王自偉，李久林，張 怡，李向南，趙炳陶，朱富力，蘇李淵，劉宇棟

(1.北京城建集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京 100088； 2.北京江河幕墻系統(tǒng)工程有限公司，北京 101300； 3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，北京 100083)

1 工程概況

國(guó)家速滑館位于北京市朝陽(yáng)區(qū)奧林匹克公園西側(cè)，國(guó)家網(wǎng)球中心南側(cè)，是北京 2022 年冬奧會(huì)的標(biāo)志性場(chǎng)館之一，也是冬奧會(huì)北京賽區(qū)唯一新建比賽場(chǎng)館。國(guó)家速滑館天壇輪廓玻璃幕墻采用豎向幕墻索加豎向S形箱形鋼梁龍骨的支撐結(jié)構(gòu)。幕墻索間距4m，上端固定于頂部的鋼結(jié)構(gòu)環(huán)桁架上，下端固定于主體結(jié)構(gòu)首層頂板外圈懸挑梁端。玻璃幕墻呈天壇輪廓，由1 440塊單曲面玻璃、1 920塊平板玻璃組成。曲面玻璃表面由22根“冰絲帶”環(huán)繞，象征速滑運(yùn)動(dòng)的極限速度。

2 幕墻系統(tǒng)容差設(shè)計(jì)

在工業(yè)生產(chǎn)中，由于生產(chǎn)條件的限制，產(chǎn)品或過(guò)程的參數(shù)實(shí)際值與目標(biāo)值之間往往存在一定偏差，這一偏差稱為參數(shù)容差。從機(jī)械制造角度看，容差是指可被接受的幾何形狀或尺寸的變動(dòng)范圍；從統(tǒng)計(jì)角度看，容差是指某一指標(biāo)的容許變動(dòng)范圍；從質(zhì)量設(shè)計(jì)角度看，容差是可被接受的極限。在工程上，由于加工的構(gòu)件尺寸有一定誤差、施工過(guò)程產(chǎn)生一定的人為偏差、結(jié)構(gòu)受力會(huì)產(chǎn)生一定程度的變形等原因，導(dǎo)致容差的產(chǎn)生。為保證施工精度及建筑物安全性，科學(xué)合理地進(jìn)行容差設(shè)計(jì)十分必要。國(guó)家速滑館幕墻系統(tǒng)造型新穎、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、安裝精度要求較高、施工難度大，因此，必須提前對(duì)幕墻系統(tǒng)進(jìn)行容差設(shè)計(jì)。

天壇輪廓玻璃幕墻采用縱向S形箱形鋼梁與橫向圓鋼管通過(guò)牛腿連接在一起形成幕墻網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)體系。S形箱形鋼梁通過(guò)支座與環(huán)形桁架或幕墻拉索固定。其中編號(hào)SLM-01～SLM-30的S形箱形鋼梁與幕墻拉索、環(huán)形桁架和水泥支座相連，編號(hào)SLM31～SLM-40的S形箱形鋼梁只與環(huán)形桁架和水泥支座相連。結(jié)構(gòu)體系分別以長(zhǎng)軸和短軸對(duì)稱，如圖1所示。幕墻系統(tǒng)容差設(shè)計(jì)主要包括對(duì)S形箱形鋼梁與其相連結(jié)構(gòu)之間進(jìn)行合理的容差設(shè)計(jì)(結(jié)構(gòu)容差設(shè)計(jì))及對(duì)S形箱形鋼梁與幕墻板塊及幕墻板塊之間進(jìn)行合理的容差設(shè)計(jì)(幕墻體系內(nèi)的容差設(shè)計(jì))。

圖1 S形箱形鋼梁結(jié)構(gòu)體系

2.1 結(jié)構(gòu)容差設(shè)計(jì)

S形箱形鋼梁與其相連結(jié)構(gòu)之間在加工與安裝過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一定偏差，因此，S形箱形鋼梁與環(huán)形桁架的“板凳”和水泥支座的埋板相連時(shí)，需設(shè)計(jì)足夠的容差空間。由于受力計(jì)算約束條件的限制，豎向S形箱形鋼梁與豎向幕墻索的連接構(gòu)造對(duì)拉索與S形箱形鋼梁安裝精度的要求非常高，即索中心必須在S形龍骨中心線方向上，兩者之間的連接板箱體厚度為110mm，索頭預(yù)留空間也為110mm，而矩形管提供的連接面寬度僅為126mm，兩端僅有6.5mm寬的調(diào)整量。因此，速滑館幕墻的S形箱形鋼梁必須根據(jù)拉索實(shí)際定位設(shè)置，并且在張拉及屋面配重設(shè)置完成后才可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況下料加工，幕墻分割線必須與S形箱形鋼梁中心重合才能滿足建筑效果的要求。為提高施工效率，無(wú)拉索影響的S形箱形鋼梁(編號(hào)SLM-31～SLM-40)可提前定制加工。

現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)測(cè)后，通過(guò)與原模型進(jìn)行對(duì)比，得出如下容差設(shè)計(jì)方案。拉索節(jié)點(diǎn)在垂直方向(徑向)的偏差可通過(guò)調(diào)整連接節(jié)點(diǎn)高度來(lái)抵消。水平方向偏差在70mm以內(nèi)時(shí)，可通過(guò)扭轉(zhuǎn)索具方向消除，如圖2，3所示；若>70mm，則需通過(guò)調(diào)整索具位置或S形箱形鋼梁龍骨位置來(lái)消除。若調(diào)整了S形箱形鋼梁龍骨位置，為保證幕墻外皮形狀不變，需重新調(diào)整模型，該S形箱形鋼梁本身形狀及相鄰兩跨的所有幕墻板塊、“冰絲帶”、鋁板等材料的尺寸及形狀全部會(huì)發(fā)生改變。

圖2 幕墻拉索與弧形梁連接節(jié)點(diǎn)

圖3 拉索連接點(diǎn)扭轉(zhuǎn)70mm示意

幕墻內(nèi)凹位置的冰絲帶鋼管與S形箱形鋼梁通過(guò)可拆卸的片狀牛腿連接?！氨z帶”鋼管直徑180mm，原設(shè)計(jì)牛腿寬度也為180mm，幾乎無(wú)容差，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)安裝精度要求較高，不利于施工。因此，通過(guò)容差設(shè)計(jì)，對(duì)牛腿做 “大頭”處理，用于調(diào)整“冰絲帶”鋼管安裝偏差及S形箱形鋼梁定位偏差，如圖4所示。

圖4 牛腿設(shè)計(jì)

2.2 幕墻體系內(nèi)的容差設(shè)計(jì)

國(guó)家速滑館具有獨(dú)特的天壇輪廓幕墻，幕墻施工測(cè)量放線與板塊精確安裝定位難度大，且幕墻為單元式玻璃幕墻，每塊弧形玻璃形狀不標(biāo)準(zhǔn)(標(biāo)準(zhǔn)弧形玻璃展開(kāi)為矩形)，加工難度較大，故玻璃幕墻在板塊制作與安裝過(guò)程中不可避免地產(chǎn)生一定程度的誤差。因此，根據(jù)工程施工工藝特點(diǎn)，各構(gòu)件、板塊之間的間隙均進(jìn)行容差設(shè)計(jì)。豎向膠縫寬度為20mm，以吸收水平方向上的結(jié)構(gòu)位移及幕墻自身變形。橫向裝飾面板設(shè)計(jì)了±10mm的滑動(dòng)空間，以吸收垂直方向上的尺寸偏差。幕墻豎向龍骨距S形箱形鋼梁邊緣16mm，可用于調(diào)整S形箱形鋼梁安裝偏差及幕墻定位偏差?！氨z帶”玻璃間預(yù)留10mm膠縫，以吸收位移及調(diào)整安裝偏差，如圖5所示。根據(jù)JGJ 102—2003《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》進(jìn)行幕墻系統(tǒng)變形計(jì)算。鋼材線膨脹系數(shù)為1.2×10-5/℃，玻璃線膨脹系數(shù)為1.0×10-5/℃，工程考慮的年溫差為80℃，鋼材和玻璃管長(zhǎng)度均為4m。在設(shè)計(jì)年溫差下，鋼材和玻璃向左、右2個(gè)方向伸長(zhǎng)，計(jì)算得出鋼材最大伸長(zhǎng)量為3.84mm，玻璃最大伸長(zhǎng)量為3.2mm，符合“冰絲帶”玻璃間預(yù)留膠縫的容差設(shè)計(jì)。

3 關(guān)鍵施工技術(shù)

天壇輪廓玻璃幕墻采用縱向S形箱形鋼梁與橫向圓鋼管通過(guò)牛腿連接在一起形成幕墻網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)體系。將玻璃與鋁型材在加工廠預(yù)制成高精度的幕墻單元板塊，單元上下橫梁附框與方通鋼管通過(guò)鋁合金轉(zhuǎn)接件加螺栓連接，單元立框通過(guò)螺栓壓塊與S形箱形鋼梁連接固定。外觀呈現(xiàn)出橫向350mm寬、豎向90mm寬鋁合金壓蓋與玻璃面平齊的明框幕墻效果。幕墻豎剖標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)如圖5所示。

圖5 幕墻豎剖標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)

3.1 S形箱形鋼梁龍骨安裝調(diào)節(jié)

由于國(guó)家速滑館獨(dú)特的馬鞍形屋面及橢圓形平面構(gòu)造，S形箱形鋼梁龍骨的定制長(zhǎng)度和安裝角度均發(fā)生改變，精確安裝難度較大，必須考慮S形箱形鋼梁龍骨安裝時(shí)的高精度調(diào)節(jié)。為消除上部環(huán)形鋼桁架施工偏差對(duì)S形箱形鋼梁龍骨高精度安裝的影響，通過(guò)設(shè)計(jì)套座使S形箱形鋼梁龍骨與頂部環(huán)形鋼桁架之間的連接實(shí)現(xiàn)六向調(diào)整；通過(guò)定制支座耳板，消除S形箱形鋼梁龍骨銷軸基準(zhǔn)點(diǎn)與主體結(jié)構(gòu)埋件之間的前后方向偏差；通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)幕墻索和幕墻S形龍骨之間的偏差，定制耳板，焊接至S形箱形鋼梁龍骨上，消除S形箱形鋼梁龍骨拉索連接點(diǎn)的前后偏差。S形箱形鋼梁龍骨上下、左右及偏轉(zhuǎn)方向上的偏差由2.1節(jié)所提出的結(jié)構(gòu)容差設(shè)計(jì)方案解決。

3.2 天壇輪廓玻璃幕墻安裝

由于國(guó)家速滑館天壇輪廓玻璃幕墻造型新穎，不規(guī)則弧形玻璃的制作與玻璃板塊安裝的精確定位會(huì)存在一定程度的偏差，要實(shí)現(xiàn)玻璃板塊精確安裝難度較大，故除了在施工前進(jìn)行容差設(shè)計(jì)外，在安裝過(guò)程中也需注意施工偏差的消除。

幕墻板塊豎向固定壓塊，采取可轉(zhuǎn)動(dòng)的鋁合金底座，方便安裝調(diào)整角度偏差，保證鋁合金壓塊的有效性。為避免結(jié)構(gòu)膠長(zhǎng)期受力，增加安全系數(shù)，所有玻璃板塊均設(shè)置了玻璃壓板，使玻璃與鋁合金橫豎龍骨之間形成機(jī)械連接，如圖6所示。

圖6 玻璃壓板示意

為提高玻璃的安全性，減少自爆率，速滑館幕墻采用半鋼化玻璃。加工時(shí)，采用單邊設(shè)備逐邊切割磨邊、玻璃鋼化熱彎弧形偏差控制、4 層雙夾膠抽真空防破損等技術(shù)，保障彎弧玻璃的加工質(zhì)量和精度。安裝時(shí)，先進(jìn)行單元體吊裝，再進(jìn)行室內(nèi)外扣蓋安裝，最后進(jìn)行單元體鋼圓管及“冰絲帶”安裝。通過(guò)容差設(shè)計(jì)及安裝控制，實(shí)現(xiàn)了玻璃板塊精確化安裝，保證了幕墻整體效果及使用功能。

4 結(jié)語(yǔ)

國(guó)家速滑館天壇輪廓玻璃幕墻造型獨(dú)特，構(gòu)件尺寸不一，構(gòu)件加工過(guò)程復(fù)雜，需要現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量放線高精度定位及S形箱形鋼梁龍骨、玻璃板塊精確安裝，施工難度大。為此，進(jìn)行了全面系統(tǒng)的容差設(shè)計(jì)。通過(guò)結(jié)構(gòu)容差設(shè)計(jì)，保證了S形龍骨與幕墻拉索、環(huán)形桁架和水泥支座的精確安裝；通過(guò)幕墻內(nèi)的容差設(shè)計(jì)，為玻璃板塊的順利安裝提供了保障；通過(guò)設(shè)計(jì)套座和定制耳板，實(shí)現(xiàn)了S形龍骨的位置調(diào)節(jié)；通過(guò)可轉(zhuǎn)動(dòng)的鋁合金底座，實(shí)現(xiàn)了幕墻板塊角度偏差的調(diào)節(jié)。