点支承玻璃幕墙结构设计参考

点支承玻璃幕墙结构设计方案

第一节 概 述

点支式玻璃幕墙（Dot Point Glazing Full Curtain Wail），也有人称作接驳式全玻璃幕墙。它改变了过去着重用玻璃来表现窗户、表现建筑、表现质感、表现体形的传统手法。而是更多地利用玻璃透明的特性，追求建筑物内外空间的交流和融合，人们可以透过玻璃清楚地看到支承玻璃的整个结构系统，使这种结构系统从单纯的支承作用转向表现其可见性。由于这种奇特效果，虽然它诞生到现在只有30多年时间，已广泛应用于各种大型公共建筑。点支式玻璃幕墙在这30多年时间里，自身经历了一个发展和完善的过程，最初是在玻璃四角打好孔后进行强化处理，然后用铜质矩形连接板内外夹住玻璃，并用螺栓加以固定，内侧连接板与金属肋相连，金属肋支承在主体结构上，达到玻璃固定定位，当时点支式玻璃幕墙安装高度曾达到20米以上。70年代在此基础上作了改进，取消了外表面上看得很清楚的铜质连接板，而用在外表面几乎看不清楚的面积极小的平头螺钉，即在玻璃的四角按螺栓的断面形状打孔，在螺孔中塞入园孔形垫圈，螺栓通过垫圈中部的孔，并在螺栓与玻璃平面接触处也衬以平垫圈，使螺栓与玻璃通过垫圈的缓冲作用减少外力（重力、风荷载、地震作用、温度变化）引起的应力集中。80年代又开发了半球状铰接螺栓，它可以自由转动，而且这个特别螺栓的转动中心和玻璃的中心（即厚度的中心）是一致的，它比平式体系有了显著的改进，平式体系由于玻璃的支撑构件都突出于玻璃之外，很容易在连接处产生扭矩，而半球状铰接螺栓则使转动中心与玻璃重心一致，可减少这种效应。后来又开发了称作H（X）形的钢爪，它对每四块玻璃的四个孔洞予以连接，在四个点上分设每块玻璃各自的回转铰，以此来消除外力引起的每块玻璃的部分位移。后来又发展了这一体系，除用H（X）形钢爪支承玻璃外，在竖向每组玻璃中间有一组弹簧承受下面玻璃的荷载。近年来这种点支式玻璃幕墙又向采用中空玻璃的幕墙推广，它要解决的技术难点主要在中空玻璃的细部处理上，为了防止中空玻璃打孔后的漏气问题，在铰接螺栓处插入了一环状金属垫圈，并在与玻璃交接处加上聚异丁烯橡胶片保证密封，同时在玻璃的边沿先用聚异丁烯橡胶片覆盖，然后外面再用铝制的垫片加以保护，最后用硅酮密封胶进行填缝处理。无论采用板状连接或H（X）形钢爪，这些连接件均需支承在主体结构上，当楼层很高时，连接件找不到适当的支承处，就要用钢桁架（玻璃肋）作为连接件的支承处，为此要在楼层内先设置以主体结构为支承点的桁架（玻璃肋），再把连接件支承在桁架（玻璃肋）上。

点连接全玻璃幕墙点连接方式从补钉式到浮头式再到沉头式的发展过程，但它们都有一共同点即在玻璃外表面均有外露连接件，只是外露的形式和大小不同，现在已开发出背栓式点连接全玻璃幕墙，由于背栓式螺栓不穿越玻璃，其背栓扩孔部位在玻璃厚度的约一半处，这样在玻璃的外表面没有任何紧固件的痕迹，看到的是一块完整无缺的玻璃，其艺术效果远远超过浮头(沉头)式。其他方式的连接孔处会发生渗漏，而背栓式螺栓由于未穿过玻璃，玻璃外表面不存在缝隙，所以不会发生渗漏。同时背栓式螺栓未在外表面外露，这就消除了钢螺栓的“冷桥作用”。背栓式螺栓头部扩大部分套有塑料套，塑料套能按建筑师(业主)的要求做成各种颜色，由于背栓式螺栓与玻璃与玻璃孔壁之间垫有塑料垫，两者不直接接触，能有效缓冲背栓与玻璃之间的接触应力。

玻璃厚度为10mm时，背栓孔深6mm，厚度为12mm时，背栓孔深为7mm。通过试验，背栓与玻璃连接部位的抗冲切破坏荷载约为4kN，如材料分项系数K2=2.143，则设计值可取1870N。

国外开发背栓点支式玻璃幕墙背栓螺栓已有多年，但在实际工程中并未得到应用，关键在于玻璃上开孔工艺得不到解决，玻璃上要先打背栓孔再钢化，打孔时留下裂纹在玻璃钢化时会导致玻璃开裂破碎，杭州斯泰公司经过技术攻关，从钻头及钻孔工艺上改进，解决了这一世界难题使背栓点支式玻璃幕墙

（图7-1）成功用于工程。

图7-1a

图7-1b

玻璃上的孔在未钢化前用专用工具打好，再钢化。安装时将背栓插入玻璃上的孔中，收紧螺母，扩头部分的垫片挤入扩头，完成背栓螺栓对玻璃的固定。在桁梁上固定好钢爪，将背栓螺栓装入钢爪的安装长孔中，调整钢爪位置，达到设计要求后拧紧螺母，将背栓固定在钢爪上，完成玻璃安装。钢爪装在桁架上时为桁架点支式连接玻璃幕墙，钢爪装在张拉索杆结构上时为拉索点支式玻璃幕墙。

随着科学技术不断发展，点支式玻璃幕墙的支承结构从传统的玻璃肋、单梁、金属桁架发展到张拉索杆结构（张拉自平衡索杆结构）。近年来张拉单层索网结构也开始用作点支式玻璃幕墙的支承结构。同时点支式玻璃结构的使用范围也在不断的拓展。

观光电梯井设玻璃幕墙的目的是在电梯上、下运动时观赏室外景色，传统方法是在每块玻璃横向分格处设一道横梁，横梁固定在电梯井两侧主体结构上，横梁承受玻璃自重（将玻璃托起）和玻璃传来的水平作用，并将这些荷载（作用）传递给主体结构，这样每隔1.5~2m就有一道横梁，在电梯高速升降时，电梯内的人面视一根根横梁，会出现感觉不适，例如眩晕、眼花等。于是有些人不得不背向外侧，就失去了观光的意义。现在将点式玻璃幕墙应用到观光电梯井上，问题则迎刃而解，观光电梯正面（人的视觉范围内）不设横梁，而两侧（人的视觉范围以外）横梁不会对观光产生影响。

观光电梯井点式幕墙支承结构有两种方案，第一种方案在电梯井两侧主体结构上每隔一（二）层设一组悬挑梁，悬挑长度一般不宜进入人的视觉范围。在悬挑梁上安装立杆，立杆上安装钢爪，玻璃安装在钢爪上，这样当中一块玻璃（人的视觉范围），从上到下无横梁杆件，不会引起不适感觉（图7-2）。

图7-2

第二种方案每块玻璃横向分格处（一块玻璃高度）设一组悬臂梁，钢爪直接安装在臂梁上，在钢爪上固定玻璃，从视觉效果看两者都能达到目的（图7-3）。

图7-3

热通道（双层）幕墙，一般由内层幕墙（窗）和外层幕墙组成，传统的做法是外层幕墙的（每层）支承点要固定在从楼层外伸的悬挑梁（桁架）上，现在可以采用拉索（杆）点支式玻璃幕墙作外层幕墙（图7-4），张拉索杆结构可锚固在由屋面伸出的悬挑梁和地锚上，这样通道中间就没有每层伸出的悬挑结构。

图7-4

点支式玻璃幕墙上开点支式门（窗）的技术也已解决，现在不需要在点支式玻璃幕墙上安装金属框或金属夹板来安装门（窗）扇，而用点支式折页（抽芯铰链）来安装平开门扇和平开（上悬）窗扇，这样开门（窗）处和整个点支式玻璃幕墙一样通透（图7-5）。

图7-5a

图7-5b

图7-5c

图7-5d

点支式艺术玻璃门是指具有独特艺术风格的玻璃门，在门侧框部位设一宽为600mm的竖向玻璃肋，门上部设同样宽度，而长度为一个房间开间宽度的水平玻璃框，它由点式配件固定在墙壁上，在门框与两侧墙体间设倾斜的玻璃隔断，它上、下端的水平距离为600mm，竖向玻璃肋与水平玻璃框用点式配件连接，倾斜玻璃隔板用点式配件固定在竖向玻璃肋上，门扇由点式配件安装在竖向玻璃肋上。

第二节 单梁点支式玻璃幕墙

单梁点支式玻璃幕墙（图7-6~8）的金属梁（园管、方管或异形梁）支承在主体结构上，在单梁安装钢爪，面板玻璃四角开孔，用安装在玻璃肋上连接板（钢爪）中的螺栓穿入面板玻璃孔中与连接板（钢爪）紧固。在外表面用铜板作衬垫时为补钉式，用浮头螺栓时为浮头式，用沉头螺栓时为沉头式。当采用沉头螺栓时，面板玻璃厚度不应小于10mm。在钢爪上固定玻璃形成完整的墙面。由于在外荷载作用下单梁的效应随跨度的平方增加，因此只能用于跨度不大的部位。

图7-6a

图7-6b

图7-7a

图7-7b

图7-7c

图7-8

简式点支式玻璃幕墙（图7-9）是一种不用钢爪，而直接将连接件安装在支承结构上的点支式玻璃玻璃幕墙，点式玻璃装配一般在支承结构上安装钢爪，再用浮头、沉头式连接件将玻璃固定在钢爪上。

简式点支式玻璃幕墙立柱（金属园管、方管或异形梁）上焊两个耳子，耳子上开孔，浮头式、沉头式连接件穿入耳子上的孔，将玻璃固定在耳子上，形成简式点支式玻璃幕墙。简式点式玻璃装配雨蓬就是直接在支承结构杆件上焊两个耳子，耳子上开孔，浮头式、沉头式连接件穿入耳子上的孔，将玻璃固定在耳子上，形成雨蓬。

图7-9a

图7-9b

第三节 桁架点支式玻璃幕墙

鱼腹式（三角形）金属桁架点支式玻璃幕墙（ 图7-10~13）是在金属桁架上安装钢爪，面板玻璃四角开孔，钢爪上的紧固件穿过玻璃上的孔，紧固后将玻璃固定在钢爪上，钢爪有H形、X形、I形等，紧固件有浮头式、沉头式，当单层玻璃采用沉头式时，其厚度不能小于10mm。当采用中空玻璃时，有穿透式和不穿透式，穿透式贯穿两层玻璃及空气层，不穿透式固定在内片玻璃上。金属桁架是由杆件组成的格构体系，当荷载只作用在结点上时，各杆只有轴力，截面上的应力分布均匀，可以充分发挥材料的作用，是大跨度结构上常用的支承结构。

图7-10a

图7-10b

图7-10c

图7-11a

图7-11b

图7-11c

图7-12a

图7-12b

图7-12c

图7-13a

图7-13b

还必需指出点支式玻璃结构是指相对于线支式的一切用点支式玻璃结构的形式，不仅是有孔点支承，还经常采用缝夹式或角夹式（ 图7-14~17）。所谓缝夹式是在横梁（立柱）上设夹板（相邻两块玻璃的接缝上设两个或三个夹板）用以固定玻璃，此时玻璃的两条对边上共有四（六）个点将玻璃固定或四边上共有八个点固定。所谓角夹式是在横梁与立柱的交点（也是四块玻璃的交点）上设夹板将玻璃固定，此时玻璃的四角被固定，是典型的四角支承。