【BCW】上海西康路189弄——“世界最美购物中心”幕墙的诞生

▲ 铝板幕墙的立面展开图

幕墙系统的设计和施工

1.特殊铝板的固定方式

作为本项目最有特色的菱形铝板系统，在固定、安装和受力方面都有许多非常规的做法。首先，在玻璃幕墙外侧的铝板体系由于承受了较大的风荷载和自重荷载，在设计时，我们有意地将铝板体系的龙骨与玻璃幕墙的龙骨脱开，采用T形钢立柱与楼板处的混凝土梁固定。这样玻璃幕墙的龙骨不会因为铝板传递过来的风荷载和自重而产生额外的应力和变形，在受力体系上更为简便也更加可靠。

▲ 典型的带有三层铝板盒子的板块大样图

▲ 典型的带有三层铝板盒子的节点图

所有二至四层镂空位置的铝板均采用焊接成型的铝板盒子，这些铝板盒子有平行于墙面和垂直于墙面两种摆设方式。并且随着建筑立面的变化，铝板盒子的层数由一层逐渐过渡到三层。建筑师希望这些铝板盒子的固定尽量小巧美观，为了在达到建筑效果的同时保证结构的安全，我们设计出一种带有多个连接角度的不锈钢转接件，该不锈钢转接件通过内螺纹固定在一根不锈钢棒上。在需要连接铝板盒子的位置安装一系列可调节角度的套筒，铝板盒子的角部在加工厂内安装了一个内置、可转动的接驳头，套筒上固定件与铝板盒子中的内置接驳头通过带有内六角的螺杆紧密连接。为了保证安装的精度，所有的不锈钢连接件均采用机加工而不是常规的铸造件。

▲ 支撑铝板盒子的不锈钢棒系统

装饰铝板的安装精度要求非常高，几乎每一块装饰铝板都需要安装到理论的位置，整体偏差不应超过2mm。在施工期间，施工单位首先按照1:1精确建模，将T形钢、不锈钢棒、装饰铝板全部建成三维模型，然后根据三维模型，生成T形钢和不锈钢棒的安装定位图，保证T形钢和不锈钢棒的整体安装精度，其中T形钢的左右偏差和上下偏差控制在2mm以内，不锈钢棒的前端偏差，上下、左右和前后偏差控制在2mm以内，远高于常规铝板幕墙的5mm偏差要求，这样就保证了整个项目整体的偏差是可控的。而铝板盒子的安装可调节范围在±5mm，故T形钢和不锈钢棒的2mm误差是完全可以消化的。铝板盒子的安装遵循整体布控、局部可调的原则进行。整体布控即按照一定的距离（3个T形钢间的距离）控制，误差不累计，所有的误差在此控制距离内消化；局部可调即在此控制距离内主要通过T形钢和不锈钢棒的安装精度来控制装饰铝板的安装精度。

▲ 机加工的不锈钢棒与套筒

为了保证这些渐变和异形的铝板在安装过程中能满足如此高的精度，主要采用以下的技术手段：首先所有的骨架全部在三维软件中建模，并根据龙骨在空间的位置确定骨架的安装定位点；其次所有的龙骨都需要生成三维的加工图，因为每一个龙骨有可能都是不一样的，曲面部分的龙骨每一根骨架的曲率都不一样，单根骨架的曲率也是变化的，所以加工过程中，每一根骨架都1:1放样加工。在设计阶段，确定每一根龙骨以及每一个连接节点的空间，这样的做法对施工单位的要求非常高，但却是保证铝板、玻璃都能安装在理论位置的关键。如果给每一个连接节点过多的自由调节，虽然也能完成项目的安装，但是精度以及接缝的大小可能会与理论值有较大的差距。

2.铝板的结构分析

对于这种特殊的铝板连接形式，必须经过仔细的结构计算和分析。因为本项目铝板的变化非常多，我们使用通用有限元计算软件Strand7对该系统进行模拟，并选取了一个有代表性的区域进行有限元分析。在有限元建模中，采用带有8个节点的板壳单元来模拟铝板盒子，为了保证建模的精确，将铝板盒子的六个面全部建模。不锈钢棒也同样使用板壳单元进行建模。不锈钢棒与铝板盒子之间的连接采用link单元，用于传递位移和反力。下图是在设计过程中进行的有限元建模和相应的结果分析。从结果中可以看出，采用这种新颖的连接方式的铝板盒子，在连接点位置的受力为铰接形式，剪应力和拉应力均在合理的受力范围内。同时因为铝板体系中的不锈钢棒与横向和纵向的铝板盒子形成了一个空间体系，不锈钢棒在强度满足风荷载和自重荷载的情况下，其侧向的稳定性也由于多层铝板盒子的支撑有了提升。有限元的结果分析显示铝板的变形值也在合理的范围内。

通过对本项目铝板体系的结构分析，我们对此系统的安全性也更加了解和有了充足的信心。

▲ 铝板的有限元分析模型

▲ 铝板的应力分析结果

▲ 铝板的变形分析结果

3.铝板后侧的玻璃幕墙设计

本项目二层以上的玻璃幕墙基本都是安装在装饰铝板后的。如何解决玻璃幕墙与铝板之间的构造和受力关系是设计过程中需要解决的主要问题。由于铝板体系的构造和受力已经非常复杂，如果将铝板的连接件和不锈钢棒直接固定在玻璃幕墙的龙骨上，安装时需要将连接件提前固定在玻璃幕墙的龙骨上，则玻璃幕墙的安装精度会直接影响以后铝板的安装。如果玻璃幕墙的龙骨同时需要承受铝板所传递的荷载，则玻璃幕墙的龙骨变形也会对铝板的变形产生影响。本项目采用了铝板体系与玻璃幕墙体系完全脱离的做法：所有的铝板体系的龙骨直接固定在结构梁上，而玻璃幕墙则采用顶底固定在上下楼板间的“单元窗”形式。

▲ 典型的单元窗顶底连接节点

▲ 可以允许单元窗竖向变形的顶部附框

单元窗的竖龙骨采用与单元式幕墙相同的公母立柱，而底横梁才用坐地式的对插型材，其中水槽料直接固定在与楼板相连的钢龙骨上，并通过横滑料的连接形成一个连续的排水槽。顶横梁与固定在吊顶位置的附框插接咬合，该附框的后侧可以通过螺钉直接拆卸。在安装时，所有的层间部分，包括水槽料、顶部的附框以及层间的保温和防水构造都先于单元窗安装。单元窗在安装时可以先把板块倾向一个角度后将底横梁与水槽料插接，再将单元窗竖直，直到其顶横梁转动到顶部附框位置后把附框后部的卡口型材用螺丝锁定。

固定好的单元窗不仅可以适应建筑物因层间变位引起的位移，而且可以做到在不拆除室外铝板的情况下更换室内玻璃。由于公母立柱之间相互插接，在拆卸单元窗时需要通过夹具让单元窗的板块移到一侧直到公母立柱之间搭接的部分完全脱离后方可松开固定顶横梁的附框卡口，将单元窗的板块向内倾斜后将其完全拆卸。

▲ 单元窗的拆卸示意图

结语

对于一个复杂的、非常规的幕墙体系，从设计阶段开始就需要仔细研究其建造和使用的可行性。在上海西康路189弄项目复杂外立面设计中，所有细节的出发点都围绕如何将外观、性能和安装结合在一起，最终取得了令人满意的效果。

作者简介

钱学昆，英海特工程咨询有限公司董事长，英国幕墙工程师学会会员，上海幕墙标准委员会成员。有 15 年以上幕墙和土木工程的经验，具有优异的幕墙系统、结构分析、张拉结构、砌体结构和热工分析等方面的经验和技能。幕墙设计代表作品：西康路 189 弄项目、上海越洋广场和璞丽酒店、上海恒隆广场二期、上海世博中心、上海平安金融大厦、上海太平金融大厦、上海闵行丰树园项目、上海万通新地虹桥项目、清华大学苏世民学院、上海桃浦科技智慧城一期项目、上海临港科技城 A0202 地块项目、深圳华为松山湖研发基地、SOHO 虹口广场、长宁来福士广场、上海万科七宝商业项目等。

注：本文系原创，已刊登在《建筑幕墙》2018年12月总第10期杂志中。

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