巨型無肋鋼化玻璃廳堂裝飾的語言傳輸可懂度和安全性能及減震固定技術分析

馬廣生，姜超，郭遠遠，張鈺生，孫振標

（中國建筑第八工程局有限公司，上海 200000）

1 研究背景

1.1 項目需求

復旦大學附屬兒科醫院安徽醫院是“十四五”規劃建設的第一批國家兒童區域醫療中心之一，占地10.67hm2，建筑面積19 萬m2，總投資17 億元。綜合樓建筑包括門診樓、住院樓、醫技樓等，平面布置呈一雙環抱的“手”，寓意用愛呵護兒童，環抱的“手”的中心部位為中庭，中庭面積約6000m2，總高21m，內凈高至其它單體四層頂，各單體每層在中庭中間通過兩層多道口藝術型鋼橋連接，既有連廊的功能，也有供患者欣賞的功能。如中庭平面布置圖（圖2）、多道口藝術型鋼橋水平投影圖（圖3）、多道口藝術型鋼橋（又名“彩虹橋”）效果圖（圖4）。

從圖2和圖4可以看出，如果簡單地將該鋼橋用護欄防護，則會出現空曠大廳人員眾多混亂、視覺效果較差的現象，并且混雜語音廣播聲音失真也影響語言傳輸可懂度，為此需將2～3 層多道口藝術型鋼橋側面，設計集半透明、半隔聲、觀賞性強為一體的裝飾。經多種方案對比，鋼橋在正常防護的基礎上，選用巨型無肋漸變彩色鋼化玻璃裝飾大廳，效果最佳。但同時也對該玻璃的物理性能、固定構造、減震構造和實現方法以及安裝玻璃后對環境的影響等提出了新的要求，即需要對玻璃板材的受力、固定構造的安全性、抗震減震性能和語言傳輸質量等進行系統計算、分析。

1.2 國內外研究狀況

經檢索國內外數據庫相關文獻23篇，國內外均未見有與本研究內容相同的文獻報道。國際上所研究的內容僅有對玻璃幕墻系統的設計優化、在風壓下玻璃脆性變形的檢測方法以及變形曲線畫法、利用玻璃幕墻進行光伏發電與室內采光之間的矛盾、玻璃幕墻系統與建筑結構之間風荷載的狀況下的受力關系的分析。

綜上所述，有關“巨型無肋鋼化玻璃廳堂裝飾的語言傳輸可懂度和安全性能分析及減震固定技術研究”的內容，未見有與本研究關鍵技術相對應的文獻，此研究項目具有新穎性和先進性。因該裝飾需滿足視覺美觀、降低降噪、固定安全、減震防災等基本要求，而國內外對廳堂內玻璃裝飾的力學性能、語言傳輸可懂度的模擬分析和減震技術及實現方法等系統研究不足，故進行系列研究分析十分必要。

2 研究主要內容與目的、技術路線、方法

2.1 研究主要內容與目的

針對公共建筑廳堂巨型無肋彩色鋼化玻璃裝飾設計與施工，利用EASE（電聲模擬）軟件模擬聲學分析廳堂有無玻璃裝飾環境下的STI（語言傳輸指數）指標，優化設計方案，提高公共建筑廳堂語言傳輸的可懂度；針對巨型無肋彩色鋼化玻璃的固定，采用獨立吊掛輔以減震約束法，并利用SAP2000 Midas Civil 有限元軟件分析固定構造的安全性；自主研制了減震固定裝置，使巨型無肋彩色鋼化玻璃在地震荷載下可多維度消減加速度，提高抗震性能；研究了固定施工技術并應用。

2.2 研究技術路線與方法

第一步為設計巨型無肋鋼化玻璃廳堂裝飾與研制減震固定裝置，第二步為模擬分析特定環境下的語言傳輸可懂度指標并優化設計方案，第三步為利用有限元軟件對安全性能和減震驗算分析優化設計，第四步為編制實現方案。

3 創新點及特點

3.1 創新點

3.1.1 設計創新

針對公共建筑廳堂采用了巨型無肋彩色鋼化玻璃裝飾，首次利用EASE 軟件模擬聲學分析廳堂有無玻璃裝飾環境下的STI（語言傳輸指數）指標對比優化設計方案，提高了公共建筑廳堂語言傳輸的可懂度，營造了良好的就醫環境。

3.1.2 方法創新

針對巨型無肋彩色鋼化玻璃的固定，在國際國內首次采用獨立吊掛輔以減震約束法，并利用SAP2000 Midas Civil有限元軟件分析、優化固定構造，確保了巨型無肋鋼化玻璃廳堂裝飾的安全性。

3.1.3 技術創新

自主研制了減震固定裝置，首次研究了巨型無肋鋼化玻璃廳堂裝飾工程減震固定施工技術，使其在地震荷載下可多維度消減加速度，提高了抗震性能。

3.2 特點

利用EASE 軟件模擬聲學分析對比優化設計方案，使廳堂有玻璃裝飾環境下的STI（語言傳輸指數）指標提高了4%；研究了巨型無肋鋼化玻璃廳堂裝飾工程獨立吊掛輔以減震約束法，多維度地消減地震時對巨型無肋鋼化玻璃施加的加速度，減小危害和損失。

4 研究內容與實現方法

4.1 巨型無肋鋼化玻璃廳堂裝飾設計、固定方式和減震裝置研制

4.1.1 巨型無肋鋼化玻璃廳堂裝飾設計方案

巨型無肋鋼化玻璃廳堂裝飾安裝于中庭鋼橋一側，沿鋼橋欄桿外側懸挑安裝，半封閉二、三層形成連廊。巨型無肋鋼化玻璃高5800mm，寬800～1500mm，厚6.00+1.52+6.00（玻璃+膠+玻璃），自二層鋼橋至三層鋼橋間斷布置。

4.1.2 巨型無肋鋼化玻璃廳堂裝飾固定方式設計與實現方法

玻璃固定方式為上部懸挑鋼結構吊掛式，下部懸挑鋼結構水平約束，玻璃固定構造正視圖和剖面圖如圖5、圖6 所示。

4.1.3 減震裝置研制與實現方法

4.1.3.1 減震固定裝置的組成

減震固定裝置主要有外鋼槽、內鋼槽、消能器、布罩、懸挑支掛架和防腐涂裝六個部分，如圖7 所示。工作原理是用內鋼槽和密封膠固定巨型玻璃，當外力或地震作用在玻璃上時，將力傳遞在消能器上，通過減震彈簧減少玻璃振幅，如圖8所示。

4.1.3.2 組成部分的材質、特征、實現方法

①外鋼槽的材質、特征、實現方法

外鋼槽采用材質為Q345 厚8mm鋼板。外鋼槽的特征為長方型的金屬盒，外圍尺寸為長1740mm、寬282mm、高216mm，外鋼槽的上沿四周向外呈90°折40mm 檐邊。實現方法是外鋼槽通過折壓、焊接和沖孔等工藝制作而成。外鋼槽的上沿檐邊沿中心線每300mm（或均分）鉆孔套絲M10 布罩固定絲孔，側壁四周沿下端分別向上120mm、170mm 高度沿水平線間距200mm（均分）留置兩排Φ22 消能器彈簧穿入孔，端部側面居中；外鋼槽的底部沿中心線間距200mm 留置一排Φ22 消能器彈簧穿入孔。在大于消能器彈簧穿入孔Φ 20mm 的圓弧上分別設置與外鋼槽底邊平行和垂直且呈90°的4 個M10 套絲孔，用于固定消能器。外鋼槽由鋼板壓折呈長方形盒狀，折邊相鄰處焊接，焊腳≮8mm。如圖9所示。

②內鋼槽的材質、特征、實現方法

內鋼槽采用材質為Q345 厚8mm鋼板。內鋼槽的特征為長方型的金屬盒，外圍尺寸為長1540mm、寬162mm、高116mm，內鋼槽的上沿四周向外呈90°折40mm 檐邊（上沿檐邊）。實現方法是內鋼槽通過折壓、焊接和沖孔等工藝制作而成。內鋼槽的上沿檐邊沿中心線每300mm（或均分）鉆孔套絲M10 布罩固定絲孔。折邊相鄰處采用焊接，焊腳≮8mm。安裝玻璃前內鋼槽內底部鋪設30 厚等寬橡膠條，玻璃置于內鋼槽內居中，四周用硅酮類結構膠灌縫，灌注硅酮類結構膠時應木楔臨時固定，待結構膠達到強度取出木楔并用結構膠補平。玻璃安裝前，可將內鋼槽預先固定在玻璃的固定端。如圖10所示。

圖3 多道口藝術型鋼橋水平投影圖

圖4 多道口藝術型鋼橋效果圖

圖5 玻璃固定構造正視圖

圖6 玻璃固定構造側視圖

圖7 一種玻璃減震固定裝置三維示意圖

圖8 工作原理圖（剖面圖）

圖9 外鋼槽三視圖

圖10 內鋼槽三視圖

③消能器的組成、材質、特征、實現方法

消能器由消能器外罩、消能彈簧、固定螺栓組成。消能器外罩的材質為Q345。消能器外罩特征和實現方法：消能器外罩呈圓形杯狀，為一端開口，另一端密封。開口端設有連接法蘭，法蘭盤外徑92mm，內徑22mm，壁厚5mm，連接法蘭呈90°設置4 個Φ12mm 螺栓孔。法蘭盤上焊接壁厚3mm 內徑22mm 長100mm 的鋼管，法蘭端為開口端，另一端封死，消能器外罩三視圖（圖11）。消能器外罩可通過鑄造或鋼管與法蘭焊接而成。安裝時，先將內鋼槽置于外鋼槽內的相應位置（預裝玻璃也可）并將消能彈簧裝入消能器外罩內。消能彈簧采用圓柱螺旋壓縮彈簧，再將消能器用螺栓固定在外鋼槽對應的位置。安裝螺栓時應加相應的彈簧墊片和平墊，擰緊扭矩不小于16.4MN/m，如圖12 所示，消能器上下兩排，上端同。固定螺栓采用5.8級M10X40的鍍鋅螺栓。

圖11 消能器外罩三視圖

圖12 消能器下端安裝后三視圖

④布罩

布罩選用防雨復合布，四周用壓條壓接。

⑤懸挑支掛架的組成、材質、特征和實現方法

懸挑支架由建筑結構固定端和型鋼懸挑端兩部分組成。懸挑支架材質采用Q345 等級150#工字鋼。建筑結構屬于混凝土結構，可在相應位置預埋鐵件，懸挑端的型鋼與預埋鐵件焊接固定，建筑結構屬于鋼結構的可直接將型鋼固定端通長焊接，焊腳≮8mm。懸挑支架的長度根據需要一般在500～800mm 以內。懸挑支架的承載段與外鋼槽底部垂直通長焊接，焊腳應大于8mm。下外槽鋼焊接于懸挑支架上方，上方外鋼槽焊接于懸挑掛架下方，每個外鋼槽須設置4 個或及其以上懸挑支架。

當成品不銹鋼玻璃吊卡安裝完畢，將吊桿、玻璃、玻璃吊卡插入內鋼槽，并將吊桿穿過內鋼槽后用M22 螺母與懸挑型鋼連接并調整好高度即可。

5 巨型無肋鋼化玻璃廳堂裝飾環境下的空間語言傳輸可懂度與對比設計方案

5.1 分析依據

影響大廳空間的音質衡量指標的因素有體積、吸聲材料、吸聲面積。根據《聲系統設備第16 部分：通過語音傳輸指數客觀評價語言可懂度》（GB/T 12060.16-2017）的相關要求和《廳堂擴音系統聲學特性指標》（GYJ25-86）中EASE 計算機聲學模擬分析中《表7-4 RaSTI 參考值表》的指標，公共大廳模擬層面空間音質衡量指標要求STI（語言傳輸指數）應大于0.3。

表1 RaSTI參考值表

5.2 模擬分析

采用EASE（電聲模擬）軟件，輸入廳堂內全部設計環境的影響音質衡量指標因素的參數，模擬分析大廳首層無玻璃裝飾環境下的STI（語言傳輸指數）指標，如圖13和圖14所示。無玻璃時1層在離聲源距離10m 內較為清晰，超過這個距離，說話聲容易被干擾聲覆蓋，但主要空間STI 值在0.3 以上，室內音質為可接受水平。

圖13 1層無玻璃分析圖

圖14 1層無玻璃分析排列圖

如圖15和圖16所示，無玻璃時2層在離聲源距離10m 內較為清晰，超過這個距離，說話聲容易被干擾聲覆蓋，但主要空間STI 值在0.3 以上，室內音質為可以接受的水平。

圖15 2層無玻璃分析圖

圖16 2層無玻璃分析結果排列圖

如圖17和圖18所示，有玻璃時1層在離聲源距離10m 內較為清晰，超過這個距離，說話聲容易被干擾聲覆蓋，但主要空間STI 值在0.3 以上，室內音質為可接受水平。

圖17 1層有玻璃分析圖

圖18 1層有玻璃分析排列圖

有玻璃時1層在離聲源距離10m 內較為清晰，超過這個距離，說話聲容易被干擾聲覆蓋，但主要空間STI 值在0.3 以上，室內音質為可以接受水平。

如圖19和圖20所示，有玻璃時1層在離聲源距離10m 內較為清晰，超過這個距離，說話聲容易被干擾聲覆蓋，但主要空間STI 值在0.3 以上，室內音質為可接受水平。

圖19 2層有玻璃分析圖

圖20 2層有玻璃分析排列圖

5.3 差異分析

當安裝彩虹橋玻璃時，大廳1 層主要區域STI 值在0.4，占比45%，比未安裝玻璃的環境下提高了3%，室內音質為可以接受水平；當安裝彩虹橋裝飾玻璃時，大廳2層的主要區域STI值在0.4，占比40%，比未安裝玻璃的情況下，語言傳輸清晰度提高了4%，室內音質為可以接受水平，如圖21所示。

圖21 差異分析圖

5.4 分析結論

根據《聲系統設備第16 部分：通過語音傳輸指數客觀評價語言可懂度》（GB/T 12060.16-2017）中年齡超過60歲的聽力損失聽者相較于正常聽者的可懂度評價表（表2）來看，兒童醫院陪診的家長年齡一般在60 歲以下，屬于正常聽者，故大廳音質為可以接受水平。

表2 年齡超過60歲的聽力損失聽者相較于正常聽者的可懂度評價表

由此看來，大廳安裝玻璃裝飾比未安裝玻璃裝飾的STI 值指標有所提高，巨型無肋鋼化玻璃廳堂裝飾設計方案有利于語音傳輸。

6 玻璃的安全性、固定方法的安全性和減震性能分析

6.1 玻璃的安全性計算與分析工況說明

根據圖5、6 所示和相關參數分析，處于兩種工況，工況一為僅頂部兩個吊裝點受力狀態，工況二為頂部兩個吊裝點、底部減震固定裝置受力狀態。

6.2 受力和變形分析

6.2.1 計算軟件和說明

應用SAP2000 V24.0 版對玻璃強度及變形進行分析。

6.2.2 分析結果

①工況一：應力有限元分析結果

經有限元分析得到應力分布圖（圖22），應力最大處在頂部吊裝點附近，最大應力3.764N/mm2；應力最小處在頂部中間區域，最小應力-0.597N/mm2，小于84MPa，滿足要求。

圖22 應力分布圖

②工況一：變形有限元分析結果

經過有限元分析得到玻璃變形分布圖（圖23），變形最大處在底部，最大變形0.017mm，小于1500mm/60=25mm，滿足要求。

圖23 玻璃變形分布圖

③工況二：應力有限元分析結果

經過有限元分析得到應力分布圖（圖24），應力最大處在頂部吊裝點附近，最大應力4.083N/mm2；應力最小處在頂部中間區域，最小應力-1.354N/mm2，小于84MPa，滿足要求。

圖24 應力分布圖

④工況二：變形有限元分析結果

經過有限元分析得到玻璃變形分布圖（圖25），變形最大處在底部，最大變形8.971mm，小于1500mm/60=25mm，滿足要求。

圖25 玻璃變形分布圖

綜上所述，在兩種工況下，玻璃強度和撓度都滿足要求。

6.2.3 固定方法的安全性計算分析

①吊掛輔助固定系統構造安全性計算分析

鋼化加膠玻璃高5800mm、寬1500mm、厚25.52mm，密度取28kN/m3，使用Civil 2022 對吊裝支架進行受力分析，分析結果如下。

a.受力計算

頂部工字鋼受力：

頂部工字鋼最大豎向力F=5.8×1.5×0.02552×28.0=6.2kN。

底部減震裝置及工字鋼受力：

槽鋼最大豎向力f=5.8×1.5×0.02552×28.0/1.5=4.1kN/m。

荷載組合為1.3×自重+1.5活荷載。

b.模型簡化

頂部工字鋼和底部工字鋼與結構處為固結，如圖26、圖27所示。

圖26 頂部懸挑端受豎向力模型圖

圖27 底部懸挑端受豎向力模型圖

頂部工字鋼最大豎向力F=5.8×1.5×0.02552×28.0=6.2kN。

底部減震裝置及工字鋼受力：

槽鋼最大豎向力f=5.8×1.5×0.02552×28.0/1.5=4.1kN/m。

荷載組合為1.3×自重+1.5活荷載。

底部結構底部工字鋼與結構處為固結，玻璃作用在槽鋼處受線荷載。

計算結構如圖28 所示，應力最大為0.5MPa＜345MPa，滿足要求。

圖28 頂部懸挑結構應力分布圖

如圖29 所示，應力最大為0.004mm＜400/400=1mm，滿足要求。

圖29 頂部懸挑結構變形分布圖

如圖30 所示，應力最大為14.MPa＜345MPa，滿足要求。如圖31所示，應力最大為0.158mm＜400/400=1mm，滿足要求。

圖31 底部結構變形分布圖

綜上所述，采用現用巨型無肋鋼化玻璃和吊掛輔助固定系統構造的設計，滿足安全要求。

7 結語

針對巨型無肋鋼化玻璃廳堂裝飾的語言傳輸可懂度和安全性能分析及減震固定技術的系列研究，首次利用EASE（電聲模擬）軟件模擬聲學分析廳堂有無玻璃裝飾在特定環境下的STI（語言傳輸指數）指標，從而優化設計方案，提高了公共建筑廳堂語言傳輸的可懂度；針對巨型無肋彩色鋼化玻璃的固定，首次采用獨立吊掛輔以減震約束法，并利用SAP2000 Midas Civil 有限元軟件分析優化固定構造；還自主研制了減震固定裝置，使其在地震荷載下多維度消減加速度，可提高抗震性能。此項研究，對營造良好的就醫環境，確保巨型無肋鋼化玻璃廳堂裝飾的安全性和抗震性，具有一定的經濟、社會、環境效益和推廣價值。