摘要：上海风塔项目，采用了与上海中心外幕墙相同的大跨度悬挑单层幕墙钢网壳体系，是幕墙钢结构表皮与幕墙面层一体化设计的典范。单层钢网壳采用创新装配式液压整体提升工艺，提 高了安装效率，保证了安装精度。外侧单元板块采用三角形单元设计理念，通过正三角形双公料板块及倒三角形双母料板块，配合特殊定制的模压胶条、插接部位的细节处理及异形定制挂件系统，实现了对大变形柔性钢结构表 皮的构造适应及建筑美观性能的双重保证。项目全过程采用了数字化BIM技术，结合数字化钢结构变形分析、现场空间测量定位、高精度机加工等技术，完美实现了建筑神针定海的挺拔造型。
关键词：大跨度悬挑单层网壳、装配式、整体提升、三角形单元、数字化、高精度机加工
1.引语
上港十四区项目位于上海市宝山区长江入海口，包括风塔、风塔管理楼、音乐厅、酒店及办公楼五个单体建筑。其中风塔高180米，整体为圆柱造型，外立面材料主要为玻璃，通过三角形单元板块拼接模拟实现了建筑 光滑的圆柱造型。结构体系上采用了与上海中心外幕墙相同的大跨度悬挑单层幕墙钢网壳体系，所以这个项目又被称为“小上海中心”
鸟瞰效果图
2.项目特点及难点分析
(1)幕墙表皮分格的划分及圆柱造型的实现
风塔高180米，直径 26.5 米，为细长的圆棒造型。在36米和136米标高处，分别有玻璃和搪瓷板材质的异形金箍造型，最终形成建筑金箍棒的造型。建筑表皮需要以三角形为基础元素，通过正三角和倒三角的拼接，实 现建筑表皮的圆弧光滑效果。
(2)主体结构的特点与幕墙表皮的生根
传统的玻璃幕墙会生根在建筑每层的边梁上，荷载传递路径为面板的荷载传递到横梁和立柱，立柱通过转接件将荷载传递到结构边梁上。本项目作为风塔，区别于传统办公建筑，内侧核心筒与外侧玻璃幕墙之间有较大 间隙，可用于幕墙生根的环形梁间距较远，无法采用传统幕墙做法。需要在幕墙与核心筒之间设置单层异形钢网壳，作为幕墙面板的生根点。
建筑元素的拆分
(3)单层筒状异形钢网壳的实现
网壳钢架分格与外侧玻璃幕墙相同，均为三角形的重复出现。每个交接节点有6个杆件交汇，汇交节点采用插板形式，结构异形，焊缝集中，对拼装精度要求很高。
单层钢网壳
(4)幕墙板块对单层网壳变形的吸收
单层钢网壳悬挂在主体结构外侧，最大跨度达到44米，钢网壳的变形相比传统主体结构变形更大，固定在钢网壳外侧的玻璃面板需要在构造上进行特殊设计，用于吸收超大的变形。
单层钢网壳变形示意
(5)对加工精度和施工措施的超高要求
三角形单元的拼接和筒状网壳的实现都涉及到空间点的多点交汇，对加工和安装精度要求都很高。同时可用于单层钢网壳生根的结构环梁间距最大有44米，怎样将单层钢网壳安装到位对施工措施有很高的要求。
(6)新型材料的使用
本项目在36米标高部位使用了超大彩色弧形玻璃，彩色PVB胶皮及4.4米弧长，2.9米半径的超大弧长、超小半径，对玻璃的设计、加工及安装提出了很高的要求。
在136米部位，为了保证隧道着火的情况下，出风口部位可能出现的250°的温度不会对外侧的百叶片产生影响，百叶片采用了5毫米不锈钢材质，同时为了符合建筑釉面亮色的效果，不锈钢百叶片采用了新型搪瓷工艺 进行处理。
彩色弧形玻璃 搪瓷不锈钢板
3.空间网壳与幕墙表皮的一体化设计
因为主体可以用于幕墙生根的结构高度方向跨度很大，最大达到44米，传统的基于层间梁生根的幕墙板块固定方式在本项目无法实现，幕墙需要设置辅助受力体系，用于幕墙面板的生根。用于实现超大跨度的结构方式 很多，比如传统的钢龙骨体系、钢桁架体系、索结构、组合系统等。考虑到整个效果的美观性和结构受力的安全性，钢网壳系统成为了最终的选择。这样整个面层分为两层，内层的钢网壳用于超大跨度的传力，外侧的幕墙板块 用于表皮保温、防水、隔音等各项性能的实现。
(1)外侧幕墙玻璃板块的设计
外侧幕墙玻璃板块为单元板块，板块的设计需要解决板块的分格划分、挂接、防水、插接处理等技术难题。
①平行四边形单元板块和三角形单元板块的选择
传统单元板块均为四边形板块，四边形板块在板块挂接及防水处理方面更加成熟。假定本项目也采用四边形板块，为了实现圆弧造型的效果，四边形板块为非共面板块，是由两个不共面的三角形拼接而成。经过分析， 两个三角形板块之间的夹角为174.8°。通过对平行四边形板块进行建模分析，发现为了实现空间平行四边形的效果，大部分的幕墙龙骨杆件需要切空间二面角，对加工和组装的精度要求很高，且拼接点会出现缝隙或者高低差等 缺陷，影响美观效果和防水性能。
空间平行四边形建模分析
最终本项目采用了三角形单元板块，每层72个三角形板块——36个正三角板块+36个倒三角板块，底边2310mm，高4000mm;
三角形单元板块
正三角竖框采用双公竖框设计，倒三角采用双母竖框设计，保证单元板块32°的尖角部位型材拼缝整齐;
对比平行四边形板块，采用三角形板块的优点：
Ø 板块处在同一平面上，加工简单;
Ø 组框工艺简单，拼缝整齐，水密气密性好;
Ø 板块小，便于运输和吊装;
Ø 相邻板块挂点在同一平面内，定位容易;
②三角形单元挂接系统设计
考虑到板块对于主体结构的变形适应，挂件均为垂直布置。设计时考虑了微调节和释放弯矩等因素，采用了铝合金转接件和铝合金挂件组合的挂件系统。
三角形单元挂接系统
如上图所示，每个三角形板块采用四个挂件系统。单元幕墙的斜的铝合金柱通过铝合金转接件的转接，最终与垂直的铝合金挂件连成一体，铝合金转接件在中间起到传力功能的同时，还要有斜向转垂直的能力。我们为 此设计了一款特殊转接件(如下图所示)。此转接件需要由一块6063-T6铝型材铣切而成，以保证其受力性能;
转接件详图
③三角形单元板块的防水设计
通过BIM放样和实体样板，对三角形单元板块的防水进行分析，相邻6个板块交接的部位是防水的薄弱环节。
BIM分析实体小样分析
经过分析，六个三角形交接于一点，该部位会形成一个贯穿空隙，相比普通矩形单元板块，该空隙更大，形状更复杂。为了排除这个漏水隐患点，我司对空隙部位采用模压胶条进行封堵。
交汇部位的模压胶条设计
④三角形板块的加工及组角拼接
三角形单元板块的铣切工艺比较复杂，需考虑多方面因素，例如主型材两端的二面角及三角形锐角拼接位置16.1°的小切角，对工艺的精度的要求极高，加工难度较大。需经过切两端二面角、切两端16.1°小夹角、局部 铣切及钻孔等工序。
型材加工
加工完成的型材在工厂进行组框，其中三角形两个公立柱或者两个母立柱组框的部位是本项目的难点，需借助铝角码进行组框。组框详图如下：
组框示意图
⑤实体样板
通过1:1实体样板的制作，论证了所有技术方案的可行性，改进了构造做法。
实体样板
(2)单层网壳的设计要点
单层网壳做为幕墙表皮的生根钢架，其分格与外侧玻璃幕墙相同，钢网壳与幕墙龙骨形成内外双层龙骨表皮。钢网壳的加工及安装精度至关重要，影响到室内和室外的效果，较大的误差会引起内外两层皮错位的效果。本项目通过以下措施来保证钢网壳的精度：
①多点交汇部位的处理
因为是三角形拼接网筒，每个交接节点为6个杆的拼接，为了保证加工及施工精度，杆件交接部位采用插板进行拼接。杆件采用5自由度多功能机器人进行杆件的端头加工，采用火焰切割或等离子切割实现。5自由度混 联模块配备360度回转机架，可多工位连续作业。
钢架节点 加工质量控制
②网壳的空间定位
以BIM模型为基础，提取空间网壳的定位数据，通过空间测量定位技术进行杆件的定位，确保网壳的精度。施工完成之后进行钢架的复测，将测量数据返回BIM模型，进行模型的修正。
③基于BIM模型的空间钢架结构应力及变形分析
以风洞试验报告为荷载依据，根据空间网架的生根方式进行桶状网壳结构的受力分析。
风洞试验报告 钢网壳变形分析
④网架的生根节点设计
网壳高度方向生根点间距很大，最大高度44米，整个网架为吊挂柔性网壳体系。通过上部铰接节点和下部滑动节点的特殊构造设计，保证了整个桶状网壳结构的变形和受力。
网壳生根
(3)柔性网壳的变形及单元板块的适应性设计
经过分析，单层网壳在最不利荷载组合下的位移数据如下：
以以上结构变形数据为依据，对单元插接构造进行特殊设计，加大单元板块的搭接和伸缩距离，保证在极限情况下幕墙表皮物理性能的完整性。
单元板块构造设计
4.装配式整体提升工艺在施工中的应用
随着建筑装配式技术的发展，装配水平逐步提升，装配单元越来越大。以单层网壳结构为例，早期单层网壳装配单元主要按照左右立柱及两根立柱之间的横梁组成一个装配单元，俗称“梯子”，梯子安装完成后，梯子 之间的横杆后装，减少现场的焊接，如苏州中心大鸟屋面的单层网壳结构。
苏州中心大鸟屋面单层网壳钢架安装
本项目因为主体结构和外层钢架脱离，传统的小块拼装不容易操作。最终经过技术论证，决定采用地面拼装，整体提升的方案。在正负零位置进行钢架的拼装，以 8m(两层)为一个拼装单元，拼装完成后提升8m，再次 拼装8m连接至已提升单元，累积提升，直至分段整体拼装完成，整体提升到位。本项目分三个阶段进行提升：
提升阶段一：
提升设备安装于136m层，提升92-136m段幕墙钢结构，提升钢架高度44米。
提升阶段二：
提升设备安装于88m层，提升48-88m段幕墙钢结构，提升钢架高度44米。
提升阶段三：
提升设备安装于36m层，提升0-36m段幕墙钢结构，提升钢架高度36米。
网壳整体提升过程
5.数字化技术的应用
数字化、智能化是建筑发展的大方向。本项目因为特殊的建筑形体、复杂的幕墙系统及施工工艺，对数字化技术的应用提出了更高的要求。本项目主要在以下方面进行了数字化技术的创新应用：
(1)数字化设计
以BIM为工具，对建筑的桶状表皮进行划分，基于相同的划分原则，保证建筑表皮由相同的三角形板块拼接完成。
基于分格划分方式和板块的深化做法，进行三角形单元板块的LOD500深度的模型深化，从理论上模拟板块的加工和拼装，确保方案的可行性。
基于BIM模型进行单层网壳的受力分析，根据网壳变形结果调整单元板块的构造做法，确保单元板块能够适应单层网壳的变形。
(2)数字化加工
从幕墙模型导出型材加工数据，通过5轴数控加工中心进行型材的自动切割和空间二面角的加工。
数控加工中心
从单层网壳导出钢结构杆件加工数据，通过焊接机器人进行网壳的高精度加工。
(3)数字化施工
以BIM模型为基础，模拟桶状网壳下边三段钢架整体提升及顶部钢架的拼接过程。钢架施工完成后，通过空间测量定位技术对桶状网壳进行测量复核，将数据反馈到BIM模型中对模型进行二次修正。模拟三角形玻璃单 元板块的安装过程，进行正向三角形和反向三角形的有序安装。关注伸缩缝位置及交接位置的安装过程，预先通过BIM进行安装方案的模拟。
BIM对安装过程的模拟
6.结语
上港风塔项目通过钢结构网壳和幕墙表皮的一体化设计，保证了幕墙表皮在大跨度柔性吊挂体系下安全性和美观性的双重保证。项目运用了数字化技术、装配式整体提升等新技术，大大提升了项目的加工和安装效率。随着建筑科技的发展，建筑的表现形式不断创新和突破，在技术的加持下，建筑纯粹、简单的属性正在回归。任何简单的东西都包含了隐藏起来的强大的技术支撑，让我们一起努力，让建筑越来越简单、纯粹。
作者单位：苏州金螳螂幕墙有限公司
作者：牟永来 李书健 张鹏
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高温更出彩！“开尔”建筑外用珐琅板，淬炼上海“金箍棒”
圆柱造型、塔身修长、线条简洁，建筑外立面采用通透的玻璃幕墙与不锈钢珐琅百叶,其结构体系上采用了与“上海中心大厦”外幕墙相同的——大跨度悬挑单层幕墙钢网壳体系， 因此又被称为“小上海中心”。
“烟囱”的新生——“定海神针”实为隧道的排风烟囱，建筑师在原有排风功能保持不变的前提下，契合文化、休闲和娱乐的商业定位，并发挥宝山新一轮产业升级的引擎作用，赋予了“烟囱”新生命力，使“烟囱”华丽地转身。 在上海长滩观光塔上极目远望，向东可眺日出江海的壮阔豪景，向南可瞰国际邮轮城的万国风情，与东方明珠遥相呼应，别具一番景致。
上海长滩观光塔又称宝山水上明珠，属于上港十四区项目体系，由上港集团投资，上海建筑设计研究院紧扣“定海神针”主题，进行建筑的方案设计，其幕墙由苏州金螳螂幕墙有限公司协助优化设计，上海机施集团施工。
项目全过程采用了数字化BIM技术，将建筑主体结构与幕墙的全施工周期进行了数字化建模拆分，结合数字化钢结构变形分析、现场空间测量定位、高精度机加工等技术，完美实现了建筑神针定海的挺拔造型。
建筑元素的拆分
在观光塔施工中，新型材料的应用是其一大特色与亮点， 在建筑的36米和136米标高处，分别有玻璃和珐琅板材质的异形“金箍”造型，配合“三角形”的基础元素，通过正三角和倒三角的拼接，实现建筑表皮的圆弧光滑效果，最终形成整体的“金箍棒”造型。
同时，因建筑下方为地铁的隧道排烟出口， 在“烟囱”和“风洞”效应的影响下，特别是在136米的“金箍”位置，出风口部位可能出现250摄氏度以上的高温。为保证不对其外侧的珐琅百叶产生影响，业主、建筑师，以及幕墙施工单位，在经过广泛的市场调研后和技术考证之后， 来自杭州开尔装饰材料有限公司的“建筑外用不锈钢珐琅板百叶”，凭借其优异的工艺品质，以及独一无二的历久弥新特性，成为了项目的首选解决方案。
彩色弧形玻璃 不锈钢珐琅板
建筑外用珐琅百叶采用了5毫米不锈钢材质，为了符合建筑釉面亮色的效果，采用了新型搪烧工艺进行处理，这对产品的设计、加工，及运输都提出了很高的要求。
同时， 开尔 KAIER建筑外用不锈钢珐琅板在项目中的应用，还具有以下特性：
1、不锈钢珐琅百叶所处位置为风塔排烟出口，最高温度可达250℃，对材料的耐高温要求较高 。而珐琅百叶的“搪烧”温度已达到800℃以上，可安全耐受本项目的温度要求。
2、不锈钢珐琅百叶所处位置高度较高，且本项目靠长江出海口边上，风压较大，对于百叶材料承受的抗压能力需要很强。 本项目选择5mm厚的不锈钢作为珐琅百叶基体，强度得到有效保证。
3、不锈钢珐琅百叶生产的两大突破：
① 精准定型——由于不锈钢的强度较大，且尺寸偏差要求较为严格，因此采用模具成型的方式实现百叶造型，有效的保证成品的品质;
② 高温烧制——当百叶成型后，表面喷上无机釉料，然后放到800多度高温的窑炉里进行烧制，烧制的过程中无机釉料熔凝在基体钢板上形成珐琅层，从而得到的一种具有超强物理和化学性能的复合材料。
经“高温搪烧”处理后的不锈钢珐琅百叶，表面颜色靓丽，且经久耐用，易清易洁。
上海长滩观光塔项目通过钢结构网壳和幕墙表皮的一体化设计，保证了幕墙表皮在大跨度柔性吊挂体系下安全性和美观性的双重保证，完美实现了项目的建筑立面效果，成为了著名的地标建筑，为宝山的现代化城镇建设高质量发展提供了有力的支持，也带动了当地的商业和旅游。
上海长滩观光塔构思极具创意，以向东海龙王借用“定海神针”的传奇典故，寓意：守护东海的平安，见证上海的繁荣。项目设计及施工难度极大，是国内较为罕见的， 幕墙承建方上海机施科学合理的运用了数字化技术、装配式整体提升等新技术，大大提升了项目的加工和安装效率， 搭配上“开尔KAIER”建筑外用珐琅板等材料供应商的产品创新、技术革命，让建筑艺术获得不断创新和突破，如同魔都定海神针一般的“金箍棒”就此诞生。
任何一次外表皮的创新，都包含了着强大的技术支撑，让我们一起努力，让建筑越来越安全、超来越绿色。未来！我们共同奋斗，创造中国门窗幕墙行业新辉煌……
前情回顾：
魔都de“定海神针”｜180米上海长滩观光塔，幕墙Ready Go……
城市更新改造，重塑城市活力!回溯过往，长滩观光塔所在区域的前身——上港十四区，曾是沪上知名的老港区，被称为“宝山水上明珠”。随着《上港十四区整体转型开发协议书》的签订，上港十四区转型发展全面启动 ，“老港区”脱胎换骨，转身为集生态绿化、商业商务、休闲居住为一体的滨江新空间——上海长滩。
观光塔直径25.7米、高约180米，是G1501过江隧道市重大工程的配套工程，整个塔身地下3层、地上19层。
长滩观光塔处于上海长滩基地东端，是整个区域的地标建筑，也是整个宝山滨江轮廓的天际制高点。
该观光塔由华建集团上海建筑设计研究院设计，紧扣“定海神针”这一主题，塔身修长、线条简洁，建筑立面采用通透的玻璃幕墙，最大限度实现了内外空间的交融，充分发挥面朝长江，背靠城市公园的位置优势，实现了360°全角度观景的奢阔视觉体验。
整个观光塔的主体外围护为圆柱面网格钢结构，安装精度要求高，而塔身的三道悬挑桁架，分别下挂三段最大高度为44米的柱面网格钢结构，用于幕墙安装。该结构上端为固定铰节点，下端采用针对此项目开发的变刚度弹性连杆，上下支座之间与主体结构无任何连接，施工难度大，安装精度高。
其中，幕墙系统由3000多块“三角形”的单元板块组成，并采用了“逆作法”施工工艺，由于项目地处长江入海口，高空+大风的作业环境，为板块的安装带来一定的挑战。
项目总包单位上海建工集团，通过自主研发的“计算机同步控制液压提升”和“智能自动跟踪测量”技术，自上而下分区逆作安装外圈柱面网格钢结构，这种采用逆作施工法， 悬挂钢结构的工艺，在国内尚无先例。
建筑外形如一根“定海神针”，耸立在黄浦江与长江交汇口，也是目前宝山区最高建筑。上海长滩观光塔作为区域地标建筑，也是整个宝山滨江轮廓的天际制高点，主体钢结构全部为类似“灯笼造型”的悬挑结构，悬挑最大9米，楼层之间呈跳跃式分布，最大净空为44米，钢结构高空悬挑施工难度大、拼装精度控制要求高。
在观光塔施工中采用了整体提升钢平台、空间异向杆件吊装单元加工拼装、不共面体圆筒状幕墙钢结构提升及安装、三维测量与BIM建模相结合的钢结构幕墙一体化深化施工技术，确保了施工质量和进度，圆满完成了结构封顶的重大节点目标，为项目后续推进奠定了坚实基础。
上海长滩观光塔的136米以上空间，面积更大、高度更高、视野更佳，将设计为高档餐厅、足球会所以及观光平台，为北上海打造独一无二的高空城市休闲场所。
内外空间的高度交融，实现了360度全角度观景的奢华视觉体验，利用其空间，提升其功能，塔内安排了垂直绿化、高空攀岩、绳索矩阵、餐厅、婚礼殿堂以及观光平台等，是体验现代生活方式的实景地。