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提要：本文以貴陽(yáng)人民廣場(chǎng)玻璃金字塔和在兩個(gè)玻璃金字塔之間的玻璃梁(肋)支承全玻璃采光頂為例介紹一下玻璃金字塔和玻璃支承結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)與施工中的一些技巧和體會(huì)。 在文章中同時(shí)又以探求的方式揭示和介紹了古代金字塔中那些最神秘和有著超能力的原因所在。介紹了怎樣形成的最穩(wěn)定的角，也就是人們把它稱為“自然塌落現(xiàn)象的極限角和穩(wěn)定角”在建筑外圍護(hù)上的實(shí)際應(yīng)用過(guò)程和效果。并用實(shí)際例子進(jìn)行了解析。
關(guān)鍵詞：玻璃金字塔，玻璃結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與應(yīng)用，柔性空間索(桿)結(jié)構(gòu)。
1、引言
隨著空間索結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工技術(shù)的發(fā)展，許多新思想、新技術(shù)、新材料和新工藝被開(kāi)發(fā)出來(lái)，并成功應(yīng)用到建筑外圍護(hù)的設(shè)計(jì)和建造上。從而使建筑幕墻、玻璃采光頂以及由建筑玻璃為載體的各種大型,有著強(qiáng)烈藝術(shù)感染力的造型體，在近年來(lái)獲得飛速的發(fā)展。這些技術(shù)給建筑設(shè)計(jì)師們提供了有著很高現(xiàn)代技術(shù)含量的藝術(shù)表現(xiàn)手段。在建筑藝術(shù)的塑造上得到了廣泛的應(yīng)用。
作為不斷發(fā)展中的前沿建筑技術(shù)，索結(jié)構(gòu)是一種較活躍的結(jié)構(gòu)類型。工程師們充分發(fā)揮鋼材（詞條“鋼材”由行業(yè)大百科提供）抗拉性能好的特性，利用包括鋼棒、扁鋼、高強(qiáng)度冷拉鋼絲編織而成的鋼索等材料，布置出空間張拉結(jié)構(gòu)體系。特別是具有較高抗腐蝕、裝飾性的不銹鋼材料解決了人們不同的需要，根據(jù)在不同空間形態(tài)下表現(xiàn)出各種迥異的結(jié)構(gòu)藝術(shù)特點(diǎn)。
點(diǎn)支承玻璃連接技術(shù)，因安全可靠的連接構(gòu)造早已廣泛應(yīng)用于各類建筑之中。已從剛架、桁架、網(wǎng)架、玻璃肋等剛性支承體系，發(fā)展到基于預(yù)應(yīng)力張拉技術(shù)的柔性支承體系。柔性結(jié)構(gòu)體系與點(diǎn)支式玻璃結(jié)合使用，將二者輕盈、通透的共性發(fā)揮到極致。使建筑內(nèi)外空間自然和諧的融為一體。
實(shí)際工程中柔性空間索結(jié)構(gòu)體系與點(diǎn)支式玻璃面板結(jié)合早已得到應(yīng)用并取得了理想的效果。我們于二十世紀(jì)九十年代年就在國(guó)內(nèi)開(kāi)始了探索性的應(yīng)用。采用這種技術(shù)建造大型玻璃金字塔，取得了極大的成功。本文就以貴陽(yáng)人民廣場(chǎng)玻璃金字塔為例介紹一下玻璃金字塔在設(shè)計(jì)與施工中的一些技巧和體會(huì)。
2、玻璃金字塔項(xiàng)目概況
在1999年三月，以“花開(kāi)新世紀(jì)”為主題的貴州省貴陽(yáng)市人民廣場(chǎng)北廣場(chǎng)改擴(kuò)建工程動(dòng)工。在同年10月1日廣場(chǎng)全部建成。人民廣場(chǎng)占地面積約4.6萬(wàn)平方米，設(shè)置了直徑為20米的花壇鐘、音樂(lè)噴泉、兩個(gè)大型藍(lán)色透明玻璃金字塔，和金字塔之間的雙坡式玻璃結(jié)構(gòu)支承的玻璃采光頂以及大彩色屏幕和升旗臺(tái)。(如圖1.1)
音樂(lè)噴泉設(shè)置在玻璃金字塔的周圍和兩個(gè)玻璃金字塔之間的雙坡玻璃采光頂兩側(cè)的水池內(nèi);在兩個(gè)玻璃金字塔和音樂(lè)噴泉的下面，是一個(gè)大型的地下商場(chǎng)。2004年沃爾瑪進(jìn)駐貴陽(yáng)后在這里開(kāi)設(shè)了購(gòu)物廣場(chǎng)。兩個(gè)玻璃金字塔作為進(jìn)出購(gòu)物廣場(chǎng)的通道口。
從1999年10月1日建成，一直到2011年12月，這十年間的貴陽(yáng)人民廣場(chǎng)一直都是當(dāng)?shù)厥忻駳g度節(jié)日和購(gòu)物休閑的集中地。由于城市迅猛的發(fā)展到2011年底，貴陽(yáng)人民廣場(chǎng)改為貴陽(yáng)市筑城廣場(chǎng)。對(duì)原有的建筑進(jìn)行了拆除改造。至此，這兩座31米高的玻璃金字塔連同她們之間的全玻璃結(jié)構(gòu)采光頂光榮的完成了她們的使命。(如圖2.1.、2.2)
3、玻璃金字塔營(yíng)造技術(shù)
金字塔的形象，千百年來(lái)被人們所熟知，引起無(wú)數(shù)人的驚嘆。古代世界七大奇跡中，其他六大跡都已毀損，惟有代表著古代文明燦爛成就的金字塔依然屹立在大地之上。
3.1 破解金字塔穩(wěn)定之謎
金字塔作為一種建筑形式，以它那神秘的信息和古樸的外形給我們留下了深刻的印象，特別是他歷經(jīng)5000年而不倒。無(wú)論遇到多大的自然力和無(wú)數(shù)風(fēng)雨的侵蝕，至今還能展示出當(dāng)年的風(fēng)姿。這不得不讓人們產(chǎn)生一些聯(lián)想。為什么與她同一時(shí)期的建筑和城池都已灰飛煙滅了，只有金字塔巋然傲立。其中的奧秘是什么呢? 比如埃及的胡夫金字塔、墨西哥的庫(kù)庫(kù)爾坎金字塔、尼羅河下游散布周約80多座大小不一的金字塔，以及分布在世界各地的千年以上，各式金字塔是不是有一種神秘的力量在支撐著他們?(如圖3.1a、b)我對(duì)此進(jìn)入了深思和探求。這是我在當(dāng)年設(shè)計(jì)建造貴陽(yáng)人民廣場(chǎng)玻璃金字塔時(shí)，在對(duì)金字塔的斜面玻璃和支承結(jié)構(gòu)的各種角度的確定過(guò)程中一直在思考的事兒。
3.1.1在金字塔中有著超能力的神秘角度
我們來(lái)做一個(gè)實(shí)驗(yàn)：把一定數(shù)量干燥的米、沙、碎石子或其它小顆粒形狀的物體,分別從上向下慢慢的傾倒, 不久就會(huì)形成三個(gè)圓錐體。盡管它們質(zhì)量不同，小顆粒的形狀各異，但傾倒后所形成的圓錐體形狀卻非常相似。不管倒出多少沙子，與水平地面所形成的圓錐體，地面與側(cè)線的角度也都是是51度50分零9秒。這種自然形成的角是最穩(wěn)定的角，人們把它稱為“自然塌落現(xiàn)象的極限角和穩(wěn)定角”。
3.1.2 在埃及的胡夫大金字塔內(nèi)極限角的應(yīng)用
有研究證明：埃及的胡夫大金字塔正好是5l度50分9秒，這說(shuō)明它就是按照這種“極限角和穩(wěn)定角”來(lái)建造的。 沙漠的風(fēng)是暴歷的，由于金字塔獨(dú)特的造型把風(fēng)的破壞力化解到最小程度。人們知道磁力線的偏向作用可以使地面建筑，甚至高山崩潰，而這座金字塔塔基正好處干磁力線中心，它隨著磁力線的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)，隨著地球的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)，因此它所承受的振幅極其微弱，地震對(duì)它的影響也就不大了。 近52度“角”、方錐體的“形”與磁力線同步運(yùn)動(dòng)的“位”是金字塔穩(wěn)定之謎。(如圖3.1.2a、b)
胡夫金字塔的數(shù)據(jù)：斜坡對(duì)地面51度50分09秒; 三角形本身底部角度：58度17分15秒。 只要按照這個(gè)角度，制作的模型無(wú)論底邊是多長(zhǎng)都可以。 模型的底部一定是正方形的，不過(guò)你有四個(gè)三角形后，這個(gè)底部也可以不用實(shí)際制作，4個(gè)底角為58度17分15秒的等腰三角形圍起來(lái)一定是個(gè)標(biāo)準(zhǔn)金字塔的形狀。
在資料中了解到古人已經(jīng)做出了樣板，剩下的就是按照這些具有超能力和神秘力量的角度和比例用現(xiàn)代的高科技手段和材料建造我們的玻璃金字塔。
3.2 空間索桿結(jié)構(gòu)支承玻璃金字塔在設(shè)計(jì)過(guò)程中要考慮的問(wèn)題
隨著我國(guó)幕墻技術(shù)的發(fā)展，預(yù)應(yīng)力索(桿)結(jié)構(gòu)作為玻璃幕墻、采光頂、各種穹頂的支承系統(tǒng)早已在建筑上得到了廣泛的應(yīng)用。在現(xiàn)在建筑中，魚(yú)腹式雙層索系玻璃幕墻、自平衡索桁架等玻璃幕墻、單層索網(wǎng)玻璃幕墻、單向單索結(jié)構(gòu)玻璃幕墻等柔性支承體系的玻璃幕墻已不再鳳毛麟角。在今年9月份的空間結(jié)構(gòu)技術(shù)交流會(huì)上，北工大的薛素鐸團(tuán)隊(duì)又公布可以抗連續(xù)倒塌的新型無(wú)內(nèi)環(huán)索結(jié)構(gòu)體系進(jìn)一步豐富了柔性結(jié)構(gòu)體系。對(duì)于建筑師和幕墻工程師來(lái)說(shuō)，索結(jié)構(gòu)支承體系的玻璃幕墻已經(jīng)成為常見(jiàn)的幕墻形式。同時(shí)在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和工程技術(shù)規(guī)范中已對(duì)索結(jié)構(gòu)幕墻有了嚴(yán)格、詳細(xì)的技術(shù)規(guī)定。對(duì)于幕墻企業(yè)來(lái)說(shuō)對(duì)此類幕墻的設(shè)計(jì)與施工技術(shù)也已日趨成熟。不過(guò)，在二十年前用拉桿系統(tǒng)作為玻璃幕墻的支承結(jié)構(gòu)還是最前沿的技術(shù)。
3.2.1 鋼桁架作為主體支撐結(jié)構(gòu)
在玻璃金字塔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，我們?cè)诿總�(gè)玻璃金字塔的四個(gè)角部設(shè)置了大型鋼桁架。以此來(lái)作為金字塔上四個(gè)三角形玻璃平面內(nèi)，預(yù)應(yīng)力空間拉桿結(jié)構(gòu)的邊緣支點(diǎn);同時(shí)在每榀鋼桁架的中間段又布置了兩個(gè)抗彎曲支點(diǎn)，用以保證金字塔主體結(jié)構(gòu)在預(yù)應(yīng)力拉桿系統(tǒng)側(cè)向作用力下的穩(wěn)定性。(如圖3.2.1a、3.2.1b)
在主體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，考慮到環(huán)境、溫度、地震力以及預(yù)應(yīng)力索桿結(jié)構(gòu)的內(nèi)力變化、地下商場(chǎng)空間震動(dòng)等工況對(duì)主體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響，我們將金字塔斜面四個(gè)三角形的底邊結(jié)構(gòu)整體進(jìn)行連接。并將底部的四個(gè)支點(diǎn)之一作為固接點(diǎn)，其它三個(gè)固定點(diǎn)作為可滑移支座。采用這種構(gòu)造方法來(lái)確保這座大型玻璃金字塔在工作狀態(tài)下的安全可靠性。(如圖3.2.1c、d)
3.2.2 索(桿)桁架支承體系的布置
對(duì)于玻璃金字塔的結(jié)構(gòu)體系布設(shè)，在當(dāng)時(shí)是沒(méi)有參考資料的，只有一張來(lái)自法國(guó)盧浮宮的玻璃金字塔照片。只能看到外形，無(wú)法了解其內(nèi)部索結(jié)構(gòu)的布設(shè)情況。
我們根據(jù)金字塔的體型，并分析了金字塔在的各種工作狀態(tài)時(shí)承受荷載的工況結(jié)合預(yù)應(yīng)力索(桿)結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，布置了預(yù)應(yīng)力索(桿)桁架支承體系。并按1/200確定了在承受風(fēng)荷載時(shí)的最大變形量。(如圖3.2.2a、b)
3.2.3 預(yù)應(yīng)力拉桿桁架點(diǎn)支承玻璃金字塔的節(jié)點(diǎn)（詞條“節(jié)點(diǎn)”由行業(yè)大百科提供）設(shè)計(jì)
在預(yù)應(yīng)力拉桿桁架點(diǎn)支承玻璃金字塔的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)，我們根據(jù)其受力的需要開(kāi)發(fā)研制了不等長(zhǎng)星型不銹鋼爪件。在菱形玻璃的鈍角邊支點(diǎn)處設(shè)計(jì)了長(zhǎng)孔，在銳角邊設(shè)計(jì)了大圓孔。徹底解決了玻璃面板在自重、溫度荷載、風(fēng)荷載等作用時(shí)適應(yīng)變性能力的難題。在國(guó)內(nèi)首次使用在實(shí)際工程中。
每根不銹鋼拉桿的兩端連接處，采用了正反螺紋預(yù)緊方案。用索接頭與懸空桿件上的耳板進(jìn)行連接。這個(gè)方案同時(shí)解決了拉桿各種不同方向的需要和對(duì)拉桿形成的桁架施加預(yù)應(yīng)力的需要。(如圖3.2.3a、b)
3.2.4 玻璃金字塔菱形玻璃面板的設(shè)計(jì)
玻璃金字塔菱形玻璃面板的設(shè)計(jì)是按照埃及胡夫金字塔的神秘角度的數(shù)據(jù)：斜坡對(duì)地面51度50分09秒;本身底部角度：58度17分15秒。金字塔底部一是一個(gè)邊長(zhǎng)為49.2米正方形的，四個(gè)等腰三角形的玻璃面，每個(gè)三角形底角均為58度17分15秒。
我們?cè)诓ＡЫ鹱炙拿總�(gè)大面上按一定的模數(shù)分成六個(gè)正菱形區(qū)域，同時(shí)在這個(gè)面上的下方還有四個(gè)等腰三角形。 在每個(gè)菱形區(qū)域內(nèi)有36片菱形玻璃組成，每片菱形玻璃的對(duì)角線都為長(zhǎng)3.1米、寬1.9米;在每片玻璃的角上設(shè)計(jì)了與不銹鋼駁接系統(tǒng)連接的安裝孔。玻璃采用了鋼化夾膠玻璃，并在夾膠膜中增加了一層0.38厚的天藍(lán)藍(lán)綠色膠片，使得整個(gè)玻璃金字塔呈現(xiàn)出藍(lán)綠色。(如圖3.2.4a、b)
在金字塔最頂部的玻璃設(shè)計(jì)時(shí)，增加了頂部的不銹鋼金屬造型板，使其與避雷接閃器連接確保金字塔的防雷性能。
3.3 空間索桿結(jié)構(gòu)支承玻璃金字塔的施工技術(shù)
當(dāng)年，在玻璃金字塔的施工過(guò)程中，我們也是沒(méi)有任何可借鑒的方案，特別是四根主支撐鋼結(jié)構(gòu)的空中對(duì)接，在保證其可靠連接相互支撐的同時(shí)還要確保尺寸定位精度，一旦有大的偏差，將無(wú)法進(jìn)行后續(xù)的施工。我們采用了大型汽車吊將四根主支撐鋼結(jié)構(gòu)同時(shí)吊裝。在對(duì)安裝的部位進(jìn)行了精密測(cè)量后做了臨時(shí)輔助支撐，利用輔助工裝設(shè)備將所有支撐鋼結(jié)構(gòu)調(diào)整安裝到位;同時(shí)按設(shè)計(jì)要求，結(jié)合測(cè)量比例進(jìn)行放線、描點(diǎn)，確定邊緣尺寸控制基準(zhǔn)。對(duì)全部索(桿)桁架的邊緣支點(diǎn)做精確定位之后，進(jìn)行耳板的焊接。受力耳板的焊接采用了一級(jí)焊縫。在完成全部結(jié)構(gòu)的精度校核后，開(kāi)始對(duì)索桁架進(jìn)行試安裝，索(桿)桁架的安裝和調(diào)整是在四個(gè)面同時(shí)進(jìn)行的。
由于工期很緊材料供應(yīng)不上。特別是不銹鋼拉桿材料，要求精度高用量大，嚴(yán)重影響了進(jìn)度。項(xiàng)目部就將車床銑床等加工設(shè)備進(jìn)駐現(xiàn)場(chǎng)，就在施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行加工制作。同時(shí)進(jìn)行安裝，不分晝夜連續(xù)施工。這個(gè)場(chǎng)面一直都印在我的腦海中。
當(dāng)拉桿內(nèi)力調(diào)整到位后，不銹鋼連接系統(tǒng)開(kāi)始安裝，最后進(jìn)行玻璃安裝。又由于施工現(xiàn)場(chǎng)所限，全部玻璃都采取了由人工進(jìn)行二次轉(zhuǎn)運(yùn)和安裝的方案;在金字塔的四周搭起了環(huán)形腳手架。從最上部逐步向下進(jìn)行安裝，最后對(duì)四個(gè)轉(zhuǎn)角和底邊的三角玻璃做收口安裝。在1999年的十一國(guó)慶節(jié)的前兩天完成了全部玻璃金字塔的安裝。
3.4 玻璃梁(肋)支撐雙坡全玻璃采光頂?shù)脑O(shè)計(jì)施工
在貴陽(yáng)人民廣場(chǎng)的兩個(gè)玻璃金字塔之間，音樂(lè)噴泉的水池內(nèi)，有兩個(gè)寬六米，長(zhǎng)58米的雙坡全玻璃采光頂;她是廣場(chǎng)下面大型地下商場(chǎng)的玻璃采光頂。這個(gè)采光頂采用了玻璃肋支撐的結(jié)構(gòu)形式，是國(guó)內(nèi)最早采用玻璃材料作為結(jié)構(gòu)支撐構(gòu)件的項(xiàng)目。(如圖3.4a、b)
玻璃材料作為采光頂主要支承構(gòu)件，其關(guān)鍵技術(shù)在于玻璃與邊緣支撐結(jié)構(gòu)、玻璃梁與頂面玻璃之間、兩側(cè)玻璃梁之間的連接方案。確保在玻璃采光頂?shù)陌惭b和工作狀態(tài)下不在連接點(diǎn)處產(chǎn)生起應(yīng)力集中的現(xiàn)象，防止在受力過(guò)程中引起玻璃的擠壓破裂;
由于玻璃是標(biāo)準(zhǔn)的脆性材料，在受到各種荷載的作用下，如何對(duì)支撐點(diǎn)進(jìn)行有效的保護(hù)，這是設(shè)計(jì)與施工過(guò)程中的關(guān)鍵所在。這座寬六米、長(zhǎng)58米、拱高0.8米的雙坡全玻璃采光頂?shù)?a target='_blank' style='font-size:1em; border-bottom:1px dotted blue;'>連接件全部采用了不銹鋼連接系統(tǒng)。其與邊部墻體的連接固定也采用了不銹鋼基座。確保在使用過(guò)程中，不由于金屬的腐蝕而引起局部應(yīng)力集中的現(xiàn)象。
我們?cè)诿娌ＡО惭b之前，先對(duì)全部玻璃梁(肋)做整體連接。并在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)玻璃結(jié)構(gòu)做了1：1的實(shí)體配重檢測(cè)試驗(yàn)。在這個(gè)項(xiàng)目上也趟出了一條用玻璃作為支撐結(jié)構(gòu)的經(jīng)驗(yàn)。為采用玻璃材料做外圍護(hù)支撐結(jié)構(gòu)的的研究打下了基礎(chǔ)。
4、 結(jié)束語(yǔ)
近年來(lái)，由于建筑技術(shù)的發(fā)展和建筑形式的多樣化，各種新技術(shù)、新工藝、新材料在建筑外圍護(hù)上得到廣泛的應(yīng)用。特別是作為不斷發(fā)展中的前沿建筑結(jié)構(gòu)技術(shù)，索結(jié)構(gòu)是一種較活躍的結(jié)構(gòu)類型。在今年的空間結(jié)構(gòu)技術(shù)交流會(huì)上，又公布了一項(xiàng)可以抗連續(xù)倒塌的新型“無(wú)內(nèi)環(huán)索結(jié)構(gòu)系統(tǒng)”進(jìn)一步豐富了柔性結(jié)構(gòu)體系。對(duì)于建筑師和幕墻工程師來(lái)說(shuō)，索結(jié)構(gòu)支承體系的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)（詞條“圍護(hù)結(jié)構(gòu)”由行業(yè)大百科提供）已經(jīng)成為常見(jiàn)的形式。對(duì)于幕墻行業(yè)來(lái)說(shuō)對(duì)此類幕墻的設(shè)計(jì)與施工技術(shù)也已日趨成熟。
以玻璃這種脆性材料作為支撐構(gòu)件，是近年來(lái)才在建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)中有所應(yīng)用。以蘋果店為代表的全玻璃建筑引起了建筑師和幕墻設(shè)計(jì)師的關(guān)注。據(jù)了解，有關(guān)科研單位已經(jīng)對(duì)玻璃結(jié)構(gòu)在建筑中的應(yīng)用做了大量的研究。《玻璃結(jié)構(gòu)應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》也已經(jīng)基本成稿，這將對(duì)玻璃幕墻行業(yè)產(chǎn)生重大的影響。為幕墻設(shè)計(jì)師們提供了有力的武器。
本文中所介紹的內(nèi)容和設(shè)計(jì)方案都是我在當(dāng)年方案設(shè)計(jì)和工程實(shí)踐中的一點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，如果能給建筑外圍護(hù)體系設(shè)計(jì)的同仁們提供一些有益的啟發(fā)也就深感欣慰了。
參考文獻(xiàn)
[1] 《施工圖、設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)》，貴陽(yáng)人民廣場(chǎng)玻璃金字塔項(xiàng)目，1999.3
[2] 《索結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ 257-2012，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，2012.8
[3] 王德勤（詞條“王德勤”由行業(yè)大百科提供），點(diǎn)支式玻璃采光頂應(yīng)用技術(shù)探討，《2010年全國(guó)鋁門窗幕墻行業(yè)論文集》,
[4] 王德勤，單索結(jié)構(gòu)玻璃幕墻的安全保障系統(tǒng)解析，《幕墻設(shè)計(jì)》2018，第二期
作者單位：北京德宏幕墻工程技術(shù)科研中心
