(3)上海市K11購物中心，自由曲面采用變形（詞條“變形”由行業(yè)大百科提供）鋼結(jié)構(gòu)截面焊接節(jié)點，玻璃幕墻為全隱框形式。采用的是德國Seele系統(tǒng)。玻璃板塊之間夾角變化幅度不大，通過隱框中空玻璃玻璃中空空氣層內(nèi)嵌壓塊的設(shè)計處理，有效減少玻璃完成面到鋼結(jié)構(gòu)表面之間的距離，是鋼結(jié)構(gòu)和幕墻系統(tǒng)完美的一次結(jié)合。
(4)上海市徐家匯中心項目天幕采用是美國Novum公司系統(tǒng)，其前身是MERO系統(tǒng)。自由曲面為全鋼結(jié)構(gòu)螺接系統(tǒng)，玻璃系統(tǒng)為專用夾鋁合金板（詞條“鋁合金板”由行業(yè)大百科提供）點支撐系統(tǒng)。考慮到角度變化范圍不大，僅僅通過少數(shù)鋁合金夾具開模便可形成復(fù)雜的造型表面。
2.3 小結(jié)
通過上面的介紹，自由曲面玻璃系統(tǒng)設(shè)計的一個核心問題的玻璃單元板塊面面之間夾角問題。設(shè)計時首先應(yīng)在BIM的工具下建立全結(jié)構(gòu)模型，經(jīng)過編程，將板塊之間的夾角信息統(tǒng)計和分類。確定構(gòu)造系統(tǒng)選擇的基本方向。
建筑表皮的形式也是一個重要考慮因素，是全隱框、半隱框、明框還是點支撐系統(tǒng)，均要和建筑設(shè)計師進行深入的交流。上述四種玻璃系統(tǒng)的特點羅列如下，根據(jù)具體項目的要求對號入座，然后進行再發(fā)展。
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玻璃系統(tǒng)類型編號 |
構(gòu)造特點 |
對鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)要求 |
板塊間夾角的要求 |
適用性 |
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A |
附框弧形模，可設(shè)計成全隱、半隱形式。 |
整體結(jié)構(gòu)變形要均勻，且剛度要求高。 |
夾角角度不能大，且角度變化不大。 |
立面、采光頂 |
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B |
合頁式單元板，全明框形式。 |
可適應(yīng)鋼結(jié)構(gòu)較大角度的變化和變形。 |
對于夾角的依賴性不大。 |
立面、采光頂、吊底 |
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C |
玻璃中空內(nèi)嵌壓塊，全隱框形式。 |
鋼結(jié)構(gòu)剛度要求高。 |
夾角角度不能大，且角度變化不大 |
采光頂 |
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D |
專利點支撐夾具，全隱點支形式。 |
鋼結(jié)構(gòu)剛度要求高。 |
對于夾角的依賴性不大，夾具可開模成不同角度。 |
立面、采光頂 |
3 世博博物館玻璃系統(tǒng)
3.1 歡慶之云表皮設(shè)計[2]
(1)建筑形態(tài)簡介
“歡慶之云”造型取云的形態(tài)所代表的未來、開放、瞬間的寓意，整體形態(tài)簡潔流暢，在建筑底部以三條云柱扭轉(zhuǎn)收分，形成逐級上升的動勢，具有強烈的未來感。在建筑中部，云柱扭轉(zhuǎn)展開，并相互聯(lián)系，逐漸于建筑頂部形成一個完整的曲線流暢的“歡慶之云”輪廓。整體“歡慶之云”形體以輕型鋼架支撐整體結(jié)構(gòu)，在幕墻細部處理上以三角折面的透明玻璃、彩釉玻璃形成漸變的立面肌理效果，與“瞬間”的設(shè)計概念相符合，也成為了整體建筑的中心。整個單體高34.8米，寬56.6米，長75.8米，建筑玻璃表皮面積約8242平方米。共3982個三角形玻璃單元板塊。
其中“歡慶之云”為單層異形網(wǎng)殼鋼結(jié)構(gòu)工程，以矩形鋼為主要支撐結(jié)構(gòu)截面，截面大小為80*180~300的矩形管，大部分焊接節(jié)點，部分為鑄鋼節(jié)點。根據(jù)空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程等相關(guān)規(guī)范要求，按照單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)控制屋蓋結(jié)構(gòu)短向跨度1/400 控制荷載標準值下的結(jié)構(gòu)撓度（詞條“撓度”由行業(yè)大百科提供）。工程施工時采取滿堂支撐施工，當(dāng)整體結(jié)構(gòu)剛度完全形成后再進行卸載后方可安裝幕墻。
(2)表皮數(shù)字化工作
表皮設(shè)計工作首先需要如何將三角形玻璃的數(shù)量、形狀大小、空間定位等物理數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和表達，為深化設(shè)計提供前提條件。此部分工作由建筑師和三維軟件程序員共同開發(fā)完成。借助rhino等軟件控制形體準確，在拉出形體大致輪廓后，借助插件grasshoper進行規(guī)整化處理，再利用python高級程序語言將云幕墻部分展開至平面，導(dǎo)出表格進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計。
實際上，通過計算機輔助，可將云不同部位的相鄰板塊之間的法線夾角、板塊面積大小、板塊邊長、板塊空間坐標定位、板塊數(shù)量和面積等數(shù)據(jù)全部統(tǒng)計成Excel表格，便于下一步分析和研究。
通過幕墻設(shè)計專業(yè)的介入，對板塊分格須進行優(yōu)化和調(diào)整，主要考慮在滿足建筑效果的前提條件下，針對玻璃生產(chǎn)的工藝性、經(jīng)濟性，以及幕墻規(guī)范的適應(yīng)性進行再次劃分，主要優(yōu)化原則如下：
1) 中空節(jié)能玻璃通常尺寸2400x3600，超出尺寸范圍造價高很多，調(diào)整所有板塊尺寸控制在此范圍內(nèi)，并保證一塊原件的最大利用率，降低造價。
2) 三角形玻璃銳角角度小于30度無法加工，采用均質(zhì)化迭代處理，減小過于尖角玻璃的數(shù)量。
3) 立面和屋面玻璃分格劃分進行多次迭代計算得到的網(wǎng)格每塊板塊尺寸近似相同，這樣的網(wǎng)格劃分空間效果均勻，同時也簡化了幕墻及鋼結(jié)構(gòu)后期施工過程，降低造價。
4) 采光頂規(guī)范JGJ255，規(guī)定采光頂玻璃板塊面積2.5平方米上限，嚴格控制分格尺寸和超過數(shù)量，并做好安全加強設(shè)計。
5) 上海市地規(guī)DGJ08-56，規(guī)定單層鋼化玻璃板塊在4.5平方米的上限，嚴格控制分格尺寸。
6) 上海市地規(guī)DGJ08-56，控制開啟扇面積1.8平方米上限，嚴格控制開啟扇分格尺寸。
7) 建筑玻璃應(yīng)用技術(shù)規(guī)程JGJ113，對于室內(nèi)抗人體沖擊規(guī)定了不同厚度玻璃的最大許用面積，嚴格控制分格尺寸。
8) 對于防火、防雷、虹吸排水等其他專業(yè)的要求進行劃分上的微調(diào)。
板塊優(yōu)化需要一個較長的反復(fù)過程，它涉及到建筑師的效果追求，玻璃的生產(chǎn)工藝，規(guī)范的安全要求，項目成本上的控制等眾多方面的影響。
3.2 三角形玻璃板塊設(shè)計
三角形玻璃板塊遍布項目單體表皮，分布在采光天頂、立面、吊底，具有空間任意多角度形態(tài)的特點;對于空間異形體主要考慮兩個方面的設(shè)計難點，一個是如何使用合理的構(gòu)造和優(yōu)化后采用合理且較少的模具種類完成平面內(nèi)從陰角90度到陽角90度的板塊造型變化，實現(xiàn)對建筑表皮空間造型的控制;另外一個是玻璃系統(tǒng)對于主體異型網(wǎng)殼鋼架結(jié)構(gòu)的變形平面內(nèi)、外的變形適應(yīng)性的設(shè)計，同時要兼顧板塊重力等安全問題。
經(jīng)過研究，我們發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)A將板塊的夾角變化的功能落實在玻璃附框的圓弧形模具上面，三角形玻璃板塊系統(tǒng)采用的是連續(xù)外部點壓多點固定的方式，它的適用特點為表皮玻璃板塊之間的夾角變化范圍不大(圓弧形模具可調(diào)角度有限)，一般適用于坡度不大采光頂或斜立面角度變化不大的幕墻立面系統(tǒng)。但是當(dāng)遇到像本項目中相鄰板塊表面玻璃品種(厚度)不一致、角度變化范圍大、特別是有吊底玻璃面的時候，這種框架式的構(gòu)造形式難以勝任，甚至有安全隱患。實際上，本案還有一個特點是異型鋼網(wǎng)殼主體結(jié)構(gòu)平面內(nèi)、外的變形都較大，玻璃板塊支撐構(gòu)造上也需要特殊處理。
設(shè)計團隊又考察了系統(tǒng)C、系統(tǒng)D的相關(guān)項目，發(fā)現(xiàn)針對鋼結(jié)構(gòu)變形大、建筑找形角度變化的情況，傳統(tǒng)的設(shè)計一時間難以勝任。
必須要有一種創(chuàng)新的設(shè)計思維來解決目前無已有案例借鑒的困境，通過研究和學(xué)習(xí)，設(shè)計團隊發(fā)現(xiàn)表皮上所有的玻璃板塊在重力豎直方向上主要是靠兩種基本形狀的三角形板塊組成。
采用玻璃單元板塊形式，通過玻璃板塊單元之間角度的變化設(shè)計來解決整體造型不同角度變化的問題是可行的，如下圖21，將玻璃與附框做成單元體形式，玻璃單元與支座采用類似合頁構(gòu)造點支式固定到主體鋼結(jié)構(gòu)上，而板塊之間的夾角可通過板塊固定點鉸支約束構(gòu)造完成。
另外，從主體鋼結(jié)構(gòu)變形數(shù)據(jù)整理和編程計算，得到在荷載工況下玻璃相鄰板塊之間平面外變形數(shù)據(jù)，結(jié)合板塊之間硅酮密封膠設(shè)計寬度的伸縮極限，確定邊玻璃單元框型材開模的數(shù)量和種類，在適應(yīng)平面外的變形的同時，完成對建筑表皮找形的控制。
玻璃單元板塊本身由明框嵌槽，并采用結(jié)構(gòu)膠做安全保障，可保證玻璃與附框共同位移，將玻璃與附框之間的平面內(nèi)位移變形轉(zhuǎn)換到玻璃單元板塊與主體支座上面的位移變形，同時，根據(jù)重力原理，在三角形板塊上面設(shè)置兩種支座類型約束，確保幕墻系統(tǒng)的玻璃平面內(nèi)位移的適應(yīng)性。最后設(shè)計考慮的平面內(nèi)變形指標可達1/100以上。如下圖：
如上圖，支座類型B也解決了板塊的重力問題，支座類型A用以解決平面內(nèi)變形問題，由于板塊和支座轉(zhuǎn)接件（詞條“轉(zhuǎn)接件”由行業(yè)大百科提供）之間采用軸銷鉸接，可使玻璃板塊位于空間任何位置仍然保證足夠的安全性，適用于全工況情況。
3.3 小結(jié)
對于三角形玻璃空間幕墻的設(shè)計，由于空間任意角度的關(guān)系，在設(shè)計思路上需要另辟蹊徑。首先研究主體結(jié)構(gòu)類型以及全工況下變形對于幕墻表皮的影響;對于玻璃形態(tài)和建筑找形的要求須依靠BIM技術(shù)，根據(jù)單塊玻璃的形狀考慮重力設(shè)計，通過建筑設(shè)計對外表面的明框、隱框、點式的表現(xiàn)形式要求，選擇設(shè)計系統(tǒng);重點分析相鄰玻璃板塊之間平面內(nèi)外變形的規(guī)律，確定系統(tǒng)構(gòu)造。
4 總結(jié)
一些特定的城市標志性或文化建筑，需要辨識度較高的建筑表皮語言將其理念或思想進行表達，建筑表皮在其中承擔(dān)著文化歷史傳承的重要作用。一些高端的商業(yè)建筑，需要特定的建筑符號進行定位，以造成效應(yīng)凝聚人氣。這就要求幕墻設(shè)計和材料運用有所突破，不得不承認對于幕墻設(shè)計師來說，面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。本文通過目前國內(nèi)正開始流行的建筑表皮三角形自由曲面天幕系統(tǒng)的介紹，以及具有相當(dāng)代表性特定項目玻璃表皮幕墻系統(tǒng)的技術(shù)方案剖析，授人以漁，展現(xiàn)攻克技術(shù)重點與難點的過程，為行業(yè)的技術(shù)進步打頭陣，開辟新的思路。
參 考 文 獻
[1] 董石麟，羅堯治，趙 陽; 大跨度空間結(jié)構(gòu)的工程實踐與學(xué)科發(fā)展，空間結(jié)構(gòu);2005.12.
[2] 上海世博搏物館 部分資料來源于 華東建筑設(shè)計研究總院設(shè)計團隊
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