【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 X 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丫= EXP （Z X S）（其中Z =（幕墙定位标高一45）, S = -0.001 096）,计算出缩放比率丫值，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X 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%X TSL 至 D 点（在基准层平面34%X 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 1 20°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46X 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%X 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，每层板块的分格宽度相等且为矩形板块。随着高度的增加，由于平面的旋转使得上下层单元板块之间竖向缝隙产生偏移，增加了塔楼整体旋转上升时的韵律感（图10）。图10 标准层玻璃形状分布除V 形口外建筑平面轮廓为曲线造型，理论上存在的轮廓半径最大值R1 为92.848m（Z1-
C01 ），轮廓半径最小值R2 为10.253m （Z9 —C24）。根据建筑成形原则可知，采用折线拟合弧线以精确匹配幕墙轮廓数值，此外建筑不同标高平面轮廓始终以完全相同的等份数量来控制幕墙分格数量。由于建筑的这种特殊定位方式，使得塔楼从上至下的每层相邻单元板块之间的角度保持一个相同的数值。根据对建筑成形过程的分析可知，单元板块之间的角度根据一定的规律排布，如图11 所示，每层大半径圆弧R1 拟合板块间的角度为178.636°，小半径圆弧R2 拟合板块间的角度为173.800°；R1 与R2 之间过渡板块有两种不同角度，分别为178.474°和175.129°。在V 形口的两侧，由于建筑成形轮廓的变化，额外增加了几种角度，V 形
口左侧增加了 1 种：174.852°，右侧增加了3 种：175.846°、174.228°和177.824°。
图11 板块角度变化分析综合分析以上结果，兼顾同时提升内视效果、幕墙性价比、幕墙通用性原则以及提升加工、施工效率等，
178.636°与173.800°为数量最多的两种角度，为提高幕墙精度设计时采
用了179°和174°两种竖框，两者之间角度在插接翅片上吸收，使得无论实际角度如何，插接后竖框宽度始终保持不变，避免多种角度变化导致的视觉混乱。通过对其他几种角度的分析可知：其他几种角度均在上述179°和174°的±
2°范围内，且这些角度数量都很少，均为个别过渡位置。考虑到幕墙设计通用性原则，在充分保证建筑效果需求的基础上，采用专门的工艺组装单元板块，将其他几种角度在组装时控制角度变化，以吸收这种细微的角度偏差，在现场安装时同时考虑三维调整空间，以进一步匹配幕墙角度变化要求。从前面所述可知，由于幕墙每层轮廓线的缩小及偏转，创造出了凸台和凹台；同时根据凹凸台缝隙划分原则(随本层单元接缝)，综合考虑建筑效果，凹凸台面缝隙中线为单元板块之间夹角的法线。而为了同时匹配上一层幕墙，法线后端与上一层幕墙轮廓线的交点为凹凸台面的结束定位点，左右两侧交点的连线即为单元凹凸台面的结束线，如图12 所示。由于斜度的变化，从图中可以看出，法线两侧的角度不同，并不是平分角，左右角相差约1°。通过多方论证分
析，采用改变结构胶粘接厚度的方法来适应这种1°的偏差
变化是可行的，这也大大提升了幕墙单元的通用性，如图13 所示，图13 (a)对应174°竖框，图13 (b)对应179° 竖框。
图12 凸台前后端角度变化图13 竖直水槽角度变化节点
A1 幕墙立面效果为横明竖隐的形式，横向铝合金扣板表面
3 道银色氟碳喷涂处理。竖向铝合金护边板宽度6mm ，护边板表面 3 道银色氟碳喷涂处理。玻璃面至水平周边曲梁钢结构定位中心线距离为400mm ，玻璃采用超白半钢化Low-E 夹胶玻璃，超白玻璃视觉效果晶莹剔透，Low-E 镀膜可降低幕墙K 值，提升节能效果，夹SGP 膜层可提高安全性要求。风荷载作用通过玻璃面板传递给横竖框，承担荷载。下横框后端设置防结露加热水管及翅片散热装置，上设穿孔铝合金盖板，避免冬季结露。塔楼外幕墙通过多面体阶梯式玻璃平板创造出曲线状多面体且持续旋转向上的外
观效果。而玻璃面始终垂直，向上逐层缩小的平面轮廓创造出凸台平面；由于平面同时沿中轴心逐层旋转，又创造出凹台平面，并影响了凸台的尺寸。最大凸台及最小凹台均出现在一区设备层M2 层上端，最大凸台714mm ，最小凹台-108mm 。凹凸台面采用
1.5mm 厚不锈钢板作为面材，表面锻纹处理。凸台面带有5°的倾斜，有利于排走凸台面积水。不锈钢板下端及接缝位置设置防排水板，保温岩棉，防雨声干扰的吸音材料以及用于连接竖向玻璃单元板块的钢牛腿，接缝位置设置满足板块伸缩要求的防排水体系。靠室内侧采用 4.5mm 铝板吊顶，封修保证视觉效果。A1 幕墙后