摘要：国民经济的发展推动了建筑行业技术进步，以柔性钢索为主体结构的单层索网幕墙技术在我国高层建筑中得到了大范围应用。单层索网幕墙结构技术相比于常规幕墙技术具有力学载荷复杂、设计及实施工序繁琐等特征。与实际工程结合，针对单层索网幕墙结构在高层建筑中的设计及施工中的关键环节和注意要点展开探讨。先对单层索网幕墙结构特征与分类加以概述，进而针对单层索网幕墙结构的设计原理和应用展开分析，并提出了单层索网幕墙结构在高层建筑的倒装施工的具体应用，为今后相关的单层索网幕墙结构设计与施工实施提供借鉴。
关键词：单层索网幕墙；预应力；载荷；索网布置
0引言
单层索网幕墙在建筑施工中的优势明显，特别是应用在高层建筑中，其结构简洁、外观通透、构件占用空间小等特点便可凸显出来。单层索网幕墙整体通过柔性钢索构建，在钢索结构中实施特定的预应力，形成整体刚度，通过钢索间力的相互作用实现整体力学平衡与稳固，使其具备特有的承载能力和刚度特征[1-2]。单层索网幕墙结构设计复杂，对边界条件要求严格，且索网结构对高层建筑主体结构安全和质量影响较大，因此设计单位应需从单层索网幕墙结构特征及实现原理着手，结合高层建筑的项目实际，提出贴合实际的设计及施工方案，以实现高层建筑质量、安全、外观等方面的整体提升。
1单层索网幕墙结构概述
1.1索网幕墙结构特征
在高层建筑应用单层索网幕墙结构技术时，其与建筑中其他既结构是相互作用、影响的。单层索网幕墙除施工较复杂外，其还表现出钢索之间索力变化幅度大，钢索之间受形变影响大。通常高层建筑设计时，单层索网幕墙结构顶端与建筑采光顶连接同一桁架结构，张拉载荷作用使桁架产生形变，形变导致索力重新划分。下端钢索同时受建筑雨篷梁及门厅作用产生形变，使得钢索内力更加敏感。各种载荷作用造成内力的重新分配，使单层索网幕墙结构张力布置施工面临不小考验[3]。另一方面，由于高层建筑单层索网幕墙结构纵、横方向钢索距离长，导致张拉伸长量较大，常规的索具器械调节范围无法满足需求，需通过专业特定的张拉技术加以解决。
1.2索网幕墙结构分类
按钢索的布置方式不同，可将单层索网幕墙划分为单向结构和多向结构[4]。单向结构是通过纵向单钢索与建筑玻璃之间建立相互支撑，形成稳固结构；多向结构通过多个方向钢索建立互相连接，并利用连接点建立支撑，形成固定结构。按单层索网幕墙外立面结构差异，可划分为平面结构和非平面结构，如图 1 所示。按单层索网幕墙结构边界形式，可将其划分为一体式结构和附着自承结构。一体式结构的实现原理是将建筑主体与幕墙钢索直连，建筑主体结构直接承载钢拉索的载荷作用；附着自承结构并未实现建筑主体与幕墙钢索的直连，建筑主体结构并未直接承载钢拉索的载荷作用，而是通过索网幕墙结构自身建立平衡支撑，与主体结构形成“附着”关系。一体式结构和附着自承结构如图 2 所示。
2单层索网幕墙结构设计
2.1单层索网幕墙结构设计原理
在布置预应力前，单层索网幕墙结构平面以外并未构成有效的抗弯刚度，因此不能建立水平作用力支撑。布置预应力后，受水平载荷作用，其结构具备非线性几何特征及应力钢化特征，其结构刚度产生变化[5]。其特征主要表现为小应变、大位移，这是在单层索网幕墙结构有限元参数设计时需重点关注的，也是计算分析软件选择的重要依据。受面内应力作用耦合影响，横向刚度转换为应力钢化，索网结构平面内外抗弯刚度提高。但仅仅凭借布置预应力来支撑外部水平负载，既要通过扩大索截面来实现，还会给边框整体造成负担，违背了建筑科学、经济的设计初衷。受外部载荷作用变化影响，索网结构刚度也会随之变化，如果在起初较小刚度时受载荷作用，势必会造成大变形。此时钢索应变小，适应小应变原理。在单层索网幕墙结构设计时，应同时参考小应变、大位移的非线性几何原理。在外载荷恒定条件下，索的形变会引起整体结构形成“悬索”状态，形变范围越大，索用来制衡的内力越小。此时索应力与挠度参数成反比关系。由此可见，预张力与挠度参数确定是单层索网幕墙结构的重点设计环节，需经过精确的分析计算得出。基于以上分析，单层索网幕墙结构平面内外抗弯刚度设计方案，主要依据平面外位移原理与外载荷、预应力同时作用的索内力总和加以分析计算得出。
2.2单层索网幕墙结构设计应用
单层索网幕墙结构在高层建筑应用时，主要在于建立主体结构间的凹型互连结构。单层索网幕墙结构设计时，应参考非线性几何参数和应力刚性参数。
2.2.1设计影响因素
风力作用是单层索网幕墙结构的主要影响因素，设计中参考精确的风力载荷参数，有助于结构分析运算，因此在设计前应通过风洞试验收集风力载荷参数。单层索网幕墙是柔性结构，常规的刚性测压检测难以模拟真实的柔性索网数据，因此应将风洞试验与气弹模型模型配合使用。同时，设计时还应考虑温度对钢索应变性能的影响。
2.2.2边界结构设计
单层索网幕墙结构为平衡外部载荷，为此应合理布置纵、横方向拉索预拉力。整体边界结构承载较大的钢索拉力作用，且作用于建筑主体结构，所以针对边界结构设计应重点考虑自平衡结构。如未形成自平衡结构，边界结构为平衡拉索拉力，则需更大的结构刚度以实现稳定。某实际高层建筑索网边界结构设计如图 3 所示。
2.2.3索网布置设计设计
过程中，应通过控制单层索网幕墙结构形变来保证玻璃的稳定性。拉索距离应小于 2m 距离，通常在 1.3m左右。钢索双向布置时，网格以正方形为宜。针对单向结构设计，由于纵向钢索要同时承载纵、横双向载荷，因此索网幕墙高度应适宜。针对双向结构设计，由于纵、横钢索彼此相互支撑，都承载水平载荷，纵向索还应兼顾幕墙自身的质量承载和横向索平衡功能，即便横向索损坏，也应确保幕墙不掉落。针对建筑楼顶的双向结构，如果长宽比接近，纵、横钢索应共同承载纵向载荷。在长宽比大于 1.5 时，可根据工程实际，将长向索用于平衡稳定功能、短向索用于承载纵载荷功能。
2.2.4起始索内力和预应力设计
单层索网幕墙结构的柔性结构特征，使其只有在起始预应力作用下才能有效平衡抵御反向载荷作用。仅凭借布施预应力抵御水平外载荷则会导致索截面扩大，徒增边界结构压力，影响设计的科学性。标准的预应力通常控制在钢索断载荷的 25% 左右。
2.2.5形变参数设计
受风力作用影响，单层索网幕墙结构接近中间位置形变曲线切线斜率较小，边界形变曲线切线斜率较大。接近边界位置的玻璃面板四处形变差较大，设计时应加以强化，以减低面板的形变差参数。针对索网结构设计时，为保护幕墙玻璃稳定安全，应严控单层索网幕墙结构形变；同时，还应避免因控制形变力度过大而引起索拉力提升，从而导致索网边界刚度应力过大。落实到实际设计中，需保证最高温度环境下索应力正常紧绷，且最低温环境下索力最大值应低于索的拉力设计额定值，通常应以 l/50 为标准设计挠度控制索网形变限值参数。
2.2.6连接节点设计
鉴于纵、横钢索在张拉、支撑时，对应节点位置在索方向移动，为此应利用耦合方式连接节点。一体式结构是将建筑主体与幕墙纵、横钢索形成直连，保证边界具备满足需求的刚度。通常横向边界上端使用钢桁架结构，底部与地梁连接固定，纵向边界使用纵向钢桁架或型钢。附着自承结构的纵、横钢索两端和上部与边框连接固定，纵向钢索同中部框架梁滑动连接，底端同地下室梁固定，即主体与幕墙结构形成滑动连接。附着自承结构横向索同边框连接如图 4 所示。
3单层索网结构幕墙结构在高层建筑的施工要点
3.1单层索网幕墙结构施工工序
根据单层索网幕墙结构施工方案设计，应按如下工序施工：放线勘测—纵向结构钢柱拼装—吊装主桁架—从上至下吊装横向箱梁—焊接连接索耳板—拼装纵向拉索—张拉处置纵向索—夹具安装—拼装横向拉索—张拉处置横向索—紧固夹具索压块—安装玻璃、锁固玻璃夹板—注胶及清洗。
3.2放线勘测
虽然利用常规钢尺配合经纬仪测量模式直观、方便，但由于单层索网幕墙结构对放线精度要求更高，且涉及较复杂的细部放线工序，因此利用常规钢尺配合经纬仪方式难以满足实际放线需求。对于高层建筑幕墙结构，应利用全站仪配合钢尺及计算设备组建的全站仪测绘系统，完成实际勘测，实现点位的精准测设。参照单层索网幕墙结构平面设计方案和工程实际状况，利用独立施工坐标体系，测算不同控制点位的坐标数据，完成放样。
3.3吊装幕墙钢结构
结构钢柱主要用于实现横向拉力在主体结构作用点位的优化，同横向箱梁、顶端桁架结构之间无连接，因此各部位吊装操作可单独完成。利用倒装技术实施吊装，先完成上端桁架梁吊装，之后以桁架梁为支点，进行下方横向钢箱梁吊装，最后完成吊装纵向钢柱。其中上端桁架梁吊装是安装工序的关键环节，受空中作业所限，难以搭建施工操作平台，为达到高空吊装安全和精度，应利用一体化制备、整体吊装技术完成桁架的组装。在高层建筑施工中，由于吊装的钢结构质量大，操作高度高，应利用多轴吊装机械完成。多轴吊装机械自身质量大，依靠施工场地地下室顶板难以实现有效的平衡固定，在路面停靠又常常难以达到桁架梁需要的安装位置，因此利用多轴吊装机械吊装桁架梁，应采用专业的固定处理。桁架梁吊装过程中，应配合鹰嘴吊完成吊装。为实现精准吊装的目的，桁架梁吊装前应进行预吊装测试，测试合格方可进行正式吊装作业。完成桁架梁吊装施工后，利用倒装技术从上至下进行横向箱梁的吊装施工。以桁架梁为支撑，将自动葫芦固定于桁架梁两侧，从而完成下方横向箱梁的吊装施工。利用鹰嘴吊进行挂篮安装，以为操作人员搭建操作平台。然后采用相同的方式完成后续其他箱梁的吊装。
4结语
依靠柔性钢索为主体结构的单层索网幕墙技术应用在高层建筑中，具备了结构简洁、外观通透、构件占用空间小等技术优势，同时也表现出了力学载荷复杂、单层索网幕墙结构设计繁琐，边界条件要求严格，且索网结构对高层建筑主体结构安全和质量影响较大等特征。本文结合工程实际，围绕高层建筑单层索网幕墙结构的设计、施工要点展开讨论，分析单层索网幕墙结构特点和类别，探讨单层索网幕墙结构的设计原理和实际设计应用，提出单层索网幕墙结构在高层建筑的倒装施工的施工要点，为后续相关的单层索网幕墙结构设计与施工的安全、质量和外观提升提供参考。
作者：徐广财 单位：中铁十九局集团第一工程有限公司