【BCW】上海中心大厦外幕墙工程设计

【BCW】上海中心大厦外幕墙工程设计

上海中心大厦建筑外观呈螺旋状上升。由主楼底部起始做平面旋转的建筑表皮，因建筑平面设计有一处凹口，使得在外幕墙上呈现V形凹槽，就此由底部旋转至顶部塔冠。从空中俯瞰，632m 上海中心大厦非对称的卷折式顶部造型，与421m 高金茂大厦的点状皇冠顶部及492m 高环球金融中心的现状合拢顶部相互辉映，刷新和重组了上海的天际线（图1）。

图1 上海中心大厦效果图

上海中心大厦优美的建筑形态究竟如何成形？又有哪些特点？真正承担建筑外围护的外幕墙各系统究竟如何构成？又有哪些关键数据？基于这些问题，本文从幕墙设计的角度分析上海中心大厦的建筑几何形态成形以及幕墙系统组成。

1 建筑几何形态分析上海中心大厦外幕墙（A 幕墙）形态复杂，其成形过程是依据建筑设计定义的一套成体系的原则及公式，幕墙设计必须正确理解建筑几何形态成形理念，并以此为基础作为整个上海中心大厦建筑幕墙设计的原点，才能正确地深化设计出塔楼外幕墙体系。根据对建筑形态组成的理解，整个形态成形可以分部分项地拆解为：建筑基准平面成形（含V 形口）、分格尺寸成形、实际楼层平面成形、单元板块成形、凹凸台面成形等。此外结合结构设计要求，与

外幕墙匹配的幕墙支撑钢结构也有一套完整的成形及定位

原则，此问题将在后续文章中详述。1.1 塔楼外形整体几何分析如图2所示，上海中心大厦塔楼外形整体几何形态可简单描述为以下 5 个控制要点。图2 塔楼外形整体几何分析（1）确定四个基准平面的外形尺寸。根据建筑所给的定位原则及参数确定±0m、45m、605m和632m 标高处的典型标高平面外形。（2）确定建筑的起始旋转方位。要求塔楼±0m 标高处建筑平面外形“V”口的起始角度为正南方向顺时针旋转50°。（3）确定建筑的旋转角度。把建筑总高632m 等分为632000 份，得到每一个单位高度建筑旋转角度为120/605 000 ＝0.000 214 286°，建筑自身总体旋转

135.429°，相应标高Z 的旋转角度R ＝Z×0.000214 286°。（4）确定幕墙板块标高处平面外形缩放。根据招标图平面缩放公式Y ＝EXP（Z×S）（其中Z ＝（幕墙定位标高－45），S ＝-0.001 096），计算出缩放比率Y 值，依次类推，完成所有层的平面外形尺寸建模。（5）在已有平面外形图的基础上完成A 型幕墙的平面分格定位，通过定位点最终生成带立面分格线的精准三维线框图。1.2 塔楼建筑几何形态成形过程简述塔楼建筑几何形态分为基准平面成

形与实际标高平面成形，基准平面及平面分格成形分为以下几个步骤。（1）选取平面上一点定为WP1，由WP1画直线47 565mm 确定WP2 点，分别由WP1、WP2 两点作夹角

为60°、23.3°射线，交点定为WP3点。（2）以WP2 点为圆心、88380mm 为半径作夹角为46.6 °圆弧段，再以WP1 为圆心，将圆弧段分别按顺时针和逆时针旋转120°，形成三段圆弧。（3）以WP3 点为圆心，以R2 为半径作圆弧段，确定三段小圆弧与大弧段连接，形成类三角平面。（4）利用软件取基准外形轮廓线等弦长均分138 份×TSL；在基准层平面TSL=2 104.093mm。（5）选取下方的小圆弧段，以小圆弧中点为基准起点作半径R＝2104.093mm 的圆，等弦长切出六等份TSL取圆与弧线的交点A、B，作与对称线夹角为95°的连线，形成“V”口的外形尺寸。（6）确定完整的基准平面轮廓，如图3所示。图3 基准平面几何轮廓（7）以点 C 为基准点，沿逆时针方向偏移34%×TSL 至D 点（在基准层平面34%×TSL=715.392mm）。（8）与V 型口定位原则相结合，形成外幕墙定位点，内圈为钢结构定位中线。（9）基准层V 口两侧各均分4份。（10）把在轮廓圆弧线上定位好的各点用直线段连接起来，形成基准平面轮廓线，如图4所示。图4 基准平面基准点定位图

（11）幕墙实际标高平面成形过程结合了建筑设计提供的公式，按规定比率进行缩放和旋转，从而得到实际标高平面，如图5所示。

图5 建筑外形缩放及旋转比率

1.3 塔楼玻璃及不锈钢板面成形过程简述A1 系统玻璃面成

形原则相对简单，以本层幕墙实际标高平面为本层的定位基准面，板块分隔线垂直于水平面，与上一层定位基准平面自然形成凹凸台面。A2 系统玻璃面则存在于V 形口左右两侧，分别以本层和上一层的控制点进行定位，以满足V 形口连续性设计要求，如图6所示。凹凸台面不锈钢板则根据建筑层与层之间的相对关系以及建筑节点详图中的限位尺寸进行设计，并最终形成完全匹配建筑外幕墙形态的设计。图6 V形口及不锈钢板面成形

2 建筑组成及外幕墙类型划分2.1 建筑组成分析如图7所示，上海中心大厦塔楼建筑由土建主体结构（包括核心筒、巨型柱、主体桁架结构以及楼板）＋内层幕墙+ 外幕墙支撑钢结构＋外层幕墙组成。塔楼外幕墙从下至上又根据其不同位置、特性及功能被划分为若干种不同的幕墙类型。

图7 建筑组成分析

2.2 外幕墙类型划分建筑设计将塔楼从下至上划分为9 个区段，其中一区位于建筑底层（裙房部位），二至八区为建筑平面旋转和收拢的标准区域，九区位于塔冠位置。塔楼外幕墙类型划分依据所在位置及功能的不同进行，包括了

A1 ～A5 共5 种不同的幕墙类型，其所在位置及具体特性如图8所示，涵盖了塔楼从一区至九区的所有幕墙体系。各区单元数量及分布如表1所示。

图8 塔楼幕墙系统分布3 幕墙系统类型详解3.1 A1 幕墙系

统：标准层大面玻璃幕墙系统（1）所在位置：塔楼二至八区中庭。（2）分格尺寸立面标准分格宽：2 120mm（二区一层）～ 1 235mm（八区十五层），渐变尺寸；立面标准单元高：4 500mm（二至六区相同），4300mm（七、八区相同）；凹凸台标准宽度：最大凸台544mm，最小凹台-80mm（二区一层）（图9）。

图9 标准凸台位置单元布置

（3）外墙特性塔楼二至八区的中庭包含了A1、A2 两种系统，除V 形口内侧的A2 系统外，其余均为A1 系统的范畴。通过建筑几何轮廓尺寸定位及板块划分原则可知，建筑每层平面上的A1 幕墙由两种不同半径的圆弧按一定的规

则结合形成，再由95°的V 形口相切后形成A1 幕墙的起点和终点。平面上标准120°的范围内，A1 幕墙被划分为等弦长的46 份，若不考虑V 形口，360°范围内A1 幕墙板块被划分成等宽度的46×3=138份；由于V形口的存在，A1 幕墙每层单元板块扣除6 块，为132块。几何定位原则中，将板块划分点沿着逆时针方向偏转该层弦长的34%，即偏转距离为34%×TSL，这种偏转导致增加了两个额外的板块规格，即板块数量变成133 块。而在内外层幕墙交接位置，一个板块被等分为两份，一层平面范围内有三处这种情况；因此，A1 幕墙标准层单元板块数量为136块。而且除了起点、终点以及内外层交接位置外，每层板块的分格宽