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摘要：上海風塔項目，采用了與上海中心外幕墻相同的大跨度懸挑單層幕墻鋼網(wǎng)殼體系，是幕墻鋼結構表皮與幕墻面層一體化設計的典范。單層鋼網(wǎng)殼采用創(chuàng)新裝配式液壓整體提升工藝，提
高了安裝效率，保證了安裝精度（詞條“精度”由行業(yè)大百科提供）。外側單元板（詞條“單元板”由行業(yè)大百科提供）塊采用三角形單元設計理念，通過正三角形雙公料板塊及倒三角形雙母料板塊，配合特殊定制的模壓膠條、插接部位的細節(jié)處理及異形定制掛件系統(tǒng)，實現(xiàn)了對大變形柔性鋼結構表
皮的構造適應及建筑美觀性能的雙重保證。項目全過程采用了數(shù)字化BIM（詞條“BIM”由行業(yè)大百科提供）技術，結合數(shù)字化鋼結構變形分析、現(xiàn)場空間測量定位、高精度機加工等技術，完美實現(xiàn)了建筑神針定海的挺拔造型。
關鍵詞：大跨度懸挑單層網(wǎng)殼、裝配式、整體提升、三角形單元、數(shù)字化、高精度機加工
1.引語
上港十四區(qū)項目位于上海市寶山區(qū)長江入海口，包括風塔、風塔管理樓、音樂廳、酒店及辦公樓五個單體建筑。其中風塔高180米，整體為圓柱造型，外立面材料主要為玻璃，通過三角形單元板塊拼接模擬實現(xiàn)了建筑
光滑的圓柱造型。結構體系上采用了與上海中心外幕墻相同的大跨度懸挑單層幕墻鋼網(wǎng)殼體系，所以這個項目又被稱為“小上海中心”
鳥瞰效果圖
2.項目特點及難點分析
(1)幕墻表皮分格的劃分及圓柱造型的實現(xiàn)
風塔高180米，直徑 26.5 米，為細長的圓棒造型。在36米和136米標高（詞條“標高”由行業(yè)大百科提供）處，分別有玻璃和搪瓷板材質(zhì)的異形金箍造型，最終形成建筑金箍棒的造型。建筑表皮需要以三角形為基礎元素，通過正三角和倒三角的拼接，實
現(xiàn)建筑表皮的圓弧光滑效果。
(2)主體結構的特點與幕墻表皮的生根
傳統(tǒng)的玻璃幕墻會生根在建筑每層的邊梁上，荷載傳遞路徑為面板的荷載傳遞到橫梁和立柱，立柱通過轉(zhuǎn)接件將荷載傳遞到結構邊梁上。本項目作為風塔，區(qū)別于傳統(tǒng)辦公建筑，內(nèi)側核心筒與外側玻璃幕墻之間有較大
間隙，可用于幕墻生根的環(huán)形梁間距較遠，無法采用傳統(tǒng)幕墻做法。需要在幕墻與核心筒之間設置單層異形鋼網(wǎng)殼，作為幕墻面板的生根點。
建筑元素的拆分
(3)單層筒狀異形鋼網(wǎng)殼的實現(xiàn)
網(wǎng)殼鋼架分格與外側玻璃幕墻相同，均為三角形的重復出現(xiàn)。每個交接節(jié)點有6個桿件交匯，匯交節(jié)點采用插板形式，結構異形，焊縫集中，對拼裝精度要求很高。
單層鋼網(wǎng)殼
(4)幕墻板塊對單層網(wǎng)殼變形的吸收
單層鋼網(wǎng)殼懸掛在主體結構外側，最大跨度達到44米，鋼網(wǎng)殼的變形相比傳統(tǒng)主體結構變形更大，固定在鋼網(wǎng)殼外側的玻璃面板需要在構造上進行特殊設計，用于吸收超大的變形。
單層鋼網(wǎng)殼變形示意
(5)對加工精度和施工措施的超高要求
三角形單元的拼接和筒狀網(wǎng)殼的實現(xiàn)都涉及到空間點的多點交匯，對加工和安裝精度要求都很高。同時可用于單層鋼網(wǎng)殼生根的結構環(huán)梁間距最大有44米，怎樣將單層鋼網(wǎng)殼安裝到位對施工措施有很高的要求。
(6)新型材料的使用
本項目在36米標高部位使用了超大彩色弧形玻璃，彩色PVB膠皮及4.4米弧長，2.9米半徑的超大弧長、超小半徑，對玻璃的設計、加工及安裝提出了很高的要求。
在136米部位，為了保證隧道著火的情況下，出風口部位可能出現(xiàn)的250°的溫度不會對外側的百葉片產(chǎn)生影響，百葉片采用了5毫米不銹鋼材質(zhì)，同時為了符合建筑釉面亮色的效果，不銹鋼百葉片采用了新型搪瓷工藝
進行處理。
彩色弧形玻璃 搪瓷不銹鋼板
3.空間網(wǎng)殼與幕墻表皮的一體化設計
因為主體可以用于幕墻生根的結構高度方向跨度很大，最大達到44米，傳統(tǒng)的基于層間梁生根的幕墻板塊固定方式在本項目無法實現(xiàn)，幕墻需要設置輔助受力體系，用于幕墻面板的生根。用于實現(xiàn)超大跨度的結構方式
很多，比如傳統(tǒng)的鋼龍骨體系、鋼桁架體系、索結構、組合系統(tǒng)等。考慮到整個效果的美觀性和結構受力的安全性，鋼網(wǎng)殼系統(tǒng)成為了最終的選擇。這樣整個面層分為兩層，內(nèi)層的鋼網(wǎng)殼用于超大跨度的傳力，外側的幕墻板塊
用于表皮保溫、防水、隔音等各項性能的實現(xiàn)。
(1)外側幕墻玻璃板塊的設計
外側幕墻玻璃板塊為單元板塊，板塊的設計需要解決板塊的分格劃分、掛接、防水、插接處理等技術難題。
①平行四邊形單元板塊和三角形單元板塊的選擇
傳統(tǒng)單元板塊均為四邊形板塊，四邊形板塊在板塊掛接及防水處理方面更加成熟。假定本項目也采用四邊形板塊，為了實現(xiàn)圓弧造型的效果，四邊形板塊為非共面板塊，是由兩個不共面的三角形拼接而成。經(jīng)過分析，
兩個三角形板塊之間的夾角為174.8°。通過對平行四邊形板塊進行建模分析，發(fā)現(xiàn)為了實現(xiàn)空間平行四邊形的效果，大部分的幕墻龍骨桿件需要切空間二面角，對加工和組裝的精度要求很高，且拼接點會出現(xiàn)縫隙或者高低差等
缺陷，影響美觀效果和防水性能。
空間平行四邊形建模分析
最終本項目采用了三角形單元板塊，每層72個三角形板塊——36個正三角板塊+36個倒三角板塊，底邊2310mm，高4000mm;
三角形單元板塊
正三角豎框采用雙公豎框設計，倒三角采用雙母豎框設計，保證單元板塊32°的尖角部位型材拼縫整齊;
對比平行四邊形板塊，采用三角形板塊的優(yōu)點：
Ø 板塊處在同一平面上，加工簡單;
Ø 組框工藝簡單，拼縫整齊，水密氣密性好;
Ø 板塊小，便于運輸和吊裝;
Ø 相鄰板塊掛點在同一平面內(nèi)，定位容易;
②三角形單元掛接系統(tǒng)設計
考慮到板塊對于主體結構的變形適應，掛件均為垂直布置。設計時考慮了微調(diào)節(jié)和釋放彎矩等因素，采用了鋁合金（詞條“鋁合金”由行業(yè)大百科提供）轉(zhuǎn)接件和鋁（詞條“鋁”由行業(yè)大百科提供）合金掛件組合的掛件系統(tǒng)。
三角形單元掛接系統(tǒng)
如上圖所示，每個三角形板塊采用四個掛件系統(tǒng)。單元幕墻的斜的鋁合金柱通過鋁合金轉(zhuǎn)接件的轉(zhuǎn)接，最終與垂直的鋁合金掛件連成一體，鋁合金轉(zhuǎn)接件在中間起到傳力功能的同時，還要有斜向轉(zhuǎn)垂直的能力。我們?yōu)?
此設計了一款特殊轉(zhuǎn)接件(如下圖所示)。此轉(zhuǎn)接件需要由一塊6063-T6鋁型材銑切而成，以保證其受力性能;
轉(zhuǎn)接件詳圖
③三角形單元板塊的防水設計
通過BIM放樣和實體樣板，對三角形單元板塊的防水進行分析，相鄰6個板塊交接的部位是防水的薄弱環(huán)節(jié)。
BIM分析實體小樣分析
經(jīng)過分析，六個三角形交接于一點，該部位會形成一個貫穿空隙，相比普通矩形單元板塊，該空隙更大，形狀更復雜。為了排除這個漏水隱患點，我司對空隙部位采用模壓膠條進行封堵。
交匯部位的模壓膠條設計
④三角形板塊的加工及組角拼接
三角形單元板塊的銑切工藝比較復雜，需考慮多方面因素，例如主型材兩端的二面角及三角形銳角拼接位置16.1°的小切角，對工藝的精度的要求極高，加工難度較大。需經(jīng)過切兩端二面角、切兩端16.1°小夾角、局部
銑切及鉆孔等工序。
型材加工
加工完成的型材在工廠進行組框，其中三角形兩個公立柱或者兩個母立柱組框的部位是本項目的難點，需借助鋁角碼進行組框。組框詳圖如下：
組框示意圖
⑤實體樣板
通過1:1實體樣板的制作，論證了所有技術方案的可行性，改進了構造做法。
實體樣板
(2)單層網(wǎng)殼的設計要點
單層網(wǎng)殼做為幕墻表皮的生根鋼架，其分格與外側玻璃幕墻相同，鋼網(wǎng)殼與幕墻龍骨形成內(nèi)外雙層龍骨表皮。鋼網(wǎng)殼的加工及安裝精度至關重要，影響到室內(nèi)和室外的效果，較大的誤差會引起內(nèi)外兩層皮錯位的效果。
本項目通過以下措施來保證鋼網(wǎng)殼的精度：
①多點交匯部位的處理
因為是三角形拼接網(wǎng)筒，每個交接節(jié)點為6個桿的拼接，為了保證加工及施工精度，桿件交接部位采用插板進行拼接。桿件采用5自由度多功能機器人進行桿件的端頭加工，采用火焰切割或等離子切割實現(xiàn)。5自由度混
聯(lián)模塊配備360度回轉(zhuǎn)機架，可多工位連續(xù)作業(yè)。
鋼架節(jié)點 加工質(zhì)量控制
②網(wǎng)殼的空間定位
以BIM模型為基礎，提取空間網(wǎng)殼的定位數(shù)據(jù)，通過空間測量定位技術進行桿件的定位，確保網(wǎng)殼的精度。施工完成之后進行鋼架的復測，將測量數(shù)據(jù)返回BIM模型，進行模型的修正。
③基于BIM模型的空間鋼架結構應力（詞條“應力”由行業(yè)大百科提供）及變形分析
以風洞試驗（詞條“風洞試驗”由行業(yè)大百科提供）報告為荷載依據(jù)，根據(jù)空間網(wǎng)架的生根方式進行桶狀網(wǎng)殼結構的受力分析。
風洞試驗報告 鋼網(wǎng)殼變形分析
④網(wǎng)架的生根節(jié)點設計
網(wǎng)殼高度方向生根點間距很大，最大高度44米，整個網(wǎng)架為吊掛柔性網(wǎng)殼體系。通過上部鉸接節(jié)點和下部滑動節(jié)點的特殊構造設計，保證了整個桶狀網(wǎng)殼結構的變形和受力。
網(wǎng)殼生根
(3)柔性網(wǎng)殼的變形及單元板塊的適應性設計
經(jīng)過分析，單層網(wǎng)殼在最不利荷載組合下的位移數(shù)據(jù)如下：
以以上結構變形數(shù)據(jù)為依據(jù)，對單元插接構造進行特殊設計，加大單元板塊的搭接（詞條“搭接”由行業(yè)大百科提供）和伸縮距離，保證在極限情況下幕墻表皮物理性能的完整性。
單元板塊構造設計
4.裝配式整體提升工藝在施工中的應用
隨著建筑裝配式技術的發(fā)展，裝配水平逐步提升，裝配單元越來越大。以單層網(wǎng)殼結構為例，早期單層網(wǎng)殼裝配單元主要按照左右立柱及兩根立柱之間的橫梁組成一個裝配單元，俗稱“梯子”，梯子安裝完成后，梯子
之間的橫桿后裝，減少現(xiàn)場的焊接，如蘇州中心大鳥屋面的單層網(wǎng)殼結構。
蘇州中心大鳥屋面單層網(wǎng)殼鋼架安裝
本項目因為主體結構和外層鋼架脫離，傳統(tǒng)的小塊拼裝不容易操作。最終經(jīng)過技術論證，決定采用地面拼裝，整體提升的方案。在正負零位置進行鋼架的拼裝，以 8m(兩層)為一個拼裝單元，拼裝完成后提升8m，再次
拼裝8m連接至已提升單元，累積提升，直至分段整體拼裝完成，整體提升到位。本項目分三個階段進行提升：
提升階段一：
提升設備（詞條“設備”由行業(yè)大百科提供）安裝于136m層，提升92-136m段幕墻鋼結構，提升鋼架高度44米。
提升階段二：
提升設備安裝于88m層，提升48-88m段幕墻鋼結構，提升鋼架高度44米。
提升階段三：
提升設備安裝于36m層，提升0-36m段幕墻鋼結構，提升鋼架高度36米。
網(wǎng)殼整體提升過程
5.數(shù)字化技術的應用
數(shù)字化、智能化是建筑發(fā)展的大方向。本項目因為特殊的建筑形體、復雜的幕墻系統(tǒng)及施工工藝，對數(shù)字化技術的應用提出了更高的要求。本項目主要在以下方面進行了數(shù)字化技術的創(chuàng)新應用：
(1)數(shù)字化設計
以BIM為工具，對建筑的桶狀表皮進行劃分，基于相同的劃分原則，保證建筑表皮由相同的三角形板塊拼接完成。
基于分格劃分方式和板塊的深化做法，進行三角形單元板塊的LOD500深度的模型深化，從理論上模擬板塊的加工和拼裝，確保方案的可行性。
基于BIM模型進行單層網(wǎng)殼的受力分析，根據(jù)網(wǎng)殼變形結果調(diào)整單元板塊的構造做法，確保單元板塊能夠適應單層網(wǎng)殼的變形。
(2)數(shù)字化加工
從幕墻模型導出型材加工數(shù)據(jù)，通過5軸數(shù)控加工中心進行型材的自動切割和空間二面角的加工。
數(shù)控加工中心
從單層網(wǎng)殼導出鋼結構桿件加工數(shù)據(jù)，通過焊接機器人進行網(wǎng)殼的高精度加工。
(3)數(shù)字化施工
以BIM模型為基礎，模擬桶狀網(wǎng)殼下邊三段鋼架整體提升及頂部鋼架的拼接過程。鋼架施工完成后，通過空間測量定位技術對桶狀網(wǎng)殼進行測量復核，將數(shù)據(jù)反饋到BIM模型中對模型進行二次修正。模擬三角形玻璃單
元板塊的安裝過程，進行正向三角形和反向三角形的有序安裝。關注伸縮縫位置及交接位置的安裝過程，預先通過BIM進行安裝方案的模擬。
BIM對安裝過程的模擬
6.結語
上港風塔項目通過鋼結構網(wǎng)殼和幕墻表皮的一體化設計，保證了幕墻表皮在大跨度柔性吊掛體系下安全性和美觀性的雙重保證。項目運用了數(shù)字化技術、裝配式整體提升等新技術，大大提升了項目的加工和安裝效率。
隨著建筑科技的發(fā)展，建筑的表現(xiàn)形式不斷創(chuàng)新和突破，在技術的加持下，建筑純粹、簡單的屬性正在回歸。任何簡單的東西都包含了隱藏起來的強大的技術支撐，讓我們一起努力，讓建筑越來越簡單、純粹。
作者單位：蘇州金螳螂幕墻有限公司
