美的大厦幕墙板块的优化分析

刘卓然 许伟东

摘要：近年来常规幕墙形式已经无法满足设计师的多元化设计理念，各种特殊扭转曲面的幕墙形式在实际应用中越来越广泛。本文主要以美的总部大厦项目空间扭转的曲面幕墙板块进行介绍分析。

关键词：幕墙；扭转曲面；设计

前言

美的总部大厦项目总共分为A、B、C、D四个区（如图1所示），其中西部裙房A区幕墙面积4500m2，主塔楼B区幕墙面积20200m2，东部裙房C区幕墙面积3850m2，IT楼D区幕墙面积为8100m2。美的总部大厦的四个部分都是按照一定的规律来完成外形。整个大楼的外立面是一个扭转的曲面，一个类似的马鞍面的一个不规则曲面。经三维建模分析，美的总部大厦的外立面是一个有规律可以追寻，按一定特点在变化的曲面。我们做这个数据分析的出发点是以下这三点：

1、确定幕墙设计做法及方向，为完成大厦设计和施工提供完整的理论保障；

2、为幕墙节点的设计提供数据支持，如尺寸的配合，插接位置的设计等等；

3、优化单元板块的编号，使得单元板块的种类趋于统一，以方便工厂加工和现场挂装。

本次数据分析涵盖了本大厦A、B、C、D四个区所有的幕墙系统，根据幕墙板块的难易程度和扭转情况我们选择了最难的和最有代表性的区域进行分析。解决了这些部分幕墙的设计及施工问题，其他的部分的问题就迎刃而解了。考虑到B区幕墙面积最大，楼最高，而且两个裙房的转角也存在较大的高斯曲率，我们重点分析和拆分了这两个部分的幕墙板块。因为这两个部分分析过程类似，这里我们只概要的说明一下主塔楼的板块分析。

一、主塔楼板块翘高分析

主塔楼的板块可以大致分为这样的三个区域，一个是平板区域：所有的幕墙板块都是四点共面的平面板块。第二个为强扭转的区域：高斯曲率大，扭曲严重，想实现四边形板块，难度较大。第三个是弱扭转的区域：外观感觉高斯曲率较低，能实现四边形板块。区域划分具体如图2所示。

图2、主塔楼幕墙板块分区图

（一）平板区域

首先来描述一下第一个区域。这个区域的幕墙板块都是平行四边形的，层高相同的板块是相同的板块（除去转角和收边的板块），空间关系简单，做法标准。是主塔楼里面最容易实现的部分。

（二）强扭转区域

第二个区域是强扭转区域。区域内的板块的四点不共面，存在一定的扭转问题。我们对这部分的幕墙板块进行了一个较详细的分析，求出了这部分所有幕墙板块的其中一点到另外三点形成的平面的距离。一个四点不共面的幕墙板块共有四个距离，其中最大的那一个为翘高。

通过计算机的辅助，进行三维放线测量，求出各个板块的翘高值，按照范围进行划分，得到如下图3所示：

从以上的数据看来，这部分幕墙板块翘高超过100mm 的为174块，占到了这个区域板块的85%。这个部分的幕墙若是采用四边形板块就无法贴近理论曲面，所以我司采用三角形板块的分块方法。把一个四边形板块分割成两个有夹角的三角形。从而贴近理论的曲面。

（三）弱扭转区域

经过三维放线测量，我们发现这个区域板块的翘高在20mm和40mm之间这个范围的幕墙板块最多，占到了这个区域总板块数的28%。只有3个板块的翘高超过了100mm，幕墙板块翘高最大为103.6mm。如图4所示。

通过这张图，我们能发现：其实如果层高一致的话，幕墙板块的翘高分布应该是类似同心椭圆。考虑到这部分幕墙板块的翘高不大，可以通过四边形板块的做法来贴近理论曲面。

二、主塔楼弱扭转区域平面板块做法

对于单元式幕墙来说，幕墙板块是个平面插接的板块。要形成扭曲面的效果，在这里我们采用很多工程都用过的台阶错位法。这种方法首先把曲面划分从一定大小四边形的微分单元，对于有大小的扭曲面上的微分单元来说，四个点是不共面的。我们把微分单元三个角点形成的平面延伸，然后第四个点投影到平面上。形成如右图所示的效果。我们主要采取以下的方法来实现板块的做法和进行板块的优化：

（一）台阶的位置

美的总部大厦是有600x600大装饰条，强调竖向效果的一个建筑。我们把上面提到的台阶最大的位置藏身于装饰条中，把第四个点也消化在装饰条中间。尽量的让台阶小和第四点距离小，让后面形成的平面板块更加趋近于理论曲面；

（二）调整板块的宽度

首先，这个区域中的幕墙板块翘高的大小与板块本身的大小有关系，幕墙板块的宽度一定的条件下，高度越高，翘高越大。同样，高度一定的情况下，幕墙板块的宽度越大，翘高越大。控制板块的宽度与高度是控制翘高的因数之一。现在这个部分的板块高度是按照层高来进行划分的，单元式幕墙的安装工艺和方法不允许把幕墙板块的高度进行修高，只能是宽度方向了。在两个600mm×600mm的装饰条之间是有一条隐框的玻璃缝的，我们现在利用这条缝，把这样的一个3.0m宽的板块分格成两个1.5m的板块。进而可以将板块的翘高降低到约为3.0m宽板块的一半。

（三）改变平面确定的方法

为了把翘出理论面的点到理论点的距离变得更小，使得四边形板块拼成了曲面更加接近理论的曲面，我们对板块做了如下的改进：

保证了1.5m分格处隐框的分格还是在它的理论位置，以这条边对边的中点来确定平面。这样一来，把单边台阶调整为两边共同台阶，让板块所在的位置更加贴近与理论所在的位置。得出感觉如下图6的板块拼接。使得建筑外表面有更加完美的曲面感觉。

经过以上的优化和调整后，幕墙的板块最大偏离理论点的距离已经降到27mm。这个偏差的距离分布比较均匀。我们把这个区域所有的幕墙板块偏离理论点的距离的范围按不同的颜色表达出来，如图7所示。通过这张图，我们能发现：其实如果层高一致的话，幕墙板块的偏离理论点的距离分布应该是类似同心椭圆，一圈一圈的。外围的翘高最小，越到中心偏离理论点的距离越大。

三、幕墙板块的合并

对于主塔楼的弱扭转区域来说，每层26个板块，共有34层，计884个幕墙板块。型材尺寸不一，玻璃面板的尺寸不一，板块也是不一样的。这将给加工和施工带来极大的不便。我们必须要去合并其中的一部分板块。我们对幕墙板块进行部分合并，方便了加工和施工，保证了工程的施工质量、精度和进度。

相同的一个平面四边形的板块，它的边长必然相同，内角也相同。实际操作来说，控制角度比较难，我们把内角的关系等换成对角线的关系。通过设计单元式的节点设计可以知道：板块边长在±7.5mm内，对角线长度在±10.0mm内所有幕墙板块都能在节点上进行调整和消化。我们在上步的分析成果上，分析每个板块的边长和对角线，进而对幕墙板块进行合并。

分析结束后，我们把4m层高的的所有板块（共计702块）合并成了如下图8所示的15种板块

四、总结

经过预先的三维建模分析，可较简洁的发现工程幕墙形式的某方面特点及规律，能够准确的确定幕墙设计做法及方向，为完成工程项目的设计和施工提供完整的理论保障；可更精确的提供大部分的数据支持，减少幕墙板块的种类以便于加工。以往的高層和超高层建筑大都符合单元式幕墙的使用条件，一般都是较大的体积和较为规整的立面。但人们总向往能够得到与众不同的东西，所以像鸟巢、央视大楼这一类造型奇特的建筑便应运而生了。这对我们来说，意味着市场正在形成一个新的需求，有必要进行这一领域的技术探索和研究。此次通过美的大厦幕墙板块的分析，强化了对于特殊扭转曲面幕墙工程的设计、施工经验，必将更容易的适应幕墙行业未来的发展方向及建筑行业的全新需求。