【结构精品案例】超高262.05米岛外第一高楼—杏林湾商务营运中心结构分析

                                                                           图1 杏林湾营运中心12#楼效果图

该项目幕墙面积约102030㎡，其中塔楼幕墙是单元体幕墙和铝板幕墙，由16层开始，共43层。单元板块有4537个，面积约为25000㎡ ，铝单板面积约为15000㎡，主要分布于层间凹槽位置。裙楼幕墙主要是构件式幕墙和铝板幕墙，构件式幕墙面积约为17000㎡，铝单板面积约为16000㎡ 。

建筑设计理念：


杏林湾营运中心12#楼整座建筑立面外型似高塔直插云霄，裙楼部分像贝壳包裹璀璨的珍珠闪闪发光，由顶部俯瞰整座建筑轮廓似八卦外形且层层伸缩变化，仿佛有“易有太极，是生两仪，两仪生四象，四象生八卦”易经的深奥。

整座建筑把现代商业气息和传统文化紧紧的融合在一起，即展示现代时尚又不失古典文化内涵，使之具有了标新立异的地标建筑风格。此外本建筑还采用很多高科技的现代化设计，创造出临水高楼鳞次栉比的繁荣氛围，将成为未来厦门岛外的CBD地标性建筑和特色城市景观。

                                                                       图2 杏林湾营运中心12#楼施工图

                                                                    图3    幕墙立面及功能层划分示意图

3 幕墙设计概况

3.1 裙楼构件式幕墙（1~15层）

本工程裙楼位置为构件式玻璃幕墙，幕墙系统见光位采用（8+1.52PVB+8）+12A+10中空夹胶钢化Low-e玻璃，层间采用6+1.14PVB+6夹胶钢化玻璃。依据风洞试验报告在立面上划分低风压区及高风区,相应的节点处理，分成低风压区及高风区两种系统，在充分保证结构安全及幕墙基本性能的前提下，控制工程成本。

图4   不同风压在立面分布示意图

图5    裙楼低风压区（纯铝）及高风压区（加方钢）横剖节点

图6    裙楼1-6层竖剖过楼层处铝板上有水槽节点 (主体结构为混凝土梁)

3.2 主入口球形体玻璃幕墙

主入口球体幕墙玻璃板块都是等腰三角形，等腰三角形底边边长约3000mm,三角形高度约2700mm。玻璃配置：(8+1.52PVB+8)+12A+8中空夹胶钢化Low-e玻璃，主龙骨采用200×100×10mm钢方管（氟碳喷涂）；次龙骨100×100×5mm钢方管（氟碳喷涂），椭圆形玻璃盒幕墙位置图及效果见图7、图8。

图7  主入口球形体玻璃幕墙位置图

图8   球体幕墙室内侧效果图

图9   球体幕墙次龙骨节点图

                                                                      图10   球体幕墙主龙骨节点图

3.3 塔楼单元式幕墙

塔楼标准层高度为4.3米，采用单元式幕墙，幕墙横向为明框形式，竖向为明隐结合形式。单元式幕墙见光位玻璃（低风压区）：（8+1.52PVB+8）半钢化夹胶+12A+10中空钢化Low-e玻璃，见光位玻璃（高风压区）：（8+1.52PVB+8）半钢化夹胶+12A+12中空钢化Low-e玻璃，凹槽位置采用3mm厚铝单板（外表面氟碳喷涂处理），层间梁位玻璃采用6+1.14PVB+6mm厚钢化夹胶玻璃。塔楼单元式幕墙的区位图和效果图如图11所示：

图11   塔楼单元式玻璃幕墙层间结构效果图

图12   塔楼单元式玻璃幕墙效果图

图 13  塔楼单元式幕墙单元板块CAD三维实体图

图14   塔楼单元式幕墙横剖节点图

                                                             图 15  塔楼单元式幕墙标准竖剖节点图

4 幕墙结构计算分析与核算

4.1 设计数据

（1）基本参数取值

地面粗糙度类别：A类

基本风压：W0=0.8kN/㎡（50年一遇）

抗震设防烈度：7度

地震加速度：0.15g

地震影响系数αmax=0.12

(3)风荷载取值

根据汕头大学风洞实验室《厦门杏林湾营运中心12#楼—风洞试验报告》提供的分析数据与根据《建筑结构荷载规范》GB50009-2012计算的风荷载值，取两者比较之大者。具体数据如下表1所示：

表1 风荷载取值

（3）风振分析

                                                                             图16 风洞试验模型

本项目在汕头大学刚性模型风洞测压试验的基础上，采用刚性模型风洞测压试验的数据，进行“风致响应及等效静力风荷载计算”。

在高层建筑结构的风致响应分析中，其力学模型大致分为三类：分别为串联质点模型、层刚片模型和精细的空间有限元模型，本项目采用了精细的空间有限元模型，见图1-2。图1-2是由北京市建筑设计研究院提供的ETABS高层软件模型转换为SAP2000软件的模型。

采用汕头大学风洞实验室测量的脉动风压时程数据，首先分析得到测点上的脉动风压均方根、脉动风压功率谱，再按空间结构随机风振分析方法对该高层建筑结构进行风振动力分析，包括顺风向、横风向和绕竖轴的扭转空间风致振动，连同平均风荷载一起，给出每一楼层的三分力（水平X、Y 向合力和绕Z轴扭矩）等效静力风荷载；同时给出脉动风荷载作用下每一塔楼顶部楼层的峰值加速度值，以判断人体舒适度用。

                                                                         图17   风振分析分析模型

第1阶振型（f1＝0.1797Hz）

第2阶振型（f2＝0.1856Hz）

4.2 结构设计原理及设计方法

4.2.1   设计原理及方法

(1)有关内力和变形的计算均采用弹性方法进行，对部分变形较大的场合，如索结构，考虑几何非线性的影响。

(2)进行构件的设计计算时，对于静定结构，采用材料力学、弹性力学的相关假设、公式、原理及方法进行计算；对超静定结构，一般利用结构设计软件进行计算。

(3)进行面板的设计计算时，一般是基于挠度不大于厚度条件下的弹性小变形理论，采用弹性小挠度计算公式，并考虑与大挠度分析方法计算结果的差异，将应力与挠度计算值进行折减；对支撑条件比较特殊的面板，一般采用有限元方法进行计算。

(4)除按上述原理及方法进行结构设计计算外，还需遵守现行相关规范的规定。

4.2.2   设计荷载分析与组合原则

在作用于幕墙上的各种荷载中，主要有风荷载、地震作用、幕墙结构自重和由环境温度变化引起的作用效应等等。其中，风荷载、地震作用为作用在幕墙上的动荷载；结构自重和由环境温度变化引起的作用效应为作用在幕墙上的静荷载。

在幕墙的节点设计中通过预留一定的间隙，消除了由各种构件和饰面材料热胀冷缩引起的作用效应。所以，作用于幕墙立面的平面外荷载、地震作用，幕墙平面内主要是幕墙结构自重，其中风荷载引起的效应最大。

在进行幕墙构件、连接件和预埋件承载力计算时，采用荷载设计值；进行位移和挠度计算时，采用荷载标准值。

(1)风荷载

按规范要求，风荷载分项系数应取=1.4，即风荷载设计值为：

W =γ/W·Wk……………………………   (4.2.2-1)

(2)地震作用

幕墙平面外水平地震作用标准值计算公式如下：

qEK =βEαmax·Gk/A…………………  (4.2.2-2)

式中：

qEK为垂直幕墙平面的分布水平地震作用(kN/㎡) ；

βE=γηζ1ζ2≈5.0(按《建筑抗震设计规范》GB 50011-2010)，其中，γ=1.4，η=0.9；ζ1 =2.0；ζ2=2.0；

αmax为水平地震影响系数最大值；Gk/A为单位面积的幕墙结构自重(kN/㎡)。

按规范要求，地震作用的分项系数取γE = 1.3，即地震作用设计值为：

qE =γE·qEK=1.3 qEK……………………  (4.2.2-3)

(3)幕墙结构自重

按规范要求，幕墙结构自重的分项系数取γG=1.2(自重起主要控制作用时为1.35)。

(4)雪荷载

按规范要求，雪荷载的分项系数取γG=1.4。

(5)施工荷载、清洗荷载等：按规范取值。

(6)荷载组合

按规范要求对作用于幕墙同一方向上的各种荷载应作最不利组合。对垂直立面上的幕墙，其平面外的荷载最不利荷载组合为：

W合 =1.0 W + 0.5qE………………………  (4.2.2-4)

其中, W合为组合荷载的设计值(kN/㎡)。

4.3 塔楼单元式幕墙结构分析与核算

塔楼标准层高度为4.3米，49F以上层高4.6米（4.7米），避难层高5.7米。标准横向分格为B=1550mm；单元玻璃透光部位玻璃采用8+1.52PVB+8+12A+10mm钢化夹胶玻璃。标准层玻璃最大分格为1550×2650mm，避难层玻璃最大分格为1550×3660mm，层间梁位玻璃采用6+1.14PVB+6mm厚钢化夹胶玻璃，玻璃最大分格为1550×600mm；幕墙横向为明框形式，竖向为明隐结合形式。楼层跨度较大位置设钢架支撑，使单元跨度为标准层跨度。最大计算标高为261.9米，标准大样图如右页图19所示：

（1）幕墙传力路径分析

玻璃→结构胶（压码）→横梁或立柱→立柱与支座连接系统→支座→主体结构

（2）幕墙荷载说明

1）幕墙自重

a)  8+1.52PVB+8mm+12A+10mm钢化中空夹胶玻璃，自重gK1=0.67kPa

b)  6+1.14PVB+6mm钢化夹胶玻璃，自重gK2= 0.31kPa

c)考虑幕墙支撑杆件，配件等重量，考虑幕墙自重为gK=0.9kPa

2）风荷载

结合GB50009-2012《建筑结构荷载规范》及本项目风洞试验报告进行取值。本系统风荷载取值为：a）标准层：+3.81/-6.86(kN/㎡) ; b) 4.7米层高：+5.87/-6.48(kN/㎡) ; c) 5.7米层高：+3.56/-6.16(kN/㎡)。

3）地震荷载

水平地震荷载：

qEk=5αmax GK/A=5×0.12 GK/A ，qE=1.3qEK。

（3）铝合金板有限元分析计算

采用结构计算软件STAAD对铝板进行分析计算，模型和计算结果如右页图20-21所示，经计算分析铝合金板强度和挠度均符合设计要求。

图19   塔楼单元式幕墙标准大样图

图20   铝合金板有限元分析计算模型

                                                              图21   铝合金板有限元分析计算结果

     

4.4 主入口球形体玻璃幕墙结构分析与核算

本建筑西立面裙楼位置设置钢结构椭圆形玻璃盒幕墙，玻璃呈三角形状，为三边支撑，采8+12A+8+1.52PVB+8mm钢化中空夹胶玻璃，三角形玻璃边长约为3100mm。最大计算标高为28.1米。幕墙大样见图22。

                                                               图22    主入口球形体玻璃幕墙标准大样图

（1）受力路径分析

1）垂直于玻璃面板的水平荷载：

面板→铝压码（结构胶）→铝合金副框→支承骨架→主体钢结构

2）平行于玻璃面板的竖向荷载：

面板→铝压码（结构胶）→铝合金副框→支承骨架→主体钢结构

（2）荷载说明

1）幕墙自重

8+1.52PVB+8mm+12A+8mm钢化中空夹胶玻璃，自重gK1=0.614kPa；考虑幕墙支撑杆件，配件等重量，考虑幕墙自重为gK=0.9kPa。

2）风荷载

结合GB50009-2012《建筑结构荷载规范》及本工程风洞试验报告进行取值。本系统风荷载取值为：+2.42/-2.58(kN/㎡)

3)地震荷载：

水平地震荷载：

qEk=5αmax GK/A=5×0.12 GK/A ，qE=1.3qEK。

（3）夹胶玻璃有限元分析

主入口球形体玻璃幕墙采用8+12A+8+1.52PVB+8mm钢化中空夹层玻璃，玻璃为三角形，边长尺寸约为3100mm由于外片玻璃受力不利，采用结构计算软件STAAD对外片玻璃板块进行建模计算，经分析计算大面玻璃的强度和刚度均满足设计要求。

                                                                         图23   大玻璃有限元应力分析

                                                                        图24   大玻璃有限元变形分析

（4）钢结构有限元分析

对主入口球形体玻璃幕墙钢架计算模型进行整体建模，将各种荷载作用到杆件上，采用经“中国建筑金属结构协会建筑钢结构委员会”鉴定认可的设计软件STAAD/CHINA 2005进行分析计算，如计算模型和计算结果如图所示。

                                                                         图25   受力模型及加载情况

4.5 裙楼构件式幕墙结构分析与核算

本工程裙楼位置为构件式玻璃幕墙，首层层高为5.7米，2至4层层高为5.1米，5层层高5.2米。幕墙系统见光位采用（8+1.52PVB+8）+12A+10中空夹胶钢化Low-e玻璃，层间采用6+1.14PVB+6夹胶钢化玻璃，首层玻璃最大分格为1600mm（宽）×3750mm（高），二层以上玻璃最大分格为1500mm（宽）×2350mm（高），最大计算标高取为70米。立柱形式：低风压区采用普通闭腔型立柱，高风压区铝包钢形式。局部大样如下图：

                                                                      图28   裙楼构件式幕墙标准大样图

（1）幕墙受力路径分析

1）垂直于幕墙的水平荷载：

玻璃→结构胶→横梁(或立柱)→横梁与立柱连接→立柱→立柱与支座连接系统→支座→预埋件

2）平行于幕墙的竖向荷载：

玻璃→结构胶→横梁→横梁与立柱连接→立柱→立柱与支座连接系统→支座→预埋件

（2）幕墙荷载说明

1）幕墙自重

a)  8+1.52PVB+8mm+12A+10mm钢化中空夹胶玻璃，自重gK1=0.67kPa；

b)  6+1.14PVB+6mm钢化夹胶玻璃，自重gK3=0.31kPa；

c)考虑幕墙支撑杆件，配件等重量，考虑幕墙自重为gK=0.9kPa。

2）风荷载

结合GB50009-2012《建筑结构荷载规范》及本工程风洞试验报告进行取值。本系统风荷载取值为：高风压风（北面边角）：+2.53/-6.68(kN/㎡) ;其它区域：+2.53/-3.29(kN/m2); 首层：+2.21/-3.29(kN/㎡)

3)  地震荷载：

水平地震荷载：

qEk=5αmax GK/A=5×0.12 GK/A ，qE=1.3qEK。

（3）幕墙开启扇受力分析

开启扇通过合页固定于横梁，边部及下端通过8个锁点固定于窗框。结合GB50009-2012《建筑结构荷载规范》及本工程风洞试验报告进行取值。本系统风荷载取值为：+2.53/-6.68(kN/㎡)，取-6.68(kN/㎡)，则

WK=6.68(kN/㎡)；

W=1.4WK=9.35 (kN/㎡)；

qEk=5×0.12×670/1000=0.402 (kN/㎡)；

qE=1.3qEK=0.5226 (kN/㎡)；

W合=1.0×9.35 + 0.5×0.5226 = 9.61 (kN/㎡)。

采用STAAD进行建模计算，计算模型及计算结果如下图所示，通过计算插芯抗剪力为5667.7（N），锁点抗剪力为6374.2（N），锁点强度满足设计要求，故开启扇强度满足设计要求。

                                                                             图29   开启扇负荷加载图

                                                                        图30  开启扇支座反力图

（4）幕墙横梁计算

采用STAAD进行建模计算。横梁与立柱连接点按铰接点进行考虑；立柱仅为面外荷载辅助参与荷载分配用。横梁自重由结构计算软件自动考虑。计算标高为31.3米，层高为5.1米。

结合GB50009-2012《建筑结构荷载规范》及本工程风洞试验报告进行取值。本系统风荷载取值为：+2.53/-6.68(kN/㎡)，取-6.68(kN/㎡)

WK=6.68(kN/㎡)

W=1.4WK=9.35 (kN/㎡)

qEk=5×0.12×700/1000=0.42 (kN/㎡)

qE=1.3qEK=0.546 (kN/㎡)

W合=1.0×9.35 + 0.5×0.546 = 9.63 (kN/㎡)

横梁所受重力根据分格加载于横梁上。

玻璃自重按杆件1/4跨度加载于横梁上。根据横梁分格及荷载建立计算模型及加载如下，经计算节点最不利截面1和截面2均满足设计要求。

图31   幕墙横梁负荷加载图

                                                                 图32    幕墙节点最不利截图分析

5 本项目设计重点难点及解决方法

5.1 本幕墙工程造型独特，结构复杂

本项目造型独特，结构复杂，整座建筑轮廓似八卦外形且层层伸缩变化，塔楼呈螺旋扭转上升之势（如下图所示）。幕墙收口、空间变化繁多，仅塔楼就有300多个不同角度，空间定位及测量放线多，设计难度大。

                                                                         图33   幕墙平面各层变化投影图

在项目设计过程中，依据建筑图定位点用CAD及其它软件进行实体及线框建模，对整栋建筑进行3D线框模型图。用这些直观的3D模型图指导节点设计及现场施工，给准确测量放线提供理论坐标定位，并提前发现设计及现场结构等问题并解决问题。

针对单元式幕墙角度多达300多个以及球体幕墙相碰角度较多的情况，项目组在节点设计细部处理上首先将这些角度进行统计和划分，将相近角度归到一个节点调节，经过详细区分，整栋塔楼角度划分了7个区域，在一个区域上的节点作了特殊处理达到可调节角度。

                                                                   图 34   单元式幕墙不同角度调节节点图

                                                                     图35    球体幕墙不同角度调节节点图

                                                                           图36    建筑图放样的3D线框模型图

5.2 高抗风、高水密、高性能性能设计

本工程地处海边，地面粗糙度为A塔楼，风压限值PMAX = 10.29kPa，且幕墙收口、空间变化繁多，对幕墙的抗风压性能，水密性等性能要求极高。

依据风洞实验值，在立面上把风压值表示出来，能过分析划分划出高风区及底风区两种系统，即裙楼幕墙系统分为高风压区（高压区：wk＞4.0kPa,）与底风压区幕墙系统（wk ≤4.0kPa）见下图；塔楼幕墙系统也分成高风压区（高压区：wk ＞6.0kPa,）与低风压区系统（wk ≤6.0kPa），塔楼低风压区玻璃：（8+1.52PVB+8）半钢化夹胶+12A+10中空钢化Low-e玻璃，塔楼高风压区玻璃：（8+1.52PVB+8）半钢化夹胶+12A+12中空钢化Low-e玻璃，公母料立柱加钢芯套。

                                                               图37 裙楼低风压区节点（纯铝）

                                                                图38 裙楼高风压区节点（里面加方钢）

6 本工程施工的重难点及解决方法

整个幕墙工程结构复杂，工程量巨大，幕墙材料的组织、加工制作、平面及垂直运输、分段分区组织施工、施工安全与质量保证是本项目施工的重难点。 为了便于施工管理，同时根据层次、施工硬防护、避难层、幕墙系统等因素，将本工程划分为五个施工区进行施工，再将每个施工区分为几个施工段，具体分区分段情况如下：

                                                                              图39   施工区段划分立面示意图

6.1 裙楼框架式幕墙（1-6层）的施工方案

本工程在裙楼部位的结构内缩、外挑和错位特点较明显，部分位置钢龙骨需外挑3000mm，施工难度非常大。对于此种复杂的结构造型，钢龙骨每个位置的牛腿受力情况不同，所以对深化设计的要求非常高。

裙楼层间凹进部位的铝板幕墙，进深在700mm以上，净高只有300mm，根本没有施工操作面，所以在施工工序上必须做出相应的改进。施工组织的主要施工难度在于，普通脚手架无法满足复杂的结构要求，故必须有特定的脚手架搭设方案及施工方案。根据建筑结构特点，搭设能满足施工的幕墙专用脚手架，并在每个楼层用移动操作平台配合安装。将裙楼部分划分为五个施工段，由上而下组织流水施工，施工完一层面板后拆一层脚手架，再进行下一层的面板安装。

                              图40    裙楼1-6层脚手架搭设方案及内部移动操作平台示意图

6.2 裙楼框架式幕墙（7-15层）及塔楼16层以上的施工方案

本工程7-15层仍然是框架式幕墙，且结构形式与裙楼1-6层相似，施工难度依然很大。

对于7-15层的框架式幕墙，根据图纸及现场实际情况分析，划分为南、北和东、西，两个施工面，根据南、北面逐层递缩的结构特点，可直接采用脚手架施工，部分施工区域，内部配置施工移动平台。而东、西面则采用吊篮配合内部移动平台，由下至上，进行龙骨及面板的安装施工。四个面可同时展开施工。

结合避难层和硬防护的安装位置，将16层以上的单元式幕墙划分成三个施工区域，每个施工区域内相邻的两层为一个施工段，采用轨道施工方案，部分特殊位置配合室内移动操作平台进行单元板块安装。

塔楼部分的层间凹进铝板收口位置，进深在700mm以上，部分位置已经超过1000mm，净高只有300mm，安装的措施是：先施工单元板块，在进行上口L型铝板安装，同时进行铝板收口的交叉施工，待铝板收口完成后，才能进行下一道工序。

                                                                图41    7-15层裙楼施工方法示意图

（东西面搭脚手架，南北面轨道吊）

                                                                       图42    6-54层轨道及吊篮布置图

                                                                           图43   7-15层裙楼施工方法示意图

（东西面搭脚手架，南北面轨道吊）

6.3 球体幕墙施工方案

球形体玻璃幕墙是本工程的一个有特色的创意设计，每一个结构层由两层三角形玻璃组成，外形似水晶球，施工难度大。由于造型独特，每一层的三角形板块进出位不同，必须依靠电脑三维技术对其进行建模、放样。在加工制作过程中，应同时满足装修对结构的精度要求，每一块玻璃表面要求自然吻合，对安装提出的要求高。球体幕墙龙骨是6个方向的钢通交汇在一起，加工安装难度大。

由专业的放线人员进行实地测量放线，进行多次测量，取平均值，再将数据返回设计，进行玻璃加工图的绘制。采用电脑三维放样，安装过程中，对龙骨的焊接定位进行每施工一层进行一次测控，保证龙骨精确定位。

                                                         图44    球体幕墙钢龙骨六个方向交汇3D放样模型图

                                                                                 图45    工程实例照片

7 总结

杏林湾营运中心12#楼为厦门区域性的地标性超高层建筑，无论是建筑形体还是建筑结构形式均具有较大的难度。项目在设计、加工、组装、机具选择及幕墙施工上都遇到棘手的技术难题，采取一系列技术措施，这些难题均得到圆满解决。

本文通过对超高层建筑幕墙结构以工程案例进行技术进行分析计算，对于幕墙结构中的几个问题进行了分析、探讨，采用有限元计算软件,来解决工程中的复杂运算，为超高层建筑幕墙结构设计计算、优化提供指引。

通过大量的分析计算可知本项目的幕墙结构体系在荷载作用下具有良好的刚度,杆件截面满足强度及稳定要求, 适应温差变化的能力很强。同时风振响应分析结果表明, 该幕墙结构在脉动风的作用下表现出良好的动力稳定性和较大的结构刚度。

超高层建筑幕墙施工是一项技术含量高、安全风险大的工作, 只有掌握整个施工过程中的要点, 精心策划, 科学管理, 严抓质量安全关, 有效采用计算机模拟、专业的测量和监测，才能完成用户满意的精品工程。

本期【结构精品案例】内容就总结到这里了，觉的不错，就拿起手机扫码关注



”土木在线

”


订阅

干货速递

——



每日一淘专辑



，一淘就阅尽天下！

 

   


孔子云：人而无信，不知其所谓，意思就是一个连土木在线微信都不关注的人，不知道还能干神马？