基于双曲幕墙面优化的单层网壳钢结构设计分析

基于双曲幕墙面优化的单层网壳钢结构设计分析

周政权

苏州启迪设计集团股份有限公司相城分公司 215021

摘要：现阶段，单层网壳钢结构在建筑工程中的应用次数不断增加，本文主要利用高斯曲率分析法，对某建筑的异形曲面曲率特性进行了分析，并介绍了该建筑原本的设计方案、双曲面玻璃幕墙以及单层网壳钢结构优化的设计方案，以期进一步提升建筑工程的经济性与美观性，希望能够给读者带来启发。

关键词：双曲幕墙面优化；单层网壳钢结构；设计方案

引言：在科学技术与社会经济的发展过程中，人们对自身生活水平与感官享受的要求不断提升，一些具备特殊造型的建筑应运而生，这种情况的出现使得建筑结构形式受到了人们的广泛关注，比方说，京津城际于家堡站“贝壳状”穹顶、苏州中心“大鸟型”屋面等单层网壳钢结构的应用，都大大提升了建筑的美观性。

一、异形曲面建筑原本的设计方案

某异形曲面建筑主楼为双塔，建筑结构高度为99.5m，附楼建筑结构高度为36.6m，其钢结构位于主楼双塔间，其底标高5.5m，屋脊标高21.5m，东西跨度为23.7m，南北跨度为53.7m，底部通过四个铰支座与主楼连接，并且钢结构的东西两侧分别设置了简支构件，一侧与主屋面铰接，另一侧与混凝土塔楼铰接。在结构设计初期，为营造晶莹通透的氛围感，相关设计人员采用均分的原则，将建筑屋面玻璃幕墙分割为长度是2.2m的玻璃板块，在深化设计分析是可以发现，这种均分式的幕墙设计方案会导致玻璃板块的加工制作费用大量上涨，现阶段，为在提升建筑整体美观性的同时，节约施工成本，相关工作人员对幕墙面进行了优化分析。

二、异形曲面建筑双曲面玻璃幕墙的优化设计方案

（一）幕墙面板的翘曲值

幕墙面板的翘曲值指的是，对任意一个四边形幕墙面板进行分析时，相关工作人员可以确定这一面板的任意三个点，并将其连接扩大为一个平面，测量从第四个点到平面之间的垂直距离，这一距离就可以被称作幕墙面板的翘曲值，在平面检测过程中，翘曲值是检测任意一个面板是否是平面的关键点。在此次异性曲面建筑施工过程中，考虑到玻璃具备冷弯特性，因此，允许施工使用的玻璃面板存在一定的翘曲值，并且在本次施工过程中，参照施工人员的工作经验以及计算公式的应用，初步设定本次幕墙面板的翘曲变形指标为 。同时，应用Rhino软件对建筑钢结构屋顶的初始方案进行测试可以得出各玻璃面板的翘曲值分布情况，具体来说，经统计发现，该建筑初始设计中的384块玻璃面板中约有72%的面板为双曲面幕墙板块。这种情况的出现大大提升了工程的施工成本，现阶段，为切实解决这一问题，在考虑到建筑结构中钢筋混凝土结构无法调整的情况下，相关工作人员可以通过对建筑曲面东西两侧幕墙分格优化的方式，保证工程施工能够满足客户的实际需要。

（二）幕墙面板的曲率分析

在进行优化设计的过程中，相关工作人员可以利用计算机软件中的高斯曲率分析工具，对初始设计中的钢结构屋面的曲面特性进行分析，由于该建筑屋面的东西面呈对称分布的情况，因此，相关工作人员可以任选其中一面作为测试面，了解结构翘曲情况最为严重的区域，经测试分析后可以发现，该建筑钢结构支座范围内的翘曲最为严重。

（三）幕墙分格优化

在实际施工过程中，为尽量提升平板幕墙的使用块数，相关工作人员可以通过对幕墙平面的翘曲值进行控制，并且将不能调整的翘曲值尽可能控制在统一曲率范围内，降低面板制作成本。具体来说，依据曲率分布规律，该建筑南北方向曲率持续变化，而东西方向的区域可以用三个区间范围进行划分人，因此，在优化过程中，工作人员可以尽量通过等分南北方向幕墙面板，在东西范围上采用分区间等分的方式，降低面板的制作成本。

具体的划分方式为，将南北方向的面板进行24等分，令每个面板的长度在2.2m左右，而东西方向的面板先分成上、中、下三部分，再将每部分进行3等分，最上侧面板的长度为2.4m、中部长度为1.7m，下策长度为3.0m。在完成设计后，利用计算机软件对面板的翘曲值进行分析可以发现，在这些面板中有约95%的面板翘曲值小于25mm，并且最大翘曲变形指标为 ，该值小于 ，满足施工要求，而翘曲值较大的面板仅占仅有20块，对于这些双曲面幕墙板块，工作人员可以采用热弯工艺进行制作，相较于初始方案，优化后的方案经济性大大提升。

三、硬性曲面建筑单层网壳钢结构的优化设计方案

在完成幕墙优化方案后，依据《建筑结构荷载规范》以及《建筑抗震设计规范》等规章制度，利用Sap2000软件对建筑的单层网壳钢结构进行复核，可以发现，优化后的建筑设计位移控制指标为 ，该值小于 ，应力最大值比为0.79，小于1，所以说，优化后的设计方案符合相应的建筑结构标准。同时，参照《空间网格结构技术规程》的要求，对网壳结构的安全系数进行分析可以发现，优化后的方案网壳结构安全系数K=7.20，大于标准安全系数4.2，所以说，优化后的建筑设计符合相应的建筑结构标准，由于近年来我国双曲面单层网格结构建筑数量较多，因此，本次优化设计存在一定的借鉴意义

^[2]。

结论：对上述两种设计方案进行对比分析后可以发现，新设计方案中双曲面幕墙板块的加工制作费用得到了有效的降低，复核调整后的建筑单层网壳钢结构可以发现，钢结构符合建筑设计规范的相关要求，尽管相较于初始方案用钢量有所增加，但从整体施工成本来说，建筑施工项目成本仍存在大幅度降低的情况。

参考文献：

[1]张骁雄,任鹏,徐纲.单层曲面网壳钢结构屋面施工技术[J].建筑施工,2019,41(08):1480-1482.

[2]赵丽华.某传媒广场基于双曲幕墙面优化的单层网壳钢结构设计[J].建材世界,2019,40(02):43-45+49.