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深度剖析上海中心大廈新型柔性懸掛幕墻系統

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中國最高建筑——上海中心大廈的幕墻系統采用了獨特的雙層幕墻系統,其中內幕墻沿樓面邊緣呈圓柱式布置,外幕墻平面呈圓角三角形,且呈現扭轉收縮上升的幾何形態,遠離主體結構懸掛在上下兩道加強層之間。由于外幕墻體量巨大、幾何形態不規則,且采用柔性的支撐結構體系,給外幕墻的分析、設計、建造帶來許多前所未有的技術挑戰。

1   工程概況

上海中心大廈位于上海浦東新區陸家嘴金融區,與金茂大廈和上海環球金融中心相鄰,為一棟多功能的摩天大樓,主要用于辦公用途,同時配有酒店、商業、觀光等其他公共設施。塔樓結構高度580m,建筑總高度632m。地上酒店區、辦公區、觀光區共124層,頂部設備用房5層,此外還有裙房7層,地下室5層,總建筑面積共58m2

塔樓主體結構采用巨型框架-伸臂-核心筒結構體系。巨型框架由8根巨型柱、4根角柱及8道位于加強層的箱形空間環帶桁架組成。巨型柱和角柱均為鋼骨混凝土柱,分別在8區頂部和5區頂部終止。兩層高的箱形環帶桁架既是抗側力體系巨型框架的一部分,也是建筑周邊次框架柱的轉換桁架。核心筒平面形狀沿高度根據建筑平面功能作相應調整,底部平面為30m×30m的方形布置,中部為切角方形布置,頂部為十字形布置。塔樓的248區共設置了6道兩層高的伸臂桁架。伸臂桁架將巨型柱與核心筒聯系起來,既能約束核心筒的彎曲變形,又能高效地利用周圍的8根巨型柱以減小結構的整體變形和層間位移。此外,各分區的加強層均設置了徑向桁架作為幕墻結構的支承系統。

上海中心大廈采用了獨特的內、外雙層幕墻系統,內幕墻沿著樓板邊緣呈圓柱式置。遠離主體結構且扭轉收縮向上的外幕墻系統是這座建筑區別于其他超高層建筑的顯著特點之一。外幕墻平面形狀呈一個三邊鼓曲、三角倒角的等邊三角形,在高度方向,繞著圓柱體樓面逐層旋轉、收縮向上,由此導致內外幕墻在空間上分離。整個外幕墻系統被外伸的設備層在垂直方向上分成相對獨立的9個區域(9區為塔冠區),每個區在內外幕墻之間形成寬度變化并向上延伸的1215層、高約5566m的流線形中庭空間。

外幕墻從底到頂經過120°的旋轉上升,創造了形態柔和、螺旋上升的錐體建筑形態,賦予了整個塔樓一個非常獨特標志性的造型和外部立面。整樓外幕墻總面積約13.5m2,共由17000余塊板塊組成。

2   幕墻建筑設計理念

上海中心大廈的建筑師創造性地設計了從未在超高層建筑中大規模使用的雙層獨立玻璃幕墻,內外兩層幕墻相互脫離,并只在休閑層與設備層相接,形成21個高挑、通透的中庭空間,使電梯轉換層(休閑層)被充分利用成“空中大堂”,如同“垂直”城市中的空中街區廣場,成為大樓各區的社交與配套服務中心,可以就“近”為空中大堂所連接的1215層的人們提供餐廳、銀行、商店等基本的配套服務,降低了人們下到地面的交通需求,既減少了麻煩,也降低了能耗。

另外,雙層獨立幕墻就像是大樓的兩層皮膚,兩層皮膚間的空間,通過通風設備的調節,可以在大廈內部和外部之間充當良好的緩沖帶,就像保溫瓶一樣發揮節能作用。

3   幕墻幾何形態

上海中心主樓的幾何外形在隨高度上升的過程中圍繞塔樓的幾何中心,同時發生旋轉和收縮兩種變化。對于構成主樓旋轉表皮的幾何元素,設計中從工程學和美學雙向角度,進行了反復論證優化。

4   風荷載研究

風荷載往往是幕墻設計的主要控制荷載,特別是對于上海中心大廈這種外立面比較復雜的超高層建筑,合理確定外幕墻設計的風荷載,對幕墻系統的安全尤為重要。

5   支撐結構系統設計

如何實現上海中心扭轉收縮上升的外立面幕墻是整個塔樓結構設計的一個關鍵, 該幕墻突出的特點是幾何造型非常不規則且與主體結構規則的幾何形態不匹配,幕墻遠離主體結構,同時對幕墻的視覺效果要求很高,在幕墻支撐體系的比選階段,曾提出了剛性三向網格支撐結構方案及水平桁架-吊桿方案。三向網格支撐結構方案的優點是結構變形小,施工難度較低,但是,該方案對建筑外立面影響較大,結構用鋼量大。水平桁架-吊桿方案,豎向采用吊桿,視覺通透性較好,但水平向桿件較多,嚴重影響中庭視覺效果。

基于幕墻通透輕盈的要求,最終采用了分區懸掛的柔性幕墻支撐結構體系,該體系可有效地協調外幕墻不規則的幾何形態和規則主體結構間的幾何關系,同時相對主體結構能在一定程度上自由變形,從而減小結構構件內力,優化構件截面與形式。各區幕墻支撐體系均為獨立的基本單元,并且采用相同的,由“吊桿-環梁-徑向支撐”組成的柔性懸掛式幕墻支撐結構體系。

6   幕墻及支撐結構節點設計

由于幕墻系統與主體結構之間會產生較大的豎向相對變形差,幕墻支撐與主樓的連接節點須有良好的吸收變形的能力。為此幕墻支撐結構與主體結構連接節點采用了一些吸收變形的構造措施,以保證幕墻系統正常工作。

1)底環梁豎向伸縮節點:該構造主要吸收變形量較大的主體結構的設備層變形、主體結構的壓縮變形、風荷載等引起的兩個設備層間相對豎向變形以及吊桿伸長變形,防止底層板塊系統受到擠壓而破壞。

2)徑向支撐與樓面結構連接節點

一般徑向支撐采用鉸接構造以吸收環梁與樓面的豎向位移差。對于長度很短的徑向支撐,其線剛度大,對其兩端的位移差非常敏感,采用滑動連接構造,以降低支撐因兩端的位移差所產生的次內力。

3)限位約束滑動構造

限位約束構造設置于幕墻與樓面相切處,為幕墻提供扭轉約束并允許幕墻相對主樓上下自由運動。

4)幕墻轉接件

幕墻轉接件構造主要調整支撐鋼結構自重和幕墻單元板塊自重作用下環梁的豎向不均勻變形。

5)板塊插接構造

上下兩層幕墻板塊插接構造主要吸收在重力荷載、風荷載、地震作用下幕墻板塊鋁框與支撐結構環梁間的相對變形,溫度作用下幕墻鋼吊桿與鋁框熱膨脹系數差異引起相對變形,以及幕墻加工、安裝時產生的誤差。

更多詳情請關注建筑結構201324期“上海中心大廈幕墻專欄”:

《上海中心大廈新型柔性懸掛式幕墻系統設計》,作者:丁潔民,何志軍,李久鵬,單位:同濟大學建筑設計研究院(集團)有限公司;《上海中心大廈懸掛式幕墻支撐結構設計若干關鍵問題》,作者:丁潔民,何志軍,李久鵬,胡殷,單位:同濟大學建筑設計研究院(集團)有限公司;《上海中心大廈幕墻支撐結構關鍵節點分析設計》,作者:何志軍,丁潔民,李久鵬,單位:同濟大學建筑設計研究院(集團)有限公司;《上海中心大廈幕墻支撐結構基于可建造性的若干設計研究》,作者:何志軍,單位:同濟大學建筑設計研究院(集團)有限公司。

作者: 來源: 發布時間:2014年01月10日
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