超高層曲面三向斜交網格體系幕墻系統設計應用研究

楊 靜（上海建科建筑設計院有限公司，上海 200032）

玻璃幕墻作為一種建筑圍護結構，因其新穎美觀的特征而得到越來越廣泛的應用，玻璃幕墻的應用成為現代主義高層建筑的一大特征[1]。玻璃幕墻按照支撐結構，可分為框架式和單元式兩種類型。其中，單元式幕墻是指將玻璃面板與支撐框架在工廠預制完成后，通過掛件與主體預埋件相連的幕墻，具有工期短、質量容易控制等優點，得到了越來越多的應用。

近年來，建筑幕墻逐漸向更大尺度、更復雜形態的方向發展，且在超高層建筑中普遍應用。對于曲面超高層這類情況，往往需要有特殊的支撐結構及其他相關構造措施支持。例如，上海中心大廈的幕墻，其采用了“吊環-環梁-徑向支撐”分區懸掛結構[2]；寧波梅山島商務中心以三角形單元板塊構成復雜空間曲面，并采用雙凹槽型材插芯連接實現板塊間的拼接和密封[3]。

上海市某濱江城十四區項目中，有一圓形超高層風塔建筑，高度近 180.00 m，標準層面積約 560.00 m2，其外圍結構采用三向斜交網格體系的半隱框玻璃幕墻結構，設計施工難度很大。本文以此工程為背景，對相關的問題進行了分析討論。

1 項目概況

上海市某濱江城十四區項目地處上海市寶山長灘區域東端，地塊規劃有涵蓋高度 180.00 m 的風塔、1 幢高度為119.65 m 的辦公樓、1 幢高度為 80.00 m 的星級酒店，1 幢高度文 23.95 m 的風塔管理樓及 1 個的音樂廳，酒店與辦公樓之間有裙房，建筑主要功能包括商業廣場、酒店、辦公等，外墻主要為豎明橫隱玻璃幕墻、鋁板幕墻、金屬雨棚、金屬格柵幕墻等。其中，風塔為鋼筋混凝土框架結構，主體結構設計使用年限為 50 a，幕墻設計使用年限 25 a。

該建筑作為一座大型公共建筑，其幕墻結構的選擇需要緊緊圍繞安全可靠、造型美觀、輕巧穩定、節能環保、拆修方便、經濟適用的原則進行。單元式玻璃幕墻以其結構與造型等方面的優點與工程要求契合，確定為本工程的幕墻方案。

本工程中的風塔建筑，其外觀造型獨特，弧度相對較大，實現其圓形外圍結構的設計施工需要采取適當的方案。且由于很難采用常規方案，其具體構造細節，如構件連接節點的設計等，要使其具有在現有的施工條件下實現的可行性，也需要針對具體情況分析研究，這是本工程設計階段需要重點考慮的問題。單元式玻璃幕墻以其結構與造型等方面的優點與工程要求契合，最終確定為本工程的幕墻方案。

2 幕墻單元板塊的選型

2.1 初期四邊形板塊劃分

本工程中，外圍的風塔為圓柱形結構，屬于曲面異形幕墻結構。若按照通常的四邊形形狀進行單元劃分，不可避免會出現 4 點不共面的情況，此時板塊中的桿件定型、加工，以及制作完成后的運輸、安裝都十分困難，對工藝和精度的要求極高，實際工程中往往無法實現。

平行四邊形單元板塊編號示意圖如圖 1 所示，其為本工程初期設計方案中的情況：采用平行四邊形單元板塊，編號1-5-3-6 為一個單元板塊，編號 1-7-3-8 為一個單元板塊。其中，板塊 1-5-3-6 與板塊 1-7-3-8 在桿件 1 與桿件 3 連接處有 174.8° 的夾角，另外桿件 2 由于是共用型材，其本身也需要開出合適的角度，對于加工制造十分困難。而若桿件不共面，必然會導致拼裝點位置出現大量縫隙或超標高低差，因此平行四邊形板塊無法實現施工安裝，必須采用其他的單元板塊形式。

圖1 平行四邊形單元板塊編號示意圖

2.2 替代方案討論

為解決此問題，初步考慮了以下 3 種替代方案。

（1）加垂直隱框從而將玻璃劃分成矩形板塊。在柱面母線位置設置垂直隱框豎縫，將玻璃劃分成矩形板塊，橫向以折代曲以構成圓形風塔柱，原本的傾斜框架改為純裝飾構件。此種方式較為簡單，板塊內無二面角，可使板塊角點 4點共面，安裝也較為簡單。但是豎向膠縫的設置可能對立面效果造成影響，且以折代曲的方式無法避免公母豎框之間依然會有夾角。

（2）采用彎弧型材的平行四邊形板塊。依然采用平行四邊形板塊劃分，在稍偏離二面角的位置設置斜中豎，使其只連接于單根橫料或豎料上，上下橫梁采用彎弧型材解決二面角加工和上下橫后肢與公母豎后肢的高差問題。板塊固定規律設置，單獨開專用連接型材模具，掛接處的鋁合金掛鉤也開出楔形截面，可以實現掛接的可行性。但是為了擬合風塔圓柱曲面，所有豎向型材（包括斜中豎）都需要做成半徑較大的橢圓曲線或樣條曲線而不能用直線，擬合后也難以完全避免高差問題，且玻璃可能也要采用曲面，會導致造價大幅提升。

（3）采用三角形板塊拼接。采用三角形板塊，單塊板塊約 4.6 m2，面積相對適中，且三角形板塊不存在角點不共面問題，不會有二面角的存在，加工、組裝相對簡單。由于整體風塔平面為正圓形，可以規律分格以使所有公母豎間夾角為定值，開模容易實現。且此類板塊應用較多，相關防水等問題有成熟解決方案。

2.3 三角形板塊拼接設計

三角形單元劃分的優化設計，首先要劃分三角形單元，通常采用 UV（三維軟件中的橫縱坐標名稱）曲線或網格投影的方法，然后需要轉化三角形的拓撲關系，將其轉化為頂點間的距離，形成三角形網格體系，以制定參數關聯關系。然后通過改變參數變量以改變三角形單元邊長關系，使之趨于相等，以使三角形單元幾何屬性接近，減少規格數量。在變化過程中，要限定各頂點與原始曲面的距離，以保證擬合結果與原始曲面的近似關系。三角形板塊底寬 2 312 mm，高 4 000 mm，三角形板塊面積 4.6 m2，屬于正常板塊。采用三角形板塊，可以解決不共面的問題，加工、組裝也較為簡單，不會出現加工二面角的情況。如果按照上述模擬分格規律，三角形板塊公母豎之間的夾角為定值，比較易開模實現。

綜合考慮多方面因素，本工程最終選擇采用三角形板塊。以簡單的三角形單元板塊拼接設計的方式，可以對各類復雜的自由曲面進行拼接擬合。采用三角形板塊模擬曲面的方式，對同一個曲面，單元大小和擬合后曲面的平滑程度成反比，理論上單元數量無限增加可以實現完美擬合的效果，但是單元數量越多，則單元加工和施工成本都會相應增加。另外，若單元劃分不合理，可能導致單元規格種類過多，增大施工難度，也可能會影響幕墻成型效果，因此，需要盡可能減少單元規格數量，以使整體立面效果勻稱美觀。為了適當控制單元規格，實現成型效果和總體成本的平衡關系，需要進行單元劃分優化設計[4]。

3 三角形單元掛件的設計

3.1 常規沿的單元立柱框架掛件設計

本工程中的幕墻板塊為外掛式。由于板塊框架方向不在豎直方向，其上需要安裝的鋁合金掛件也不便豎直安裝。而若按常規方式，將掛件直接按照框架方向安裝，則主體結構上的連接件也必須沿幕墻框架方向傾斜安裝，如圖 2 所示。

圖2 連接件傾斜安裝

主體結構端的連接件尺寸為 高度 235 mm，傾斜安裝時左右最大長度為 273 mm。由于受框架寬度的限制，連接件的寬度不能太大。在此情況下，可用于板塊安裝的多余尺寸在寬度方向只有 38 mm，無法滿足正常施工要求。

此外，當幕墻單元安裝完成后，幕墻板塊所受重力在豎直方向，連接件在工作過程中受到的作用力合力方向與其對稱軸不平行，相當于在側向還有一個額外的作用力。由于雙肢鋁合金掛件中只能有一肢與螺桿固接，為了當主體結構與幕墻產生相對位移時減小對幕墻性能的影響，另一肢必須放開自由度以應對正常工作中的變形，因此，側向荷載只能由固接的一肢承擔，應力十分集中。且傾斜受力可能導致連接件中螺桿對兩肢掛件的反力不相等，掛件對螺桿產生一個扭轉的力矩，對于其長期的工作十分不利。

3.2 三維調節單元掛件設計

經過多方反復研究討論，最終本工程設計了一種三角形單元幕墻系統掛件調節件，如圖 3 所示。

圖3 調節件構造示意圖

此調節件通過在三角形單元幕墻的框架上額外增加一組三角形構件，形成一個水平方向的平面，可以在不改變單元框架形狀的情況下，使單元框架與主體結構之間的連接件在水平方向安裝，如圖 4 所示。

圖4 加裝調節件豎直安裝

按照此種方式安裝幕墻板塊，其連接件可以設置到 高度 250 mm 尺寸，在安裝過程中可以有 73 mm 的空間供安裝調節，可以滿足正常施工安裝需要。

此外，水平安裝連接件可使其對稱軸與所受合力方向相同，兩肢鋁合金掛件受力狀態基本相同，有利于其長期工作。

4 結 語

單元式幕墻設計中，單元形狀的劃分及連接件的構造對于其施工及工作過程都有重要的影響，本文結合實際設計過程，得出如下結論。

（1）使用以折代曲的方式設計圓形平面的建筑幕墻時，可以用三角形單元劃分解決角點共面問題，并且為規則的構造形式，較易實現加工。

（2）幕墻單元為傾斜框架設計時，須妥善考慮其與主體結構間的連接件的構造，盡量實現水平連接，因為最為合理。