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[分享]单索--极致通透的幕墙
作者：杨笑天
▲ 中国钻石交易中心单索幕墙，上海
The China Diamond Exchange Center
©gpchicago.com
受益于Frei Otto和斯图加特学派在张拉索结构领域的研究和实践，1993年由SBP设计的慕尼黑凯宾斯基机场酒店，第一次采用了单索幕墙结构，发明了一种极致通透的幕墙解决方案。
▲ 慕尼黑凯宾斯基机场酒店，1993
CableNet Façade of Airport Hotel Kempinski
建筑师:墨菲.扬，结构设计:SBP
当时索网幕墙是一个全新的概念，设计师以水平向和竖直向直径仅仅22mm的不锈钢拉索构成平面索网，覆盖了立面上25mx40m的大面积玻璃幕墙，令人无比震撼!
©张伟育
从此，单索幕墙因其简洁的形式，最佳的通透性，深受建筑师青睐，同时也给幕墙工程师和结构工程带来了新的挑战。
▲ MVRDV's Huge Market Hall
©JP van Eesteren
单索结构的受力就像琴弦，使一点力就会变形，初始刚度接近于零；但是变形后，其刚度迅速非线性增加。而双向索网的原理类似网球拍，施加张拉力的网线能够抵抗巨大的冲击力。
▲ 单层索网体系简图
©enclos.com
一般情况下，单索幕墙的重力荷载由竖向索承担，水平风荷载由竖索或水平索的非线性效应承担。这种结构体系，最大限度地利用了材料的强度优势。
在凯宾斯基机场酒店设计上，选择对水平索施加预应力用来抗风，而竖向索只承担玻璃荷载，只有较小的拉力，因此屋面张弦梁结构不必承受过大的荷载。
▲ 凯宾斯基酒店的索幕墙与张弦梁
©backroadjournal
索结构体系必须给予索足够的预张力，才能保证结构的计算刚度和允许挠度。一般单索幕墙变形可按1/50控制（也有专家建议1/40~ 1/60）。
索网幕墙在风载下的变形示意
凯宾斯基机场酒店单索幕墙最大设计变形甚至达900mm，是其短边的1/25、长边的1/50。对于幕墙设计，变形越大，则应越严格地评估风振效应、玻璃适应能力、连接件和密封胶的性能。
索网交点一般采用不锈钢驳接式的节点，它既是索网的固定构件，也是玻璃角部的支撑件。它能夹住玻璃，且不像DPG点式支承在玻璃角部钻孔。
▲ DPG点式支承
▲ 单索幕墙的几种节点样式
© 文末参考资料6
我国最著名的索网幕墙案例莫过于北京新知名地产大厦。
▲ 北京新知名地产大厦—平面单层索网幕墙
SOM、北京特种工程设计研究院
东北立面的索网幕墙横向57.6m，竖向87.8m。整个幕墙结构体系由两根大直径钢索、小直径不锈钢面索索网、摇臂铸钢件、主次钢索之间连接拉杆组成。
小索的预应力通过施工时对不锈钢索张拉产生，而大拉索的预应力则由吊起的一栋办公楼的自重、大钢索端头张拉、对小索张拉而使大索索力增加的三部预拉力组成。
单索幕墙的索内有较大的拉力，因此需要周边主体结构提供一定的刚度和承载力。北京新知名地产大厦项目中，水平索锚固在两侧塔楼的混凝土核心筒上。
吊挂吊楼的4根大直径钢索
外侧两根同时为索网幕墙提供支承条件
▲ 钢索支座处的V形摇臂
在水平力作用下，一般的V形支撑总是一根受拉、一根受压。北京新知名地产大厦的两根大钢索就像V形支撑，一但主塔楼侧移导致一根钢索受压或拉力值降低，必然大幅降低索网幕墙的刚度。为此设计师巧妙地设计了一个摇臂装置，使得主塔楼侧移不减小两根主索的拉力。
▲ 模型模拟摇臂的原理
如果竖向索之间没有横向索连接，则需要考虑玻璃板的作用，才能保证幕墙平面内的稳定，典型案例如Ludgate West连廊。
▲ Ludgate West 连廊 幕墙立面
结构设计SOM
Ludgate West连廊屋顶为悬索结构，悬索锚固于两端的塔楼。在悬索的横向架设空腹钢梁联系，立面幕墙采用单向索，上端连接于钢梁端部，下部锚固于地面。
▲ 幕墙与屋顶结构
索的拉力可防止悬链屋面的风揭
▲ DPG点式支撑（需在玻璃四角开孔）
为了综合考虑主体结构的边界位移、结构蠕变的影响，通常建议将索网与主体结构作为整体分析。尤其像Ludgate West连廊案例，单索上端间接锚固于柔性的悬链结构上，结构表现出更明显的几何非线性。
单层索网的网面也可以采用双曲面形式，即两个正交方向分别为正曲率和负曲率，受力类似于膜结构，索网的刚度将明显提高，比较典型的案例是中国航海博物馆和伦敦第四频道电视台大楼的幕墙。
▲中国航海博物馆--双曲面单层索网幕墙
GMP、上海建筑设计研究院
中国航海博物馆两片风帆钢结构壳体之间，曲面索网玻璃幕墙最宽处约22m，垂直总高40m。建筑造型复杂，且需考虑索网与帆形钢网壳的整体协同作用，结构的设计难度很大。
▲双曲索网局部
建筑大师罗杰斯设计的伦敦第四频道电视台大楼的入口，也是一种曲面索网结构。通高20m的弧形玻璃幕墙立面，展示了高技派建筑设计手法与结构创意的融合。
▲ 伦敦第四频道电视台入口幕墙立面
设计：Richard Rogers Partnership, ARUP
结合幕墙弧形内凹的特点，水平索曲率与幕墙平面一致，而竖向索曲率则与水平索相反，形成双曲索网结构以抵抗水平荷载。整个幕墙的竖向荷载通过三组悬臂构件支承于屋顶。
▲ 建筑剖面：外凸的竖向索
▲ 索网幕墙与屋顶的悬臂结构
巴登维尔古罗马浴场遗址覆顶是阿尔卑斯山以北惟一的古罗马文化遗产。2001年它被一个约35米跨度的拱壳结构保护起来。拱壳的两端采用索网幕墙，界定内外空间。
▲ 巴登维尔古罗马浴场遗址覆顶，结构设计SBP
The Roman Bath RuinsBadenweiler
© Badenweiler Thermen und Touristik GmbH
单索幕墙主受力索为竖向，其拉力由拱结构承担。16mm直径的钢索与玻璃组合，尽可能地减少对遗址的视觉遮挡。
▲ 拱壳与单索幕墙立面简图
©SBP 引注参考资料2
2015年落成的MVRDVs Huge MarketHall的索网幕墙高34米，高42米，支承结构是周边巨型的拱形建筑。结构设计上，采用直径31mm的单索，网格尺寸1.5x1.5m。单索预拉力约300kN，其设计最大变形为700mm，极限变形可达1400mm。
▲ MVRDVs Huge Market Hall,2015
© Ossip van Duivenbode
其它的案例在此不详细展开了，简要列举如下：
▲ UBS TOWER North Wacker DIVER
▲ Sowwah Square, Abu Dhabi
建筑两个立面均为索网幕墙
在立面转角处设计为鱼腹形索桁架
用以承担索网的拉力
关于单索幕墙的案例就介绍到这里。鉴于我们是一个结构专业公众号，接下来我们谈一些严肃的结构问题。建筑师可以跳过这段，直接到文末点赞赏或转发了。
简化估算方法
单索结构是高度非线性的结构体系，需借助计算软件详细地论证分析。不过，在方案阶段，我们可以用一些简便的方法估算，以拉索的最大拉力和初始张拉力的估算为例。
其实，上面公式的B项一般非常接近于1，那么
Tav=ωRL/8
即抛物线的轴力。然后，把最大拉力Tav减去索的附加弹性效应，可算得初始预拉力T0。
T0=Tav-εAE
其中，A和E分别为索的面积和弹模；ε为应变，根据抛物线的原理，
ε≈8/(3R2)
当R=50时，ε≈1/1000。
是的，估算只需要这3个简单的公式。
如果仍嫌公式麻烦，可以借助Sap2000软件的索几何工具。
▲ Sap2000软件的索几何
对于预拉力的设定，原则是任何工作状态下索都不能松弛，一般可按应力水平保持10~50MPa设计，必要时需要应力补偿装置、或预压弹簧等张力维持构造。
当然，索的拉力不是越大越好，必要时需要过载保护装置。过载保护装置的意义更多是保持索力值不发生大幅波动，保护主体结构不超载破坏，而不是保护索结构本身。
上图是一种串联弹簧装置，串联弹簧有助于减少支承结构相对位移对索力的不利影响，弹簧刚度宜取索线刚度的1/4-1/8。
▲ 拉索底部设置过载保护装置
© 周健
此外，文献1中专家提到的结构设计要点还有：
1）当关注位移响应时，风载建议取位移风振系数；当关注内力响应时，风载建议取内力风振系数。
2）设计对施工各个环节均应跟踪和控制，适当安装一些传感器，以保证索在张拉和正常使用时的精确控制。
参考资料
1.“索筑未来——2017索结构幕墙技术高峰论坛，张其林、秦凯、罗忆、于辉、陈志华、何志军、董彪、刘军进等专家的报告
2.《轻远》，SBP的轻型结构，中国建筑工业出版社
3.SOM Structural Engineering，DETAIL.
4.Internationalfacade.com
5.The Cablenet Facades of the Market Hall: Innovation in Construction
6.北京新知名地产大厦工程方案介绍-单索幕墙
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