北京天文館新館的建筑位置位于北京市西直門(mén)外大街138號(hào)，總建筑面積22000平方米．是一個(gè)大型綜合性天文館。工程建筑設(shè)計(jì)由美國(guó)王弄極建筑師事物所和中國(guó)航天建筑設(shè)計(jì)研究院聯(lián)合承擔(dān)完成；玻璃幕墻設(shè)計(jì)和施工由深圳市三鑫特種玻璃技術(shù)股份有限公司承擔(dān)完成。(圖1)
圖1 北京天文館新館北立面 建筑物由五層
鋼筋混泥土結(jié)構(gòu)、鋼
結(jié)構(gòu)玻璃幕墻及
采光頂、馬鞍形玻璃通道和四個(gè)各具象征意義的玻璃旋體組合而成。在四個(gè)玻璃旋體內(nèi)部分別布置多功能廳、動(dòng)感影劇院、天文觀測(cè)臺(tái)等功能建筑。在建筑物中部設(shè)置了一個(gè)由異形玻璃拼接的馬鞍形玻璃通道貫穿整個(gè)建筑，將北立面的玻璃幕墻和南立面的
石材幕墻連接。其建筑創(chuàng)意新穎、造型別致、層次分明，用玻璃與
鋼結(jié)構(gòu)的有機(jī)結(jié)合體現(xiàn)了過(guò)去與未來(lái)、藝術(shù)與自然的和諧統(tǒng)一。本工程為北京市六十項(xiàng)重點(diǎn)工程之一。
在本工程玻璃幕墻和玻璃旋體的設(shè)計(jì)與施工過(guò)程中，我們嚴(yán)格按照建筑師的原創(chuàng)意圖和精神，力求用最先進(jìn)的加工手段和最精確的工藝技術(shù)將建筑設(shè)計(jì)意圖完美的表現(xiàn)出來(lái)，使整個(gè)建筑成為一個(gè)精湛的藝術(shù)品。
玻璃工程分成三個(gè)主要部分：北立面幕墻以及采光頂、馬鞍形玻璃通道、四個(gè)空間鋼結(jié)構(gòu)玻璃旋體。無(wú)論從設(shè)計(jì)和施工的技術(shù)難度都超乎想象。
1、北立面玻璃幕墻和采光頂
北立面玻璃幕墻由于
建筑節(jié)能要求，玻璃采用8mm(鋼化)+12A(
中空) +8mmLow—e(鋼化)玻璃，玻璃基本分割尺寸3000mmXl000mm。幕墻按橫明豎隱構(gòu)造。同以往幕墻結(jié)構(gòu)系統(tǒng)不同，橫向由T
型鋼龍骨支托，既作為外視橫線條也作為
玻璃面板的水平
支承結(jié)構(gòu)。在建筑物北立面幕墻與東、西立面幕墻的銜接過(guò)渡處是由兩段不同半徑的弧面銜接過(guò)渡，避免通常情況下的直角銜接；在幕墻的西側(cè)局部為球型玻璃表面，而球面與
平面銜接處為平滑過(guò)渡的空間三維
曲面，設(shè)計(jì)、加工及安裝難度均為國(guó)內(nèi)幕墻業(yè)所不多見(jiàn)。整個(gè)建筑物線條流暢合理，與周圍建筑物益顯和諧。(圖2)
圖2 北立面局部圖 北立面幕墻結(jié)構(gòu)按9m跨度布置18根中800mm直經(jīng)的鋼管柱，為適應(yīng)玻璃幕墻的藝術(shù)造型，在18根直徑為φ800mm、高度為30m，每根重量為9．9噸鋼
立柱中就有8根為
彎曲鋼柱。由于鋼管的直徑太大，彎曲孤線要求
精度高，又是每根彎曲弧線不一致，給加工制作和現(xiàn)場(chǎng)安裝造成了很大的難度。經(jīng)技術(shù)人員、施工人員多次試驗(yàn)，克服了各種困難，最后采用方案是：在后場(chǎng)分級(jí)
熱彎剪裁成型；在現(xiàn)場(chǎng)放樣逐級(jí)校正的辦法。
圖3 北女面鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)視 在安裝過(guò)程中采用了全站儀三維坐標(biāo)放樣法與直角坐標(biāo)空間定位結(jié)合的方案進(jìn)行定位放線，同時(shí)將數(shù)據(jù)輸入電腦，依靠專用程序進(jìn)行跟蹤校核，并隨時(shí)調(diào)整以保證安裝的準(zhǔn)確度，確保了鋼結(jié)構(gòu)施工的順利完成。結(jié)構(gòu)計(jì)算采用先進(jìn)的ANSYS
有限元計(jì)算軟件，整體建模分析在受到100 年一遇的最大
風(fēng)荷載時(shí)的安全性能同時(shí)又分別對(duì)幕墻進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算和地震反應(yīng)譜分析。見(jiàn)圖5，分析計(jì)算模型圖。
圖4 北立面鋼結(jié)構(gòu)
圖5 有限元整體計(jì)算模型圖 為達(dá)到立面通道的效果，在柱與柱之間的支承結(jié)構(gòu)上我們采用了9m跨的變載面水平
玻璃肋作為玻璃幕墻受風(fēng)
荷載的主要支承結(jié)構(gòu)，用橫向玻璃肋與鋼方通的組合結(jié)構(gòu)支撐著有橫向線條的立面玻璃，用~12mm的
鋼拉桿來(lái)保證玻璃肋的平面外穩(wěn)定，這在國(guó)內(nèi)是首次使用的。為確保安全，玻璃肋采用25．52mm的雙
鋼化夾膠玻璃，用
不銹鋼夾板連接，并通過(guò)運(yùn)用ANSYS軟件作整體計(jì)算和幕墻三項(xiàng)性能實(shí)體試驗(yàn)證明，該結(jié)構(gòu)安全、合理。
圖6 北立面橫向玻璃肋 采光頂采用隱框作法，玻璃為中空鋼化
夾膠玻璃。
排水坡度為3％。根據(jù)建筑物的功能要求設(shè)置13個(gè)電動(dòng)通風(fēng)排煙
窗。為避免夏季陽(yáng)光的過(guò)度照射，在采光頂?shù)氖覂?nèi)我們?cè)O(shè)置了玻璃
遮陽(yáng)百頁(yè)。合理的
節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)和材料組合保證幕墻的功能要求。(見(jiàn)圖7)
2、馬鞍形玻璃通道
在建筑物中部設(shè)置了一個(gè)由曲形鋼結(jié)構(gòu)支撐，用360片不同尺寸規(guī)格的雙曲面
熱彎夾膠玻璃拼接的馬鞍形玻璃通道。貫穿整個(gè)建筑，將北立面的玻璃幕墻和南立面的石材幕墻連接。它的特殊之處在于極具創(chuàng)造性的利用鋼結(jié)構(gòu)和雙曲面玻璃組成連續(xù)的馬鞍形空間雙曲面。(見(jiàn)圖8)、(見(jiàn)圖9)
圖7 采光頂外視圖
圖8 雙曲面馬鞍形玻璃通道
圖9 雙曲面馬鞍形玻璃通道結(jié)構(gòu)圖 在南、北立面的馬鞍通道人口處，由于外形和玻璃分割線所限，使鋼結(jié)構(gòu)龍骨的加工和玻璃的加工安裝碰到很大的難題。
固定玻璃的次龍骨是曲線形，而固定玻璃的槽口又要與玻璃的邊緣對(duì)應(yīng)，這就出現(xiàn)了次龍骨為曲線扭曲形狀；異形邊雙曲面玻璃最大長(zhǎng)度達(dá)
3680mmXl200mm，這在國(guó)內(nèi)玻璃加工業(yè)是從未遇到過(guò)的難題。經(jīng)多次論證和試驗(yàn)，確定了加工安裝方案：
�、黉擙埞堑姆謨刹竭M(jìn)行，首先將龍骨的外形按設(shè)計(jì)要求的曲線制作成形，保證將誤差控制在土1．5mm之內(nèi)，并預(yù)安裝到位，再按每隔lOOmm作一個(gè)與玻璃面的切線對(duì)應(yīng)點(diǎn)，確定扭曲度數(shù)并逐級(jí)校正成形，確保玻璃邊緣與龍骨槽口吻合。
�、诋愋坞p曲面玻璃的加工采取每片玻璃對(duì)應(yīng)一個(gè)鋼
模具的辦法。用網(wǎng)格式空間模形確定玻璃下料尺寸。在模具制作時(shí)按網(wǎng)格橫線條的曲度將鋼管彎曲成形。每隔lOOmm一根曲形鋼管并按網(wǎng)格的豎向線條曲度拼接成空間雙曲面模具，并預(yù)留出玻璃在燒制過(guò)程中回彈尺寸余量，保證玻璃的曲面偏差在±2．5mm之內(nèi)，外形尺寸偏差在±3mm之內(nèi)。
經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的對(duì)加工制作、現(xiàn)場(chǎng)安裝每道工序控制，解決了一個(gè)又一個(gè)的技術(shù)難題，一個(gè)由360個(gè)鋼模具加工出來(lái)的尺寸各異、形狀不同的玻璃馬鞍體通道如期建成，完美的達(dá)到了建筑效果的要求。
3、玻璃旋體
四個(gè)各具特色空間玻璃旋體的共同特點(diǎn)是在豎向坐標(biāo)的一系列圓心隨著高度的變化在空間不斷飄移，每一層玻璃水平分割線的圓心坐標(biāo)位置各不一樣，最大相差3670mm，并由半徑不斷變化的圓弧在空間組合形成空間弧面。旋體最高為38．5m并高出屋面8．5m異形玻璃的基本分割為1000mmXl000mm。(如圖)
1號(hào)旋體的最大直徑為24m，最小直徑為15．8m，總高度34m。玻璃為上下兩點(diǎn)支承，玻璃之間為
搭接開(kāi)縫式連接，安裝在鋼結(jié)構(gòu)的外側(cè)；2號(hào)旋體的最大直徑為25m，最小直徑為19．5m，總高度為34m，玻璃為上下兩點(diǎn)支承，玻璃之間為搭接開(kāi)縫式連接，安裝在鋼結(jié)構(gòu)的內(nèi)側(cè)；3號(hào)旋體的
截面為大、小圓相交，并分室內(nèi)、室外兩部分。大圓最大直徑18m，小圓最小直徑13m，總高度為38．5m；玻璃均為四點(diǎn)支承，玻璃之間 為搭接閉縫式連接，室內(nèi)為鋼化夾膠玻璃，室外為中空
鋼化玻璃。在3號(hào)旋體的頂部設(shè)置了點(diǎn)支式斜面
玻璃采光頂；4號(hào)旋體的截面隨圓形，豎向支承結(jié)構(gòu)和豎向玻璃縫均為螺旋式，旋體總高度為32．8m，玻璃為上、下兩點(diǎn)支承，玻璃之間為搭接開(kāi)縫式連接，玻璃安裝在鋼結(jié)構(gòu)的外側(cè)。(如圖10)
圖10 空間玻璃旋體實(shí)拍圖
空間玻璃旋體鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、施工難點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)空間組合的任意性．共計(jì)320根體形各異的鋼管需要進(jìn)行空間三維加工，其中主管為q0159X 6mm，次管為120X 60X 5mm矩形管，結(jié)構(gòu)與玻璃板面是通過(guò)不銹鋼爪件連接，安裝精度要求極高。在6200個(gè)玻璃安裝點(diǎn)上，每個(gè)點(diǎn)的尺寸誤差都必須控制在土2mm之內(nèi)。
為解決技術(shù)難題，在設(shè)計(jì)中根據(jù)工程特點(diǎn)發(fā)明了新的節(jié)點(diǎn)并使用在本工程上：“雙頭連接駁接頭”、“可調(diào)式轉(zhuǎn)角支承爪件”、“雙層玻璃定位夾”等，都是針對(duì)本工程設(shè)計(jì)的特殊節(jié)點(diǎn)。既解決了設(shè)計(jì)于施工難題又滿足了建筑造型的要求。
在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上充分利用先進(jìn)的結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件建立四個(gè)旋體的空間模型，對(duì)旋體的每一條桿件都進(jìn)行靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)的分析。確保結(jié)構(gòu)的安全性。
由于該結(jié)構(gòu)體系為空間變化，形體復(fù)雜，一方面要保證龍骨結(jié)構(gòu)視覺(jué)造型上的藝術(shù)性，另一方面還要控制鋼結(jié)構(gòu)加工、安裝的誤差。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用專用3D建模軟件，準(zhǔn)確確定弦體曲面位置和結(jié)構(gòu)的空間參數(shù)，以保證施工圖設(shè)計(jì)和加工工藝的精確度；工廠加工時(shí)采用了三維剛性胎�？刂�、檢測(cè)幾何尺寸保證每根鋼管的空間彎曲度；現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)將每根鋼管的電腦定位座標(biāo)用全站儀三維空間定位，再用激光經(jīng)緯儀配合跟蹤測(cè)量，以確保玻璃安裝時(shí)準(zhǔn)確無(wú)誤。
在北京天文館新館玻璃幕墻和玻璃旋體施工中采用了多項(xiàng)新工藝、新材料、新技術(shù)，其難度之大精度之高為國(guó)內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)和幕墻的設(shè)計(jì)、安裝所不多見(jiàn)的，其中許多地方都打破了常規(guī)，為國(guó)內(nèi)幕墻特殊異型鋼結(jié)構(gòu)的安裝，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。
參考文獻(xiàn)
[1)《jC京天文部館新館施工圖技術(shù)說(shuō)明》——深圳三鑫公司
[2]《點(diǎn)支式玻璃幕墻設(shè)計(jì)與施工》——王德勤
[3]《北京天文館新館幕墻工程施工工藝》——深圳三鑫公司
[4]《北京天文館新館幕墻結(jié)構(gòu)相關(guān)技術(shù)》——王德勤
[5]《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》
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