超高层曲面三向斜交网格体系幕墙系统设计应用研究

2020-06-29上海建科建筑设计院有限公司上海200032

建筑科技 2020年6期

杨静（上海建科建筑设计院有限公司，上海 200032）

玻璃幕墙作为一种建筑围护结构，因其新颖美观的特征而得到越来越广泛的应用，玻璃幕墙的应用成为现代主义高层建筑的一大特征[1]。玻璃幕墙按照支撑结构，可分为框架式和单元式两种类型。其中，单元式幕墙是指将玻璃面板与支撑框架在工厂预制完成后，通过挂件与主体预埋件相连的幕墙，具有工期短、质量容易控制等优点，得到了越来越多的应用。

近年来，建筑幕墙逐渐向更大尺度、更复杂形态的方向发展，且在超高层建筑中普遍应用。对于曲面超高层这类情况，往往需要有特殊的支撑结构及其他相关构造措施支持。例如，上海中心大厦的幕墙，其采用了“吊环-环梁-径向支撑”分区悬挂结构[2]；宁波梅山岛商务中心以三角形单元板块构成复杂空间曲面，并采用双凹槽型材插芯连接实现板块间的拼接和密封[3]。

上海市某滨江城十四区项目中，有一圆形超高层风塔建筑，高度近 180.00 m，标准层面积约 560.00 m2，其外围结构采用三向斜交网格体系的半隐框玻璃幕墙结构，设计施工难度很大。本文以此工程为背景，对相关的问题进行了分析讨论。

1 项目概况

上海市某滨江城十四区项目地处上海市宝山长滩区域东端，地块规划有涵盖高度 180.00 m 的风塔、1 幢高度为119.65 m 的办公楼、1 幢高度为 80.00 m 的星级酒店，1 幢高度文 23.95 m 的风塔管理楼及 1 个的音乐厅，酒店与办公楼之间有裙房，建筑主要功能包括商业广场、酒店、办公等，外墙主要为竖明横隐玻璃幕墙、铝板幕墙、金属雨棚、金属格栅幕墙等。其中，风塔为钢筋混凝土框架结构，主体结构设计使用年限为 50 a，幕墙设计使用年限 25 a。

该建筑作为一座大型公共建筑，其幕墙结构的选择需要紧紧围绕安全可靠、造型美观、轻巧稳定、节能环保、拆修方便、经济适用的原则进行。单元式玻璃幕墙以其结构与造型等方面的优点与工程要求契合，确定为本工程的幕墙方案。

本工程中的风塔建筑，其外观造型独特，弧度相对较大，实现其圆形外围结构的设计施工需要采取适当的方案。且由于很难采用常规方案，其具体构造细节，如构件连接节点的设计等，要使其具有在现有的施工条件下实现的可行性，也需要针对具体情况分析研究，这是本工程设计阶段需要重点考虑的问题。单元式玻璃幕墙以其结构与造型等方面的优点与工程要求契合，最终确定为本工程的幕墙方案。

2 幕墙单元板块的选型

2.1 初期四边形板块划分

本工程中，外围的风塔为圆柱形结构，属于曲面异形幕墙结构。若按照通常的四边形形状进行单元划分，不可避免会出现 4 点不共面的情况，此时板块中的杆件定型、加工，以及制作完成后的运输、安装都十分困难，对工艺和精度的要求极高，实际工程中往往无法实现。

平行四边形单元板块编号示意图如图 1 所示，其为本工程初期设计方案中的情况：采用平行四边形单元板块，编号1-5-3-6 为一个单元板块，编号 1-7-3-8 为一个单元板块。其中，板块 1-5-3-6 与板块 1-7-3-8 在杆件 1 与杆件 3 连接处有 174.8° 的夹角，另外杆件 2 由于是共用型材，其本身也需要开出合适的角度，对于加工制造十分困难。而若杆件不共面，必然会导致拼装点位置出现大量缝隙或超标高低差，因此平行四边形板块无法实现施工安装，必须采用其他的单元板块形式。

图1 平行四边形单元板块编号示意图

2.2 替代方案讨论

为解决此问题，初步考虑了以下 3 种替代方案。

（1）加垂直隐框从而将玻璃划分成矩形板块。在柱面母线位置设置垂直隐框竖缝，将玻璃划分成矩形板块，横向以折代曲以构成圆形风塔柱，原本的倾斜框架改为纯装饰构件。此种方式较为简单，板块内无二面角，可使板块角点 4点共面，安装也较为简单。但是竖向胶缝的设置可能对立面效果造成影响，且以折代曲的方式无法避免公母竖框之间依然会有夹角。

（2）采用弯弧型材的平行四边形板块。依然采用平行四边形板块划分，在稍偏离二面角的位置设置斜中竖，使其只连接于单根横料或竖料上，上下横梁采用弯弧型材解决二面角加工和上下横后肢与公母竖后肢的高差问题。板块固定规律设置，单独开专用连接型材模具，挂接处的铝合金挂钩也开出楔形截面，可以实现挂接的可行性。但是为了拟合风塔圆柱曲面，所有竖向型材（包括斜中竖）都需要做成半径较大的椭圆曲线或样条曲线而不能用直线，拟合后也难以完全避免高差问题，且玻璃可能也要采用曲面，会导致造价大幅提升。

（3）采用三角形板块拼接。采用三角形板块，单块板块约 4.6 m2，面积相对适中，且三角形板块不存在角点不共面问题，不会有二面角的存在，加工、组装相对简单。由于整体风塔平面为正圆形，可以规律分格以使所有公母竖间夹角为定值，开模容易实现。且此类板块应用较多，相关防水等问题有成熟解决方案。

2.3 三角形板块拼接设计

三角形单元划分的优化设计，首先要划分三角形单元，通常采用 UV（三维软件中的横纵坐标名称）曲线或网格投影的方法，然后需要转化三角形的拓扑关系，将其转化为顶点间的距离，形成三角形网格体系，以制定参数关联关系。然后通过改变参数变量以改变三角形单元边长关系，使之趋于相等，以使三角形单元几何属性接近，减少规格数量。在变化过程中，要限定各顶点与原始曲面的距离，以保证拟合结果与原始曲面的近似关系。三角形板块底宽 2 312 mm，高 4 000 mm，三角形板块面积 4.6 m2，属于正常板块。采用三角形板块，可以解决不共面的问题，加工、组装也较为简单，不会出现加工二面角的情况。如果按照上述模拟分格规律，三角形板块公母竖之间的夹角为定值，比较易开模实现。

综合考虑多方面因素，本工程最终选择采用三角形板块。以简单的三角形单元板块拼接设计的方式，可以对各类复杂的自由曲面进行拼接拟合。采用三角形板块模拟曲面的方式，对同一个曲面，单元大小和拟合后曲面的平滑程度成反比，理论上单元数量无限增加可以实现完美拟合的效果，但是单元数量越多，则单元加工和施工成本都会相应增加。另外，若单元划分不合理，可能导致单元规格种类过多，增大施工难度，也可能会影响幕墙成型效果，因此，需要尽可能减少单元规格数量，以使整体立面效果匀称美观。为了适当控制单元规格，实现成型效果和总体成本的平衡关系，需要进行单元划分优化设计[4]。

3 三角形单元挂件的设计

3.1 常规沿的单元立柱框架挂件设计

本工程中的幕墙板块为外挂式。由于板块框架方向不在竖直方向，其上需要安装的铝合金挂件也不便竖直安装。而若按常规方式，将挂件直接按照框架方向安装，则主体结构上的连接件也必须沿幕墙框架方向倾斜安装，如图 2 所示。

图2 连接件倾斜安装

主体结构端的连接件尺寸为高度 235 mm，倾斜安装时左右最大长度为 273 mm。由于受框架宽度的限制，连接件的宽度不能太大。在此情况下，可用于板块安装的多余尺寸在宽度方向只有 38 mm，无法满足正常施工要求。

此外，当幕墙单元安装完成后，幕墙板块所受重力在竖直方向，连接件在工作过程中受到的作用力合力方向与其对称轴不平行，相当于在侧向还有一个额外的作用力。由于双肢铝合金挂件中只能有一肢与螺杆固接，为了当主体结构与幕墙产生相对位移时减小对幕墙性能的影响，另一肢必须放开自由度以应对正常工作中的变形，因此，侧向荷载只能由固接的一肢承担，应力十分集中。且倾斜受力可能导致连接件中螺杆对两肢挂件的反力不相等，挂件对螺杆产生一个扭转的力矩，对于其长期的工作十分不利。