（图1-2）无规律排布在立面上，进一步限制了建筑幕墙钢结构的受力形式。最后在无规律中找到了规律，在保证结构受力安全前提下同时为实现建筑功能需求，选取了菱形网格的平面受力体系（图1-3），这样鸟窗正好可以嵌在菱形网格内，实现建筑内采光的功能和外立面效果。菱形钢结构以柱距间的范围设计为一榀，钢结构最小跨度12米，最大跨度36米。东立面南北向460米范围内菱形钢结构的总用钢量达1200吨，对于幕墙行业来说确实是不小的体量。
图1-1 国家会议中心二期现场主体结构（局部）
图1-2 国家会议中心二期建筑外立面
图1-3 菱形网格的平面受力体系
图1-4 菱形钢结构三维模型
2.2钢结构的支撑形式
在建筑幕墙钢结构设计中，支座尽量采用铰接的方式，避免根部弯矩过大对结构产生不利影响。铰接节点需要保证其设计的便利性以及施工的可能性。应该考虑温度的作用，在适当的位置设计温度伸缩缝，使钢结构能够实现有效伸缩，释放结构内的温度应力，减小对主体结构的附加反力。尽可能的采用能自平衡内力的结构体系。如拱形结构在支座附件设置环梁或是拉杆，抵消拱的推力作用。
一般幕墙结构在主体结构上的生根点，主要有预埋件和后置埋件两种，通常尽可能的在主体结构深化过程中就将幕墙的反力提给设计院，以便设计院考虑幕墙结构生根点的结构预留，以及在主体结构施工过程中可以顺利的埋设预埋件。因为后置埋件是一种无奈的后补的措施，结构受力方面远不及预埋件可靠，同样在经济和对主体结构的损伤方面，预埋件也要优于后补埋件。
如图1－3，宽（24米，最大36米）、高（14米）范围内钢结构自重及幕墙和内装的自重完全落在菱形钢结构顶部两侧的两个点上，单点承重荷载设计值达110吨。另外在20米标高楼板上和6米标高的柱子上设置了抗风支撑，只承担结构的水平荷载。菱形钢结构顶部的一端固定，另一端释放了位移，满足温度变形。钢结构与主体结构的连接设计使用成品钢支座（图2-1），保证符合计算模型中铰接节点的设置。菱形钢结构所有杆件全部为刚接节点，工厂一级焊缝要求，现场二级、局部一级焊缝要求。由于此立面幕墙外表面到内装面距离的控制尺寸为900mm，单元体幕墙的构造及安装空间就需要400mm，留给内装空间为100mm，所以最终菱形钢结构的边框采用400×300×25钢方通，内部菱形格采用400×300×15×20工字钢，在满足结构的受力的前提下尽量减小结构的自重。
图2-1 菱形钢结构承重支座节点
2.3钢结构节点的设计
连接节点的设计在钢结构设计中是一个重要的环节。为使连接节点具有足够的强度和刚度，设计时应根据连接节点的位置及其所要求的强度和刚度，合理的确定连接节点的形式、连接节点的连接方式和连接节点的具体构造以及基本计算公式。
在一些相对较为重要的节点设计中，一定要确保能够符合加工需求以及现场拼接的顺利。通常对于节点需要将焊接降低，在对节点的设计中需要将施工操作的空间充分预留，以此来使得其便于安装。总而言之，确保其能够有效的满足设计强度以及变形和要求，尽可能的确保设计的简洁性以及传力的明确性，便于加工和安装。
为简化计算起见，通常连接节点的设计，一般都按完全刚接或者完全铰接的情况来处理。半刚性连接节点，作为设计的要求是不采用的，不过像这样的节点如果在设计中已经考虑了其刚度的降低，就不会有什么问题。因节点构造形成的半刚性连接，对整个结构的安全度是不会有影响的，相反对个别杆件的安全储备是有一定好处的。
图3-1 钢结构连接形式
（a）焊接连接；（b）铆钉连接；（c）螺栓连接
由于焊接技术的不断发展和高强螺栓连接的不断普及。目前在钢结构中采用的连接方式主要有：焊接连接、铆钉连接和螺栓连接（图3-1）。除了上述常用连接外，在薄壁钢结构中还经常采用射钉、自攻螺钉和焊钉等方式。射钉和自攻螺钉主要用于薄板之间的连接，如压型钢板与梁连接。焊钉主要用于混凝土与钢板连接，是两种材料共同工作。
国家会议中心二期项目的菱形钢结构内部杆件所有的连接均设计为刚性节点。为方便现场定位及精度控制，边框400×300×25钢方通连接采用全溶透一级焊缝，内部菱形格400×300×15×20工字钢的连接采用全焊接连接，先用螺栓进行定位，然后翼缘全溶透二级焊缝，腹板角焊缝（图3-2）。
图3-2 菱形钢结构内部菱形格连接节点
为了保证菱形钢结构承重支座位置的强度和刚度，钢结构伸出的牛腿
内部相应位置均增加了隔板，这样也可以使压力均匀传递给成品钢支座（图3-3）。避免牛腿与主体结构之间出现较大的接触应力。影响结构安全。
图3-3 菱形钢结构承重牛腿节点构造
图3-4 菱形钢结构上端抗风牛腿节点构造
图3-5菱形钢结构下端抗风牛腿节点构造
三、建筑幕墙钢结构施工方案
3.1钢架数量、重量分析
菱形钢架按照分格长度共划分为12m、24m、36m三种规格。
12m分格单元示意图
24m分格单元示意图
36m分格单元示意图
12m分格菱形钢架数量为2个，单个重量约为25t；
24m分格菱形钢架数量为15个，单个重量约为50t；
36m分格菱形钢架数量为1个，单个重量约为75t。
3.2安装方法
根据钢架施工特点及现场环境条件，经反复比较与论证，东立面菱形钢架安装施工采用以下方案：
3.2.1菱形钢架主要采用分块吊装的施工方法进行安装。
a.12m菱形钢架分块
12m菱形钢架共分为上下2块，最大分块约12m×6.3m，重12t。
12m菱形钢架分块示意图
b.24m菱形钢架分块
24m菱形钢架共分为3块，最大分块约14m×9m，重约19t，共需设置6根临时支撑杆，临时支撑杆选用P510×10圆管。
24m菱形钢架分块示意图
c.36m菱形钢架分块
36m菱形钢架共分为5块，最大分块约7.7m×14m，重约为18t，共需设置12根临时支撑杆，临时支撑杆选用P159×10圆管。
36m菱形钢架分块示意图
3.2.2吊装工况分析
（1）吊装机械的选择
根据施工方法、钢构件重量及现场平面布置，计划投入1台25t汽车吊作为地面胎架组装分块时的施工机械，型号为QY25K；计划投入1台55t汽车吊作为吊装分块时的施工机械，型号为QY55T。
（2）机械性能表
QY25K汽车吊性能表
QY55T汽车吊性能表
（3）吊次统计
（4）吊重分析
菱形钢架最重构件重量约19t，菱形钢架施工时，55t汽车吊站在结构东侧7米处位置，此时允许吊重为22.5吨。
由图可知，55t汽车吊满足菱形钢架吊装要求。
吊车站位为南北方向，混凝土梁间距为4米，吊车站位前首先在地面画出混凝土梁的轮廓线，保证两条支腿作用力在混凝土梁上，其余支腿作用力不在混凝土梁上时，不在混凝土梁上的两支腿位置采用两块6米×1.5米路基箱铺垫，将荷载传递到梁上。
菱形钢架吊重分析
3.2.3地面分块小拼施工
（1）小拼吊装分析
地面分块小拼采用25吨汽车吊，小拼拼装胎架采用P133×5圆管及钢板，布置于主构件下部。
分块构件最长约12m，最重约7t，25吨汽车吊在吊装半径为8m，允许吊装为8.8t，由下图可知，25t汽车吊满足吊装要求。
小拼构件吊重分析
（2）小拼施工流程
步骤一：安装拼装胎架
步骤二：吊装外框箱型钢梁
步骤三：吊装内侧主梁
步骤四：吊装主梁之间的次梁
步骤五：吊装下一段主梁，及连接主梁之间的次梁
步骤六：拼装剩余次梁
步骤七：拼装最后一段主梁及次梁
步骤八：拼装完成
3.2.4分块吊装施工
（1）临时支撑柱设计
临时支撑选用P510×10圆管，长约5.2米（具体长度及数量根据节点位置确定），支撑底部铺设24米×2米路基箱，支撑上部用单排300×300×10×15 H型钢设置一道连梁，下端采用双排300×300×10×15 H型钢设置两道梁。
临时支撑柱示意图
（2）安装流程
以24米分格菱形钢架为例介绍安装流程。
步骤一：吊装路基箱及临时支撑柱铺设300×300×10×15 H型钢，地面铺设8mm钢板找好标高。
步骤二：吊装第一个分块，吊装时需要用吊链配合调整角度，当吊装到位时构件上部和底部用倒链和原有钢结构进行临时固定。
步骤三：吊装中间第二个分块
步骤四：吊装第一分块和第二分块之间的连接次杆使其成为一个整体。
步骤五：吊装最后一个分块
步骤六：吊装第二分块和最后分块之间的连接次杆。
四、总结
综上所述，建筑幕墙钢结构的设计和施工应该与主体结构一样受到重视，不能仅仅认为属于附属结构而掉以轻心。在建筑设计过程中，设计人员应优化建筑幕墙结构概念设计，整体综合考虑，从安全性、负荷能力、功能多样性、节能环保、经济性等方面对其进行优化设计。建筑幕墙钢结构的设计和施工是一个需要不断学习理论知识，在工程项目中积累总结，慢慢沉淀，由量变到质变的过程，只有遵循这一规律，才能设计和施工出更安全适用、经济合理、简洁美观的作品。