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深度剖析上海中心大厦新型柔性悬挂幕墙系统

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中国最高建筑——上海中心大厦的幕墙系统采用了独特的双层幕墙系统,其中内幕墙沿楼面边缘呈圆柱式布置,外幕墙平面呈圆角三角形,且呈现扭转收缩上升的几何形态,远离主体结构悬挂在上下两道加强层之间。由于外幕墙体量巨大、几何形态不规则,且采用柔性的支撑结构体系,给外幕墙的分析、设计、建造带来许多前所未有的技术挑战。

1   工程概况

上海中心大厦位于上海浦东新区陆家嘴金融区,与金茂大厦和上海环球金融中心相邻,为一栋多功能的摩天大楼,主要用于办公用途,同时配有酒店、商业、观光等其他公共设施。塔楼结构高度580m,建筑总高度632m。地上酒店区、办公区、观光区共124层,顶部设备用房5层,此外还有裙房7层,地下室5层,总建筑面积共58m2

塔楼主体结构采用巨型框架-伸臂-核心筒结构体系。巨型框架由8根巨型柱、4根角柱及8道位于加强层的箱形空间环带桁架组成。巨型柱和角柱均为钢骨混凝土柱,分别在8区顶部和5区顶部终止。两层高的箱形环带桁架既是抗侧力体系巨型框架的一部分,也是建筑周边次框架柱的转换桁架。核心筒平面形状沿高度根据建筑平面功能作相应调整,底部平面为30m×30m的方形布置,中部为切角方形布置,顶部为十字形布置。塔楼的248区共设置了6道两层高的伸臂桁架。伸臂桁架将巨型柱与核心筒联系起来,既能约束核心筒的弯曲变形,又能高效地利用周围的8根巨型柱以减小结构的整体变形和层间位移。此外,各分区的加强层均设置了径向桁架作为幕墙结构的支承系统。

上海中心大厦采用了独特的内、外双层幕墙系统,内幕墙沿着楼板边缘呈圆柱式置。远离主体结构且扭转收缩向上的外幕墙系统是这座建筑区别于其他超高层建筑的显著特点之一。外幕墙平面形状呈一个三边鼓曲、三角倒角的等边三角形,在高度方向,绕着圆柱体楼面逐层旋转、收缩向上,由此导致内外幕墙在空间上分离。整个外幕墙系统被外伸的设备层在垂直方向上分成相对独立的9个区域(9区为塔冠区),每个区在内外幕墙之间形成宽度变化并向上延伸的1215层、高约5566m的流线形中庭空间。

外幕墙从底到顶经过120°的旋转上升,创造了形态柔和、螺旋上升的锥体建筑形态,赋予了整个塔楼一个非常独特标志性的造型和外部立面。整楼外幕墙总面积约13.5m2,共由17000余块板块组成。

2   幕墙建筑设计理念

上海中心大厦的建筑师创造性地设计了从未在超高层建筑中大规模使用的双层独立玻璃幕墙,内外两层幕墙相互脱离,并只在休闲层与设备层相接,形成21个高挑、通透的中庭空间,使电梯转换层(休闲层)被充分利用成“空中大堂”,如同“垂直”城市中的空中街区广场,成为大楼各区的社交与配套服务中心,可以就“近”为空中大堂所连接的1215层的人们提供餐厅、银行、商店等基本的配套服务,降低了人们下到地面的交通需求,既减少了麻烦,也降低了能耗。

另外,双层独立幕墙就像是大楼的两层皮肤,两层皮肤间的空间,通过通风设备的调节,可以在大厦内部和外部之间充当良好的缓冲带,就像保温瓶一样发挥节能作用。

3   幕墙几何形态

上海中心主楼的几何外形在随高度上升的过程中围绕塔楼的几何中心,同时发生旋转和收缩两种变化。对于构成主楼旋转表皮的几何元素,设计中从工程学和美学双向角度,进行了反复论证优化。

4   风荷载研究

风荷载往往是幕墙设计的主要控制荷载,特别是对于上海中心大厦这种外立面比较复杂的超高层建筑,合理确定外幕墙设计的风荷载,对幕墙系统的安全尤为重要。

5   支撑结构系统设计

如何实现上海中心扭转收缩上升的外立面幕墙是整个塔楼结构设计的一个关键, 该幕墙突出的特点是几何造型非常不规则且与主体结构规则的几何形态不匹配,幕墙远离主体结构,同时对幕墙的视觉效果要求很高,在幕墙支撑体系的比选阶段,曾提出了刚性三向网格支撑结构方案及水平桁架-吊杆方案。三向网格支撑结构方案的优点是结构变形小,施工难度较低,但是,该方案对建筑外立面影响较大,结构用钢量大。水平桁架-吊杆方案,竖向采用吊杆,视觉通透性较好,但水平向杆件较多,严重影响中庭视觉效果。

基于幕墙通透轻盈的要求,最终采用了分区悬挂的柔性幕墙支撑结构体系,该体系可有效地协调外幕墙不规则的几何形态和规则主体结构间的几何关系,同时相对主体结构能在一定程度上自由变形,从而减小结构构件内力,优化构件截面与形式。各区幕墙支撑体系均为独立的基本单元,并且采用相同的,由“吊杆-环梁-径向支撑”组成的柔性悬挂式幕墙支撑结构体系。

6   幕墙及支撑结构节点设计

由于幕墙系统与主体结构之间会产生较大的竖向相对变形差,幕墙支撑与主楼的连接节点须有良好的吸收变形的能力。为此幕墙支撑结构与主体结构连接节点采用了一些吸收变形的构造措施,以保证幕墙系统正常工作。

1)底环梁竖向伸缩节点:该构造主要吸收变形量较大的主体结构的设备层变形、主体结构的压缩变形、风荷载等引起的两个设备层间相对竖向变形以及吊杆伸长变形,防止底层板块系统受到挤压而破坏。

2)径向支撑与楼面结构连接节点

一般径向支撑采用铰接构造以吸收环梁与楼面的竖向位移差。对于长度很短的径向支撑,其线刚度大,对其两端的位移差非常敏感,采用滑动连接构造,以降低支撑因两端的位移差所产生的次内力。

3)限位约束滑动构造

限位约束构造设置于幕墙与楼面相切处,为幕墙提供扭转约束并允许幕墙相对主楼上下自由运动。

4)幕墙转接件

幕墙转接件构造主要调整支撑钢结构自重和幕墙单元板块自重作用下环梁的竖向不均匀变形。

5)板块插接构造

上下两层幕墙板块插接构造主要吸收在重力荷载、风荷载、地震作用下幕墙板块铝框与支撑结构环梁间的相对变形,温度作用下幕墙钢吊杆与铝框热膨胀系数差异引起相对变形,以及幕墙加工、安装时产生的误差。

更多详情请关注建筑结构201324期“上海中心大厦幕墙专栏”:

《上海中心大厦新型柔性悬挂式幕墙系统设计》,作者:丁洁民,何志军,李久鹏,单位:同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司;《上海中心大厦悬挂式幕墙支撑结构设计若干关键问题》,作者:丁洁民,何志军,李久鹏,胡殷,单位:同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司;《上海中心大厦幕墙支撑结构关键节点分析设计》,作者:何志军,丁洁民,李久鹏,单位:同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司;《上海中心大厦幕墙支撑结构基于可建造性的若干设计研究》,作者:何志军,单位:同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司。

作者: 来源: 发布时间:2014年01月10日