摘要：目前，建筑幕墙采用多种多样的面板材料和新的构成形式;为适应建筑功能和建筑艺术的各种要求，新的幕墙支承结构体系在建筑中得到应用。本文主要介绍一些新型建筑幕墙支承结构系统。
关键词：建筑幕墙 幕墙支承结构 斜交网格结构 空间刚架 索杆桁架 索网 悬挂体系
1 常规幕墙支承结构
常规幕墙的面板由正交的金属横梁和立柱支承。采用铝型材时，横梁与立柱采用螺栓连接; 采用钢型材时，横梁与立柱可以采用焊接或螺栓连接(图1.1)。常规支承系统是铰接或刚接的框架系统。
图1.1 常规幕墙支承结构
2022年北京冬奥会速滑馆的幕墙被称为冰丝带，由13道双曲玻璃环叠成，玻璃面板支承在阶梯型的钢曲梁上，钢曲梁由斜向拉索支承(图1.2，图5.3)。
图1.2 北京2022冬奥会速滑馆，阶梯型曲梁支承玻璃面板
通常建筑幕墙的支承结构多采用上述正交梁柱金属框架系统。随着建筑功能和建筑艺术要求的多样化，新的结构形式得到更多的应用。
2 斜交网格结构
2.1 双层斜交网格体系
早期一些幕墙工程直接将网架、网壳等屋面常用结构形式旋转90度，用于支承幕墙面板。如郑州裕达酒店的大堂和波士顿图书馆就采用了网架幕墙(图2.1)。许多幕墙是屋面的自然延伸，也同样采用了与屋面相同的双层网壳结构(图2.2-图2.4)。
图2.1 采用网架作为幕墙支承机构
图2.2 北京植物园温室采用双层网壳支承幕墙
图2.3 深圳机场T3航站楼双层网壳支承玻璃和铝板幕墙 图2.4 上海徐汇双层网壳玻璃球
图2.5 北京大兴国际机场，26万平方米双层双曲网壳屋面
2.2 单层三向斜交网格体系
单层三向斜交网格系统用钢量较省，施工方便，应用相当广泛。
平面三向斜交系统可以单片使用,也可以组成折面和晶体形幕墙(图2.6、图2.7 )。
图2.6 单片平面网格体系
图2.7 多个平面组合的幕墙网格支承系统
曲面单层网格结构常为柱面和回转面，但是更多的工程因建筑艺术的要求，会采用更为复杂的自由曲面(图2.8)。
图2.8 采用三向杆件网格结构的曲面玻璃幕墙
3. 刚架结构
3.1 平面刚架
三角形网格是稳定的结构，所以杆件在节点处可采用铰接。当采用多边形分格时，必须采用焊接，形成几何不变的刚架结构。
六边形是可以填满平面的几何图形之一，因此六边形焊接钢结构也常用于幕墙(图3.1)。
图3.1 六边形蜂巢幕墙钢结构
3.2 自由分格的刚架体系
由钢筋混凝土或钢构件刚性连接成为任意分格平面刚架或空间刚架可作为幕墙的支承结构体系(图3.2、图3.3)。
图3.2 迪拜阿尔法塔幕墙由空间刚架支承
图3.3 钢筋混凝土构件刚架系统
由金属构件和金属面板可以构成变形的刚架式幕墙表皮结构(图3.4、图3.5)。
4.索杆支承体系
4.1 索杆桁架
索杆桁架由受压的钢杆和受拉的钢索组成，有时拉索会固定在主体结构上，这将使主体结构受到附加的拉力，主体结构设计时对这拉力应予考虑(图4.1)。
图4.1 索杆桁架
图4.2 采用索杆桁架支承的工程
4.2 自平衡体系
采用受压的中央杆件和两侧对称的钢索组成自平衡体系时，其压杆的压力与拉索的拉力自相平衡，不会对主体结构施加额外的荷载(4.3)。
图4.4 自平衡体系
图4.5 采用自平衡体系的幕墙
5.索结构
5.1 单向索结构
单向索结构应竖向布置以承受玻璃面板的重量，索拉力应控制最大挠度大约为跨度的1/50(图5.1)。
图5.1 单向索结构
单向布索的结构刚度较小,通常单跨索的跨度不超过18m。
图5.2 采用单向索结构的幕墙工程
图5.3 冰丝带—北京冬奥会速滑馆，单向斜索作为幕墙曲梁的第一道支承结构
5.2 平面索网结构
索网结构是有预拉力的拉索体系，对玻璃幕墙遮挡最小，深受建筑师欢迎。索网的拉力要作用在主体结构上，主体结构设计时应预加考虑。索网在大挠度下工作，通常控制挠度为跨度的1/40~1/60。
北京新保利大厦高度160m，索网晶面形，90mX70m，由三片平面索网组成。这是目前世界最大的单片索网玻璃幕墙(图5.4)，两根主索由150根15.2mm的钢绞线组成，拉力达39000kN。
图5.4 北京新保利大厦索网结构支承玻璃幕墙
通常索网分格不大于1.5m X 1.5m。索端部直接连接于主体结构或者通过弹簧连接器连接于主体结构。弹簧连接器在温度变化时或地震时可以减少索拉力的突然变化。
图5.5 采用平面索网支承的玻璃幕墙
现在平面索网幕墙已在工程中广泛应用，部分项目见图5.5。
5.3 曲面索网
能自然形成的曲面索网只有双曲抛物面，即马鞍形曲面一种(图5.6)，它由弯曲方向相反的两组拉索叠合而成。
图5.8 上海中国航海博物馆(左)45m高双曲抛物面索网(中)，右图为拉索布置
要形成其他形状的曲面，必须附加其他的辅助拉索。图5.9为北京长安中心，要求形成两个凹进的球面幕墙，球面无法由两组拉索自然形成，所以在背面附加反向拉索。
图5.9 北京长安中心双球面玻璃幕墙
6.悬挂体系
幕墙系统由吊杆悬挂，吊杆上端固定在主体结构上，形成悬挂幕墙体系。
图5.8 德国波恩国家邮电总局，幕墙构件悬挂在主体结构上
上海中心外幕墙为扭转双曲螺旋面，为了用平面玻璃板块拟合这复杂的双曲面，板块必须层层退台，左右错缝。所以采用环梁支承，每12层至15层环梁为一组，由吊杆悬挂到楼面主体结构上(图5.9)。
图5.9 上海中心外幕墙，横梁由吊杆成组吊挂在上部主体结构楼层上
7. 结语
我国已经是世界上幕墙生产和应用量最大的国家，随着大量超高层建筑和公共建筑的兴建，建筑功能和建筑艺术对幕墙提出更高的要求，促使非常规的幕墙新型支承结构体系大量应用。我国幕墙设计水平和施工水平也会相应迅速提高。
作者单位：中国建筑科学研究院
专家介绍
赵西安
铝门窗幕墙委员会专家组
工作单位:中国建筑科学研究院
技术职称:研究员
专业:建筑结构,建筑幕墙
专长:建筑结构,建筑幕墙
作者：赵西安
来源：2020论文集
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迅速发展的玻璃结构
1 玻璃的结构性能
1.1 玻璃是独特的结构材料
不同于钢材、混凝土等传统建筑材料，玻璃本身是透明的;玻璃具有很高的强度，尤其是很高的抗拉强度，钢化玻璃的抗拉强度标准值可达到150N/m㎡至200N/m㎡，仅低于钢材;由于强度高，玻璃构件厚度很小，因而玻璃结构的自重很小，全玻璃墙的自重(包括玻璃面板和玻璃柱)在 80kg/㎡ 至 120kg/㎡ 范围内，只为混凝土墙和砌体墙的1/4至1/8;玻璃是化学稳定的物质，几乎没有能腐蚀玻璃的天然介质。
由于玻璃同时具备透明、高强、轻质、耐久四大特点，它成为独特的结构材料(表1)。
表1 结构材料的性能
* 铝材的耐久性取决于镀膜或涂装的质量 ; ** 不锈钢耐腐蚀，钢材的耐久性取决于防锈措施。
1.2 用于建筑结构的玻璃
1 钢化玻璃：将平板玻璃加热到玻璃软化点温度，用冷风迅速降温，对玻璃施加预应力，就成为钢化玻璃。
钢化玻璃的强度可以达到平板玻璃强度的3倍到4倍，可以更好地满足结构受力的要求。此外，如遇意外，钢化玻璃破损时，碎裂为颗粒状钝角小块，避免对人体产生严重伤害(图1)。
2 夹胶玻璃：夹胶玻璃又称夹层玻璃。用于玻璃结构的玻璃，其厚度为6mm至22mm。为满足结构截面的受力厚度，或者为了提高玻璃破碎后的安全性，常常将几片玻璃用胶片粘结为一个整体。当采用PVB胶片时，夹胶玻璃的承载力和刚度等于各片玻璃的承载力或刚度之和;采用SGP胶片时，夹胶玻璃的等效厚度可采用各片玻璃的厚度之和，因而其承载力和刚度极大地提高(图2)。
1.3 超大尺寸玻璃
目前常用玻璃的长度在8m以内，各国热弯夹胶钢化玻璃的长度一般不超过6m。超过长度的结构构件，用不锈钢板和不锈钢螺栓连接而成(图3)。
2012年，中国已经生产世界最大尺寸的玻璃。目前生产最大的玻璃为18m X 4m，厚度最大为25mm(图4)。并且具备了相应的钢化、热弯、夹胶的能力。中国的超大玻璃已经为国内外的玻璃结构提供了强大的技术支持(图5、图6)。
2 玻璃结构
玻璃结构常用于板，包括墙板和承重楼板。此外，用于主要承重结构时，有梁、柱和框架。
2.1 梁式结构
玻璃梁通常作为玻璃采光顶的支承结构，用于高层建筑的顶部、裙房以及大型公共建筑。为了安全，采光顶的面板和承重梁都必须采用夹胶玻璃。
玻璃梁通常采用铰支座，按简支梁计算。
玻璃采光顶的夹层玻璃面板可以周边支承，也可以采用点支承。按照其支承条件分别进行计算，通常多采用板的有限元分析软件。
2.2 玻璃柱
玻璃柱在受弯平面内截面尺寸很大，可以到800mm或更多;而在受弯平面外，受玻璃厚度所限，通常很小。为提高平面外的稳定性，除高度较小(通常高度6m以下)时可以采用底部支承外，多数情况下采用顶部悬挂的支承方式，使玻璃柱处于拉弯的受力状态。当玻璃柱的高度很大时，常采用多片玻璃夹胶以增大玻璃的厚度，从而加大玻璃柱截面的宽度(图15)。
玻璃柱上下端均采用铰支承，承受玻璃面板传来的自重、风荷载和地震力。玻璃面板可以采用边缘支承方式或点支承方式与玻璃柱连结(图16)。
玻璃柱较高时,可以采用不锈钢板将几段玻璃柱连接为长柱(图17)。
图18为北京芳草地中心高层办公综合建筑，大面积玻璃墙面用玻璃柱支承，形成通透的室内空间。
玻璃柱平面外刚度很小，其平面外稳定性问题要有足够的注意。虽然玻璃柱的一侧有玻璃面板作为平面外的支撑，但是另一侧玻璃柱是无约束的，当承受风吸力时，自由边受压，存在失稳的危险。因此·，当玻璃柱的高度大于8m时，应考虑玻璃柱的稳定问题;大于12m时，必须进行平面外稳定性计算。必要时增加平面外的支撑(图19)。
平面外支撑可以采用水平玻璃梁、水平不锈钢撑杆、水平不锈钢板等。图20为厦门国际会议中心玻璃柱的不锈钢板水平梁式支撑，不锈钢梁自重由竖向不锈钢吊杆支承。
苏州科技园区设计院高层办公楼，整座建筑的各层玻璃外墙均采用玻璃柱支承，大大扩展了玻璃结构的应用领域(图24)。
2015年，杭州浙商财富中心的全玻璃大堂创造了全世界最高玻璃柱的记录，玻璃柱高度达到28m。玻璃柱分为3段，在现场安装、就位、连接。玻璃柱截面高度850mm，截面厚度104.1mm，采用5片19mm超白钢化玻璃用2.25mm厚的SGP高强胶片夹胶。三段玻璃柱构件用不锈钢板和不锈钢螺栓现场连接。
柱的上下端均采用不锈钢夹板形成铰支座(图25)。
2.3 超大尺寸玻璃面板
我国已有多家玻璃公司可以生产世界最大规格的玻璃平板(18m X 4m X 25mm)，并且北京玻璃公司已具有相应的钢化、热弯、夹胶等深加工能力。所以目前世界各地的超大玻璃面板均由中国供应。
2012年，我国首先生产了12m X 2.6m 热弯、钢化、夹胶玻璃，供应上海苹果店，打破了国外长度不大于6m 的局限。12块弯曲玻璃，每块玻璃价格达到RMB 120万元。从此，更大规格的面板玻璃不断供应客户要求(图26)。
2.4 无立柱玻璃板外墙
2015年，形状如同巨型飞碟的苹果公司总部在美国加州兴建，玻璃外墙采用14m X 3.3m的超大热弯、钢化、中空玻璃(图27)，玻璃加工设备由中国供应。玻璃外墙不设玻璃柱，全部荷载由玻璃板单独承担。
图28为美国华盛顿总部办公楼，外墙全部为一层楼高的热弯玻璃，由上下层楼面结构简支，玻璃尺寸为3.2m X 1.5m。室内向外望非常通透。
同样的设计也在巴黎的UNIC项目13层住宅中采用，全部外墙为无玻璃柱支承大尺寸玻璃板，连外挑阳台的栏板也全部采用透明玻璃(图29)。
2.5 玻璃框架
全玻璃建筑要求采用透明的玻璃框架。玻璃框架的梁柱构件受力很大，要采用夹胶钢化玻璃。框架梁柱节点为刚性连接时，可以采用不锈钢板和不锈钢螺栓连接，也有工程采用胶接(图30，图31)。
图32为2000年建成的第一个苹果店，位于纽约曼哈顿第五大街，由于当时没有超大玻璃，玻璃面板沿高度分为3块，玻璃柱整根，高度9m，5片15mm玻璃夹胶。玻璃框架梁柱用不锈钢螺栓连接，双向布置，顶部成为交叉梁系。
此后,苹果店大量采用玻璃框架结构。上海浦东苹果店2012年首次采用了12块高度达12.6m的整片超大玻璃，相应布置了12榀12.6m高的玻璃框架，汇交于顶部的玻璃环梁上。其中4榀组成正交的门式框架 。
2014年建成的北京三里屯苹果店采用L形玻璃框架，梁柱一体，由整块玻璃切割而成(图34)。
2.6 玻璃楼梯
在玻璃建筑中，楼梯自然也采用玻璃结构。玻璃楼梯，无论直楼梯还是螺旋楼梯，都以扶手栏板为承重主梁，楼梯踏板安装在栏板上。栏板和踏板都采用夹胶玻璃以保证安全。踏板通常3片玻璃夹胶，面层玻璃常用刻花玻璃防滑(图35、图36)。
类似于玻璃楼梯，美国洛杉矶国民银行大楼300m高空设置了玻璃滑梯，也是以玻璃栏板作为主梁，32mm厚的夹胶玻璃底板承重(图37)。
3 玻璃结构设计的一些问题
玻璃虽然强度高，但毕竟是脆性材料，而且玻璃构件很薄，所以设计时必须进行认真的强度和刚度计算，玻璃柱还应考虑侧向稳定的问题。曾经发生过玻璃结构在强风作用下破坏的事例。如世界上建筑面积最大的单体工程—成都环球中心的玻璃墙，2016年8月7日，12m高的玻璃柱在强风作用下破坏，导致玻璃墙大面积塌落(图38)。
3.1 玻璃的材料力学性能
1 强度设计值
玻璃是脆性材料，一直到临近破坏，应力与应变几乎是直线关系。玻璃的总设计安全系数K一般取为2.5。考虑到主要荷载风力分项系数K1为1.4，所以材料分项系数K2取为1.8。按照《玻璃幕墙工程技术规范》 JGJ 102 的规定，玻璃的强度设计值可按表2的规定采用。表2中端面指玻璃切割后所形成的表面，其宽度等于玻璃的厚度。边缘指临近端面的玻璃表面，因切割产生微裂缝，强度有所降低。
玻璃存在许多微观裂缝，在持续应力作用下，其后期强度会降低。因此，采光顶的玻璃面板、玻璃梁、长期水压作用下的水族箱板、水池底板等永久性受力的玻璃构件，其强度设计值应按表2数值的50%采用。
2 其他力学性能
玻璃的弹性模量E为0.72 X 105 N/m㎡，玻璃的线膨胀系数为1.0 X 10-5。
3.2 内力分析和截面计算
玻璃可以认为是弹性均质材料，按弹性构件进行内力分析，并采用通行的弹性内力分析软件。
截面计算可按材料力学方法进行。
3.3 相关钢结构设计
与玻璃结构相关的钢结构，包括钢—玻璃混合结构的钢结构部分，按《钢结构设计规范》 GB50017进行。采用不锈钢板连接玻璃构件，连接计算也按钢结构的方法进行。
4 结语
对于大多数结构设计人员来说，玻璃是一种尚待熟悉的结构材料，玻璃结构设计经验还较少。近年来建筑师采用玻璃结构逐渐增多，结构设计也开始接触这一领域。新材料、新结构，对于我们将是新的机遇。
延伸介绍：
本文出自2017-2018版《中国门窗幕墙主流技术及市场热点分析报告》，本书以幕墙工程、门窗系统产品两大类体系为主线，围绕其产业链上的型材、玻璃、建筑用胶、五金配件、隔热(词条“隔热”由行业大百科提供)(密封)材料和生产加工设备等刊出各类市场及技术分析论文。全书坚持为广大读者提供前沿的行业资讯，引导企业家，坚持新品研发、技术创新以适应经济新常态发展;旨在为建筑门窗幕墙行业推送最新的产品、工程技术应用信息等。同时还针对近期竣工的超高层、机场等大型幕墙工程，案例进行分析，并邀请多位标准委员会专家，结合最新的标准规范进行了宣贯和解读。
2017-2018版《中国门窗幕墙主流技术及市场热点分析报告》
本书可用于房地产开发商、设计院、咨询顾问公司以及广大门窗幕墙上、下游企业，管理、市场、技术等人士的参考工具书，也可作为门窗幕墙相关从业人员的专业技能培训教材。
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2017-2018版《中国门窗幕墙主流技术及市场热点分析报告》目录
序——郝际平
第一部分行业政策解读
我国铝合金门窗建筑幕墙行业发展分析——黄圻
关注绿色、持续发展——2017年铝门窗幕墙委员会工作报告——董红
中国建筑幕墙标准化现状和新规范介绍——顾泰昌
工程质量保险制度简介——张仁瑜
第二部分主流技术介绍
双层幕墙构造与性能——刘忠伟
“既有建筑外立面改造”的思考和研究——陈勇
BIM技术在阿布扎比国际机场项目中的应用——陶伟章绍玉
玻璃幕墙室内侧耐撞击性能设计及计算——闭思廉 刘晓烽 林伟艺
玻璃幕墙结构设计的安全风险评价概述——陈峻
建筑新材及应用——杜继予
超高层建筑空间曲面幕墙工程设计分析——陈清辉花定兴
基于BIM技术的建筑幕墙设计下料——曾晓武
金属屋面及斜面幕墙的排水、防水构造特点分析 ——王德勤
建筑幕墙设计新理念与实践——孟根宝力高
主被动巧妙结合的多功能光伏幕墙——罗多
倾斜式竖向单拉索点支式幕墙设计与施工——刘长龙洪源晁晓刚
装配式建筑对密封胶及施工操作性要求的研究——窦锦兵 刘延林
浅谈幕墙开启窗的设计规程——刘晓烽闭思廉
三维激光扫描技术与精密测量在复杂幕墙工程中的应用研究——陶伟肖飞
超低能耗绿色建筑铝合金门窗解决方案——李进刘军
第三部分市场热点分析
迅速发展的玻璃结构——赵西安
促进我国房地产与门窗幕墙企业的合作共赢——黄圻
浅析工程门窗与家装门窗市场现状与发展趋势——吴智勇
国内幕墙咨询行业发展现状——赵志刚
2017年建筑用密封胶产品质量国家监督抽查结果报告——朱德明
种植绿色幕墙对现代建筑及环境的影响——刘玉琦
建筑门窗幕墙用密封胶条材料特性及发展趋势——庄澎 赵本军
太阳能光伏板阳光房的市场应用与前景分析——龚怡林
破局：论我国中小型门窗企业发展瓶颈的解决之道 ——赵观新
装配式建筑节能窗研发与产业化浅析——张国峰
新规范下的防火玻璃应用——郦江东徐松辉杨永华
“互联网+”驱动铝型材加工行业转型升级——卢文荣
“四大因素”引爆门窗幕墙原材料涨价 ——曾毅、黄玲
密封胶企业致：甲方、工程商的一封信《107胶、硅油涨得太凶了》——黄玲
划重点!“十九大”和“建筑有关的哪些事儿” ——杨伶
第四部分行业调查报告
2017-2018年度中国门窗幕墙行业市场研究报告——雷鸣
2017年度建筑幕墙顾问行业“分析报告” ——曾毅
中国最牛的“超级幕墙工程”展播——兰燕
盘点：中国门窗幕墙行业的2017年——黄玲、杨伶
