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苏州中心内圈及大鸟幕墙设计(下)

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拾荒者 | 2019-10-5 20:59
四.大鸟形屋面系统主要结构体系   

  大鸟形屋面系统:玻璃和格栅采用不锈钢球胶夹具,不锈钢挡堰。玻璃采用多种彩釉处理,部分采用彩色胶片。格栅和铝板表面氟碳喷涂处理,多种颜色。玻璃基本配置为10mm半钢化玻璃+2.28PVB+10mm半钢化玻璃。铝单板采用 3mm,表面氟碳喷涂处理,全隐框夹胶玻璃幕墙采光顶,采光区幕墙玻璃形式——10mm(HS)半钢化玻璃+2.28PVB+10mm(HS)半钢化夹胶玻璃(彩釉玻璃,局部彩色PVB胶片);不锈钢夹板——150mm×150mm矩形带球绞不锈钢夹板,材质316,不锈钢套筒——材质316。

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玻璃面板三维效果图


  大鸟形屋面格栅幕墙体系在,大鸟形屋面,幕墙结构:金属格栅幕墙系统。

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百叶面板三维效果图


  大鸟形屋面铝板幕墙体系所在大鸟形屋面角部,幕墙结构:金属铝板幕墙系统,铝合金面板采用3mm铝合金单板,大鸟形屋面挡水板,幕墙采用玻璃、格栅幕墙系统。

  下图不同的颜色代表不同幕墙材料分布:

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大鸟形屋面幕墙面材分布图


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大鸟屋面玻璃与铝合金百叶分布图


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不同种类玻璃的分布图


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不同种类百叶的分布图


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五.大鸟形屋面系统重点难点分析   

  为确保项目独特的建筑造型和建筑设计理念的实现,我们技术团队针对大鸟形屋面结构进行了系统化的分析和设计;运用BIM技术对大鸟形屋面进行建模成型设计,以三维数字技术为基础,集成了建筑工程项目中设计、建造、管理、运营等各种相关信息的工程数据模型,是对该工程项目相关信息的详尽表达。

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  对大鸟一次模型进行玻璃板块数据链分析;并进行数据统计,结合钢结构受力变形计算分析结果;为二次模型修正提供理论依据。

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  1、根据统计数据结合钢结构受力变形计算分析结果;进行二次模型修正;在保证建筑外形的基础上,使更多比例弧线玻璃板块实现平板化设计。

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  应用BIM技术建模,可以把结构中心线及其拟合出的造型曲面1作为外部参照文件,当计算结构变形较大时,可以取变形后的结构中心线及其拟合出的造型曲面2替换BIM系列文件的参照文件,从而使基于参照文件的幕墙模型系列文件自动更新,避免为适应钢结构幕墙的重新建模。

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  2、根据现场对施工完成并已处于静态稳定状态的大鸟钢结构进行测量放线所得关键控制点数据链,对大鸟二次模型进行最终BIM建筑模型修正,为设计和施工提供最终理论数据。并可运用BIM技术对幕墙板块进行深化设计下料和全部加工图设计。

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  应用BIM技术建模,可以把结构中心线及其拟合出的造型曲面作为外部参照文件;当实测结构偏差较大时,可以取变形后的结构中心线及其拟合出的造型曲面;替换BIM系列文件的参照文件,从而使基于参照文件的幕墙模型系列文件自动更新,避免为适应钢结构幕墙的重新建模。而利用BIM建模的方式,对于相似的同一系统板块,基于BIM的自动生成,可以大大减少设计师的重复劳动,又可以将不同的数据利用参数并从模型导出,玻璃面板及型材框都可以,不仅仅大大提高工作效率,又避免重复操作中的失误导致的损失。

  大鸟形屋面系统结构体系的选择

  通过运用BIM技术对建筑模型的系统分析和对大鸟屋面的三次修模设计,对于大鸟形屋面幕墙构造系统有三种形式可选择,具体如下:

  1、热弯单曲弧线玻璃体系;

  2、平面玻璃构造体系;

  3、冷弯单曲弧线玻璃体系;

  第一种:热弯单曲弧线玻璃体系

  1、该种玻璃幕墙结构体系需要玻璃热弯,玻璃附框和铝合金型材也需要弯弧处理,如下图示意:

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热弯单曲弧线玻璃体系


  2、大鸟形屋面玻璃板块总共为10122块,而每一块玻璃的半径都有所差异,经过BIM导出数据,经过分析,把相近半径玻璃面板合并,通过颜色区分得到如下彩图:

B6CB69FD7.jpg不同半径玻璃面板颜色分区图

  汇总得出玻璃面板约五种不同的半径(注:以下半径是取某个范围的中间值),如下表所示意:

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玻璃面板半径汇总表

  3、结论:

  优点:能更接近于大鸟形屋面玻璃幕墙的理论完成面,无阶差,外观效果好。

  缺点:加工周期长,加工成本较高,必须要用BIM相关软件进行后期数据分析才能下料加工,设计周期长,材料破损后补片周期长等。

  第二种:平面玻璃构造体系

  我们从以下几点进行论述:

  1、平面玻璃构造体系就是用平板玻璃来实现,拟合建筑的外立面轮廓,我司采用三点定位法来拟合建筑的体型, 拟合后的建筑体型有阶差效果,如下图示意:

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拟合后的建筑体型效果示意图

  2、阶差分析说明:

  如下图示,分别标定板块1、板块2的角点A、B、C、D、E、F为研究点,以一个板块三个点为基准点确定该拟合平面与实际曲面的位置关系,其中该平面第四点C'(F')与实际平面该角点C(F)之间的距离即为阶差值,通过大鸟屋面幕墙的BIM模型分析。

E7DF54D14.jpg阶差示意图

  通过BIM分析及修模,得出最大阶差为70mm,不同颜色的区域表示不同阶差值,不同阶差值对应的幕墙系统也有所差异。阶差分布图如下:

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BIM大鸟屋面阶差分布图


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BIM大鸟屋面玻璃阶差分布图


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BIM大鸟屋面百叶阶差分布图


  将模型利用BIM进行网格划分排板,对不同阶差值的板块数量进行数据统计。得出以下汇总表:

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玻璃面板阶差汇总表


  利用以上统计的数据,可以选取最合理的幕墙系统,实现幕墙方案经济性与可行性的完美结合

  3 、基于以上分析,平板玻璃构造体系介绍如下:

  可以得出,这种方案是有三角形阶差的效果,铝合金框架开有锯齿,通过转接件和自身可以调节40mm的阶差,而通过切铝合金补偿框可以吸收建筑外皮70mm的阶差。由于加工图角度较多,根据BIM模型,我司对BIM数据进行汇总,把相近的角度归为几类,这样便于后期加工制作。

  第三种:冷弯单曲弧线玻璃体系

2130476FD.jpg直框铝合金型材框架图

2C670C53B.jpg两侧弯弧铝合金型材框架图

  对于该种幕墙体系,我们从以下几方面进行阐述:

  1)、该种玻璃幕墙结构体系玻璃采用平板玻璃,玻璃不需要热弯,玻璃附框不需要弯弧处理,铝合金型材在阶差小于20mm情况下采用直框,在阶差大于20mm的情况下曲率大的两侧采用弧形铝合金型材。

  说明:这个阶差是指用BIM模型分析建筑外皮所得出的数据,前面在阐述第二种平板玻璃体系时已经描述,这里不再赘述。在冷弯单曲弧线玻璃体系中这个数据我们只是应用铝合金框架上。

  弧形框分布区域如下图示意:

3CA5A0C9E.jpg弯弧铝合金型材BIM分布图

  绿色:代表直框;其它颜色:代表弯弧铝合金型材

  2)、采用冷弯单曲弧线玻璃体系最终形成的大鸟建筑外皮是没有阶差的,能很好的达到建筑的外立面效果。

  3)、在节点构造上我司在招标图原方案基础上进行了一些优化设计。

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冷弯单曲弧线玻璃体系节点图


  4)、冷弯单曲弧线玻璃体系构件示意

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构件编号图


  5)、冷弯单曲弧线玻璃幕墙体系原理

  冷弯式玻璃幕墙系统是用于实现玻璃幕墙的曲面效果的一种措施,它是由横向龙骨和竖向龙骨组装成的龙骨骨架单元,我们这个工程基本上是菱形。龙骨单元板块的横向龙骨或竖向龙骨为弧形使得所述龙骨单元板块组成近似的空间四边形,安装于龙骨单元板块内的平板半钢化玻璃与龙骨单元板块曲面拟合,然后用玻璃附框压住玻璃,为了防止半钢化玻璃反弹我们设置了不锈钢安全扣板。该冷弯式玻璃幕墙系统实现了曲面玻璃幕墙墙面平整美观的要求,制造过程简单,制造成本低。

  6)、结论:

  优点:解决了热弯曲面玻璃幕墙造价昂贵或产生凹凸缺陷的问题,使曲面玻璃幕墙平整美观,现场的安装方式方便且产品制造工艺简单,成本低。

  缺点:自爆率相对较高。

  总述:经过以上几种方案的综合比较,我们得出以下结论:

  热弯单曲弧线玻璃体系、平面玻璃构造体系、冷弯单曲弧线玻璃体系这三种幕墙结构体系综合比较表如下:

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  综上所述:冷弯单曲弧线玻璃体系综合性能最好,性价比最高。

  大鸟结构变位幕墙适应性

  1、钢结构变形分析过程说明:

  选用Ansys计算软件对主体钢结构的变形量进行极限校核。根据计算,钢结构的最大变形位于整个模型的中轴线位置,最大变形量为336.249mm。如下图示意:

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  根据结构总体变形,选取位移梯度最大的部位,如图"节点X向角位移"和"节点Y向角位移",判定钢结构相邻节点位移最大梯度。提取最大位移梯度Dz=179.493-136.402=43.1mm。如下图示意:

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  2、钢结构变位对结构胶拉伸的影响

  钢结构节点梯度引起的结构胶的拉伸量Df1=9.0 mm

5F0A2B19A.jpg结构胶拉伸节点示意图

  钢件位移引起的结构胶的变形量:Df2=12.331-8.397=4.0 mm

  温差:Df3=(1.2×10-5-0.8×10-5)×30×1701=0.21 mm

  结构变位对结构胶的总拉伸变形量: Df_L=Df1+Df2+Df3+DX=9.0+4.0+0.21=13.21mm

  3、钢结构变位对结构胶压缩的影响

  钢结构节点梯度引起的结构胶的拉伸量

  Df1'=5.0 mm

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结构胶压缩节点示意图


  经过分析,受主体钢结构角度位移、弧度位移以及受温度等因素的共同影响,幕墙系统的密封胶胶缝宽度需要承受最大的拉伸量为13.21mm,最大的压缩量为10.61mm,密封胶的变位极限为-50%~100%。 原胶缝宽度为50mm,满足结构胶变位要求。

  4、选用Ansys计算软件对玻璃翘曲承载力进行极限校核根据设计,面材采用10mm+2.28PVB+10mm夹胶半钢化玻璃,尺寸分格Ba×Bb=2400×1750;

  选取相邻两边作简支约束,剩余两边自由,在剩余两边的交点施加沿面材法向的集中荷载,面材的自重以均布荷载的形式施加于模型之上。

  据规范《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ102-2003,半钢化玻璃的强度设计值为fg=44MPa,对板块三点固定的前提下给板块第四点施加43.573MPa的力,玻璃面材的最大挠曲变形量为147.777mm。分析如下图:

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  结论:根据BIM模型分析,板块最大阶差为70mm,要保证大鸟形屋面光滑外皮,玻璃板块的冷弯压缩变形量需达到70mm。玻璃板块的冷弯压缩变形量70mm<面材的最大挠曲量为147.777mm,满足设计要求。

  大板块(板块超过2.5㎡措施)

  根据BIM模型分析,板块面积超过2.5 ㎡分布图如下:

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玻璃板块面积分布图


  经过数据汇总,如下表:

  通过以上数据可以看出,本工程大部分玻璃板块面积超过规范要求的2.5m2的规定,解决措施如下:

  1、参考重点难点分析建议方案;

  2、按照严格安全要求取体形系数值;

  3、人流量比较大的地方增加防护网

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防护网简图


  顶部BMU蜘蛛人安全扣

  8mm不锈钢件,直径8mm的钢索

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大鸟形屋面BMU节点图


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大鸟形屋面BMU分布图


  利用BIM模型复核大鸟形屋面钢结构,反馈至BIM模型并实时修改模型,依据最终BIM模型进行现场大鸟形屋面测量放线工作,测量时,所有控制点均由BIM模型取出,避免人为转换过程出现误差及错误。同时测量数据直接输入BIM模型进行核对及分析。整个过程通过BIM模型实现数据化控制及管理。专业持证的测量队伍配以先进的仪器、数据化的管理平台,以保证本工程的测量定位质量。

  在购物中心主体结构及屋顶钢结构施工结束后进行大鸟形屋面的施工测量阶段,利用总包单位及钢结构施工单位的测量控制网建立大鸟形屋面的测量控制网,具体控制方法如下:

  1、为保持通视,选取2处最高点作为基准点,将总包和监理移交的土建基准点数据引到此位置,将此位置的三维数据,作为大鸟幕墙龙骨放线的基准。

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  2、分区测量,在预定测量分区内布置四个测量控制基准点,基准点由我司通过大鸟形屋面总基准点(最高点)通过极坐标法测量定位得出测量数据,并进行复核,保证基准点的数据准确性。

  3、全站仪在控制点上设站,测定控制平台中心坐标。

  4、垂准仪在控制网上设站,将控制平台中心点垂直向上投影至控制点接收平台。

  5、全站仪在接收平台上设站,棱镜在其他接收平台上设站,复核各投影点的精度。

  6、在钢平台上安装配有棱镜的GPS,测定其安装位置处中心坐标。

  7、用接收平台上的全站仪观测GPS 棱镜,后方交汇出全站仪的中心坐标,进行天顶法的测量复核。

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  苏州中心内圈项目及大鸟型屋面,体量大,设计和施工难点多,在公司各部门通力合作下,我们将会把这个地标性建筑完美展现给大家。

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