【论文原创精选】苏州中心大鸟型采光顶幕墙设计概述

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作者：苏州金螳螂幕墙有限公司   牟永来

【摘  要】：针对世界上最大的薄壳整体式自由曲面幕墙支撑结构体系和世界上最大的无缝连接多栋建筑采光顶。屋面玻璃采用平板冷弯技术实现建筑曲面造型。这不仅需要综合考虑台风、地震、高低温等各种环境因素对幕墙变形及结构安全带来的影响，更需要面临薄壳整体式钢结构变形和玻璃冷弯技术对屋面体系安全影响和超大面积采光顶有组织排水等难题。本文重点论述苏州中心大鸟屋面曲面幕墙技术实现措施和屋面排水体系设计两个技术难点。

【关键词】：大鸟屋面、薄壳整体建筑、无缝连接采光顶技术、玻璃冷弯技术、屋面防水

　　苏州中心广场项目（内圈）购物中心及大鸟形屋面幕墙工程位于江苏省苏州市苏州工业园区，项目北临苏秀路、南到苏惠路、西起星阳街、东至星港街。 苏州中心广场居苏州市域CBD核心位置，轨交1号线、6号线贯穿整个项目区域，项目整体占地21.1公顷，净地面积13.9公顷，总建筑面积约182万平方米，其中地上建筑面积130万平方米、地下建筑面积52万平方米。大鸟屋面工程幕墙最高点高度均为55.760米。

　　整个建筑物为由A、B、C和J地块及大鸟形屋面幕墙工程组成，外立面效果简洁、特点突出、时代感强烈，形象独特又与相邻建筑物相协调呼应，鲜明的对比。建筑色彩采用清晰的色调，运用玻璃、铝板及石材等各种不同材质的对比，构筑清新的建筑形象； 

　　建筑表面通过体形 变化、穿插、材料搭配、材质与立面肌体对比等手法反映建筑的特征，采用了多种形式的幕墙组合；在设计过程中充分考虑了与周围环境相协调，着重体现出“建筑的凝重感”、“风格的现代感”以及该建筑所具有的科技含量及文化沉淀。整体建筑采用玻璃的通透及铝材及铝板的质感相结合，有虚有实，形成虚实结合的丰富建筑表皮。用一种新颖的带有动感的手法，展示了建筑物外型的韵律和节奏美，给人一种舒适而清新的视觉享受，典型立面效果如（详见图1.1）。

图1.1典型立面效果

　　苏州中心大鸟屋面部分将成为苏州城市的“未来之翼”,它覆盖在整个内圈商业裙楼的上面，像一只展翅的凤凰鸟覆照在整个内圈商业裙楼是的上端，该屋面结构是世界上最大的整体式自由曲面，屋顶薄壳结构跨度达36000m2,也是世界上最大的无缝连接多栋建筑采光顶，有彩色玻璃和铝合金格栅组成的屋面，犹如凤凰的羽翼，展翅腾飞，彰显苏州迎向未来、集聚无线繁华的愿景。项目按南北分布，南面与C区连接，北面与A区连接，位于整个建筑群的中轴线位置，J区分布于南端端（详见图1.2、图1.3）。

图1.2 典型立面效果

图1.3 平面布置图

　　1.大鸟形屋面系统构成

　　由玻璃和格栅构成，玻璃与格栅采用不锈钢球铰夹具固定（如图2.1.1、图2.1.2），由于屋面体型复杂，屋面中央位置利用建筑玻璃屋面的高程优势采用有组织排水形式，在屋面上设置不锈钢挡堰。屋面玻璃采用多种彩釉处理，部分采用彩色胶片，玻璃基本配置为10mm半钢化玻璃+2.28PVB+10mm半钢化玻璃。格栅和铝板表面氟碳喷涂处理，多种颜色。收边铝单板采用 3mm，表面氟碳喷涂处理； 铝型材及铝板表面处理（室外）：最少厚度不小于40微米的最少三涂两烤的氟碳喷涂，氟含量大于70%，钢结构表面氟碳喷涂处理。满足屋面系统的防水及防腐等耐久性要求。

图2.1.1 玻璃三维图

图2.1.2 格栅三维图

图2.1.1 玻璃三维图

　　2. 大鸟形屋面幕墙面材体系分布图（如图2.2.1、图2.2.2）

　　不同的颜色代表不同幕墙材料分布大鸟形屋面幕墙面材分布图

图2.1.2 玻璃种类分布图

图2.2.1 系统分布图

　　1、BIM系统在本工程中的应用

　　整个大鸟屋面面积共35710m2,由10190块不同规格的板块构成。其中玻璃屋面面积22561 m2、板块6554块，铝百叶13149 m2、板块3636块。由于大鸟屋面是异型屋面体系，每个板块所处标高位置均不相同，造成每个板块四点均不在同一平面体系内，且每个板块尺寸均不相同。为确保项目独特的建筑造型和建筑设计理念的完美实现，针对大鸟形屋面幕墙结构体系运用BIM技术进行建模成型分析。

　　建筑信息模型化（Building Information Modeling，BIM），是以三维数字技术为基础，集成了建筑工程项目中设计、建造、管理、运营等各种相关信息的工程数据模型，是对该工程项目相关信息的详尽表达。 利用BIM技术对大鸟屋面三维模型进行玻璃板块数据链分析；并进行数据统计，结合钢结构受力变形计算分析结果；为实体模型修正提供理论依据。

　　由于屋面是双曲面，板块四个角点不共面，若以三点确定平面的方法对屋面板块进行拟合，可以分析出每个板块角点偏离原理论位置的尺寸，即阶差。该阶差的极值及分布比例对屋面系统节点方案的选择具有重要指导意义。

　　根据统计数据结合钢结构受力变形计算分析结果；在保证建筑外形的基础上，使更多比例弧线玻璃板块运用玻璃冷弯技术实现平板化圆滑过渡（如图3.1.1）。

图3.1.1 模型成型过程

　　应用BIM技术建模，可以对玻璃板块特性分析，按相邻板块阶差分为0-10，10-20，20-40，40-60，60以上五个等级进行板块统计。

　　由于板块材质的不同，其节点构造及对阶差的吸收能力也不同，因此分别对玻璃及百叶进行阶差分析，可以很清晰直观的看出不同区域的阶差分布，并研究节点在不同区域的构造形式。根据现场对施工完成并已处于静态稳定状态的大鸟钢结构进行测量放线所得关键控制点数据链，对大鸟屋面模型进行最终BIM建筑模型修正。并运用BIM技术对幕墙板块进行深化设计下料和全部加工图设计（如图3.1.2）。

图3.1.2 BIM数据表

　　对于复杂形体建筑，同一系统板块数量较大且各不相同时，利用常规CAD放样的方式非常慢且容易出错，效率非常低；而利用BIM建模的方式，对于相似的同一系统板块,基于BIM的自动生成，可以大大减少设计师的重复劳动，又可以将不同的数据利用参数并从模型导出，玻璃面板及型材框都可以，不仅仅大大提高工作效率，又避免重复操作中的失误导致的损失。

　　2、大鸟形屋面系统结构体系的选择

　　通过运用BIM技术对建筑模型的系统分析和对大鸟屋面的BIM建筑模型进行修模设计，对于大鸟形屋面幕墙构造系统有三种形式可选择，热弯单曲弧线玻璃体系、平面玻璃构造体系、冷弯单曲弧线玻璃体系。 

　　第一种：热弯单曲弧线玻璃体系

图3.2.1 热弯玻璃节点

图3.2.2 热弯玻璃加工图

　　该种玻璃幕墙结构体系需要玻璃热弯，玻璃附框和铝合金型材也需要弯弧处理（如图3.2.1）。热弯单曲弧线玻璃体系，其中热弯玻璃加工简图（如图3.2.2）。大鸟形屋面玻璃板块总共为6554块，而每一块玻璃的半径都有所差异，经过BIM模型导出的数据表（如图3.2.3）示意。

图3.2.3 数据表

　　第二种：平面玻璃构造体系

　　平面玻璃构造体系就是用平板玻璃来实现，拟合建筑的外立面轮廓，我司采用三点定位法来拟合建筑的体型，拟合后的建筑体型有阶差效果，（如图3.2.4）。阶差分析（如图3.2.5）示，分别标定板块1、板块2的角点A、B、C、D、E、F为研究点，以一个板块三个点为基准点确定该拟合平面与实际曲面的位置关系，其中该平面第四点C'(F')与实际平面该角点C(F)之间的距离即为阶差值; 通过大鸟屋面幕墙的BIM模型分析。

图3.2.4 建筑三维模型

图3.2.5 建筑三维阶差图

　　通过BIM分析及修模，得出最大阶差为140mm，不同颜色的区域表示不同阶差值，不同阶差值对应的幕墙系统也有所差异。 

　　通过BIM导出阶差数据如下表：BIM模型阶差数据表（如图3.2.6），经过对数据表的分类整理归类，将模型利用BIM进行网格划分排板,对不同阶差值的板块数量进行数据统计。得出以下汇总表（如图3.2.7）。

图3.2.6 数据表

图3.2.6汇总表

　　基于以上分析，平板玻璃构造体系通过BIM模型分析，相邻玻璃面板角度大约在174°~182°之间变化，节点图（如图3.2.8）。

图3.2.8 节点图

　　第三种：冷弯单曲弧线玻璃体系

　　对于该种幕墙体系，该种玻璃幕墙结构体系玻璃采用平板玻璃，玻璃不需要热弯，玻璃附框不需要弯弧处理。

　　采用冷弯单曲弧线玻璃体系最终形成的大鸟建筑外皮没有阶差产生，能很好的达到建筑的外立面效果。

　　冷弯式玻璃幕墙系统是用于实现玻璃幕墙的曲面效果的一种措施，它是由横向龙骨和竖向龙骨组装成的龙骨骨架单元，在本工程上都是菱形板块。龙骨单元板块的横向龙骨或竖向龙骨为弧形使得所述龙骨单元板块组成近似的空间四边形，安装于龙骨单元板块内的平板半钢化玻璃与龙骨单元板块曲面拟合，然后用玻璃附框压住玻璃，为了防止半钢化玻璃反弹，构造设置了不锈钢安全扣板。冷弯工艺玻璃幕墙系统实现了曲面玻璃幕墙墙面平整美观的要求。

　　玻璃冷弯原理就是利用平板玻璃本身具备一定弹性可弯曲的特点，让工厂加工好的平玻璃板块在工地现场安装时人工合理压弯安装就位，通过多块平板玻璃的压弯扭曲变形而达到拟合幕墙 曲面的效果。安装完成的板块内部，包括玻璃和型材都存在容许的内应力。在设计过程中，要利用BIM系统精确模拟所有板块和连接点并数据系统化，在施工时准确定位所有连接点，使得玻璃板块可以互相冷弯压接。

　　3、结构变位幕墙适应性钢结构变形分析选用

　　Ansys计算软件对主体钢结构的变形量进行极限校核。根据计算，钢结构的最大变形位于整个模型的中轴线位置，最大变形量为336.249mm（如图3.3.1）。钢结构变位对结构胶拉伸的影响将直接影响屋面系统的使用安全和防水安全。

图3.3.1 结构变位图一

　　钢结构变位对结构胶压缩的影响，经过分析，受主体钢结构角度位移、弧度位移以及受温度等因素的共同影响，幕墙系统的密封胶胶缝宽度需要承受最大的拉伸量为13.21mm，最大的压缩量为10.61mm，密封胶的变位极限为-50%～100%。 原胶缝宽度为50mm，满足结构胶变位要求（如图3.3.2）。

图3.3.2结构变位图二

图3.3.2 节点变位图

　　经过三种结构体系分析比对，分别对三种结构体系进行有限元分析，通过玻璃板块极限实验和区域视觉样板测试，并结合国内外类似案例经验。确定屋面玻璃阶差60毫米以下的玻璃板块采用冷弯技术，玻璃占比88%。玻璃阶差60毫米以上的玻璃板块采用热弯技术，玻璃占比12%。 

　　4、屋面玻璃幕墙标准结构体系介绍

　　大鸟屋面结构体系玻璃幕结构采用全隐框结构体系，玻璃面板采用10HS+2.28PVB+10HS夹胶半钢化玻璃。在相邻四块玻璃板块交接点处安装不锈钢球铰压板，通过不锈钢螺栓连接在幕墙支撑钢龙骨上，避免隐框玻璃结构胶长期受拉，确保结构体系安全。玻璃胶缝宽50毫米，采用硅酮密封胶密封，保证屋面结构变位条件下的受力安全和防水的可靠性。

　　5、屋面曲面玻璃冷弯技术措施

　　对于薄板脆性玻璃材料采用冷弯技术不仅需要从结构整体受力分析、玻璃边缘强度、应力等进行全面详细的分析。也要对玻璃材料、加工工艺、材料检测、安装工艺等方面进行详细的研究论证，通过理论计算、实验验证、实施标准等多方面进行全方位安全把控，确保满足该技术实施并在运行过程中安全可靠。

　　第一部分、冷弯玻璃冷弯理论研究

　　通过运用BIM模型分析，大鸟屋面玻璃表皮是双曲面造型，每块玻璃呈现不同程度翘曲，整个大鸟屋面共6815块（21912㎡），玻璃翘曲范围在0~141mm之间。根据设计，面材采用10mm+2.28PVB+10mm夹胶半钢化玻璃，尺寸分格Ba*Bb=2400*1750。

　　冷弯玻璃计算原则，按照玻璃模型结构设计要求，在玻璃的四条边上，每边布置两个夹具，夹具在玻璃边线上的位置按照设计间距布置。

　　选用Ansys计算软件对玻璃翘曲承载力进行极限校核（如图3.5.1），据规范《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ102-2003要求（如图3.5.2），半钢化玻璃冷弯边缘强度按22MP控制，对每片玻璃进行荷载组合计算（如图3.5.3）。通过对大鸟屋面全部 6815块（面积21912 ㎡）玻璃的冷弯计算，结果计算满足要求的玻璃板块数量为6037块（面积19046㎡占比89%），计算不满足要求的玻璃数量为778块 （面积2866㎡占比11%）。其中计算满足要求的6037块玻璃板块中平面翘曲阶差范围涵盖0-140mm之间（如图3.5.4）。

图3.5.1玻璃应力云图

图3.5.2玻璃强度设计值表

图3.5.3荷载组合表

图3.5.5综合分析表

图3.5.4玻璃计算结果分析表

　　为保证冷弯玻璃的安全使用及效益最大化原则，经过安全与经济性价比综合分析（如图3.5.5）。确定大鸟屋面冷弯玻璃使用原则，计算不满足要求的玻璃和计算满足要求的玻璃中翘曲值大于60mm的采用热弯技术实现全面造型。

图3.5.6玻璃应力检测

　　第二部分、冷弯玻璃边缘加工要求与玻璃应力检测

　　所有玻璃采用优质原片进行加工，并玻璃四周边均需要进行机械磨边处理，磨轮目数应不低于200目以上。

　　安装过程中对实施冷弯技术的玻璃实行过程中应力检测，确保安装工艺满足玻璃安全要求。安装完毕的玻璃应进行抽样应力检测（如图3.5.6），确保玻璃应力在安全使用范围内。

　　第三部分、实验样板验证

　　为了更好的验证冷弯技术理论，针对本项目分别进行了多项实验论证。在工厂实验室分别进行多组，多种规格玻璃进行冷弯模拟实验，实验结果证明样品实验满足理论结果要求（如图3.5.7）。

图3.5.7玻璃工厂冷弯实验

　　根据大鸟屋面建筑BIM模型分析数据，样板选择在30-120mm翘曲值范围，严格按照冷弯工艺和安装要求制作实体样本（如图3.5.8）。样板制作完成后经过一年的全天候测试，玻璃样板未发生破裂和自爆的情况。

图3.5.8玻璃冷弯现场安装过程

图3.5.8现场试验样板

　　大鸟屋面面积总面积共35710平方米,其中玻璃屋面面积22561 平方米，铝百叶13149 平方米。由于大鸟屋面是异型屋面体系，屋面标高呈山丘状布置，标高从56米到46米形成不规律性变化。在屋面防水设计过程中依据《建筑给排水设计规范》和《室外排水设计规范》进行设计，屋面排水采用有组织内排水系统，屋面最大排水坡度为24%，最小排水坡度为3%。雨水经过在屋面按排水路径设置的300毫米不锈钢高挡水堰实现有组织排水，雨水经挡水堰（如图4.1.3、图4.1.4）挡水后排入深500毫米，宽1000毫米的截水沟（如图4.1.5），并汇集至2000×1500×1000（H）毫米的集水坑。最后通过虹吸雨水系统排出，接自集水坑的雨水管沿钢结构V型撑设置。大鸟屋面采用虹吸排水系统，设计重现期为50年。

图4.1.1  屋面整体排水布置图

图4.1.2  屋面整体排水路径详图

　　大鸟屋面整体排水路线布置（如图4.1.1、图4.1.2），红色箭头代表屋面排水路线，红色锯齿状线为屋面300毫米高挡水板（如图4.1.3、图4.1.4），蓝色线条为屋面集水沟与集水井。300毫米高挡水堰板沿标高45.8米到标高45.2米位置斜向布置，形成有组织挡水围堰。

图4.1.3-1 挡水堰节点

图4.1.4 挡水堰三维图

图4.1.3-2 挡水堰板（H300）节点

图4.1.4 截水沟节点

　　大鸟屋面檐口收边设计采用圆弧铝合金单板组成（如图4.1.5），曲面铝板沿建筑边缘线呈流线状布置，形成完美的建筑曲线。

图4.1.5 屋面铝板收边节点

　　1、大鸟形屋面测量放线

　　由于大鸟形屋面是半层薄壳钢结构体系（如图5.1.1），是整体连贯的流线型双曲面，施工现场工况复杂。整个屋面共144000个测量数据 、10000多个异形网格、6947块尺寸不一的玻璃板块钢结构施工偏差和自身柔性变形对幕墙的使用安全产生较大影响。

图5.1.1 屋面钢结构测量放线

　　如何保证钢结构的定位准确至关重要。本工程运用全BIM技术对屋面体系进行建模，测量放线利用BIM模型来复核大鸟形屋面钢结构，并反馈测量数据至BIM模型并实时修证，依据最终BIM模型进行现场大鸟形屋面测量放线工作，测量时，所有控制点均由BIM模型取出。同时测量数据直接输入BIM模型进行核对及分析。整个过程通过BIM模型实现数据化控制及管理，以保证本工程的测量定位质量。

　　2、大鸟形屋面分区对称施工设计要求

　　由于大鸟形屋面造型新颖，其幕墙面积达35800余平米，施工面大，在实际施工过程中不可能一次性展开施工，施工过程中依据大鸟形屋面造型及其钢结构分区将本项目划分为两个大施工区域，同时细化为十个小施工区域，十个分区分别为1区、2区、3A区、3B区、4A区、4B区、

　　5A区、5B区、6区、7区（如图5.2.1）；在施工过程中进行对称分区施工，以确保屋面钢结构受力均衡。

图5.2.1 屋面施工区域分布图

　　3、大鸟形屋面幕墙安装设计要点

　　大鸟形屋面安装时，分为两个主要阶段：第一阶段是T形件及龙骨等支撑结构阶段（如图5.3.1）； 第二阶段是玻璃面板、铝合金格珊安装及注胶阶段（如图5.3.2、图5.3.3）。 

图5.3.1 屋面钢龙骨示意图

图5.3.2 屋面铝龙骨示意图

图5.3.3 屋面玻璃安装节点

　　转接件安装在整体分格定线后，根据施工图纸以及测量的支撑定位点将已经加工完成的钢制转接  件焊接在网架上，并依照水平分格线进行调整，待调整完毕后就可满焊固定。

　　龙骨体系施工安装时根据钢梁上的中心线确定龙骨的中心位置，根据相邻2个交叉点的标高数据确定龙骨的高度，施工时通过水准仪进行检测和施工，确保龙骨施工的精度，调整好龙骨位置后进行龙骨固定。

　　因为本项目大鸟形屋面造型为曲面操行，在玻璃板块的实际安装过程中不会呈水平状态，玻璃分格之间存在高差，需现场通过冷弯技术进行安装调整。现场利用不锈钢矩形球铰玻璃夹板通过加长螺栓对玻璃板块进行加压，将玻璃板块压至安装位置，利用安装玻璃压块固定玻璃面板，玻璃面板固定后卸下不锈钢矩形球铰玻璃夹板安装。

　　在安装过程中同一平面的玻璃平整度要控制在3mm以内，嵌缝的宽度误差也控制在2mm以内。玻璃板块安装调整完成后，玻璃幕墙四周之间的缝隙，内外表面用密封胶连接密封，保证接缝严密不漏水，该工序是防雨水渗漏和空气渗透的关键工序。

　　由于本工程是世界上最大面积的单层薄壳结构采光顶，也是苏州市的地标性建筑，无论从建筑形体还是建筑结构形式和大面积冷弯玻璃的应用都是史无前例的。该项目无论在设计、加工、现场施工上都遇到前所未有的技术难题。

　　创新幕墙技术为实现现代地标建筑的设计理想奠定了技术基础，不断探索和实践的工匠精神为建筑艺术之美和建筑空间效果的完美呈现提供了无限可能，随着苏州中心广场项目“未来之翼”幕墙工程的逐步推进，异形玻璃幕墙、曲面幕墙、双曲面幕墙等高难度幕墙种类以及复杂幕墙系统施工在内的众多技术难题正在被一一颠覆和破解，当难题不再，建筑才能真正展现其自由之美，“未来之翼”也将惊艳展翅亮相苏州金鸡湖畔。

　　随着这座世界独一无二采光顶建筑的顺利落成，这座举世闻名的建筑也将开创世界幕墙史上一个新的奇迹。

 大鸟型屋面施工过程照片

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