【BCW】上海世博会博物馆自由曲面玻璃体的设计原则与思考

1 引言

上海世博会博物馆是国际展览局在全球唯一授权的永久性世博会专题博物馆，是世界上极少兼具博物馆与文献中心功能的展馆（图1）。华东设计研究总院通过“永恒的瞬间”的建筑创意，展现了世博会150年历史沉淀建筑与无数辉煌瞬间的平衡。建筑形态以“历史河谷”与“欢庆之云”的碰撞来做诠释，使世博会博物馆成为城市中“承载欢乐记忆的容器”，较好地呈现了国际性、唯一性、专题性的特征。

全玻璃异形体“欢庆之云”的表皮构建和主体建筑部分“历史河谷”的内庭立面铜板材质运用，是本项目建筑幕墙设计的重点和难点，前者则是重中之重。

图1 上海世博会博物馆项目鸟瞰效果图

2 欢庆之云表皮设计

2.1 建筑形态简介

取云的形态作“欢庆之云”建筑造型之借鉴，旨在代表未来、开放、瞬间的寓意，整体形象简洁流畅。建筑底部以三条云柱作扭转与收分，形成逐级上升的动势，呈现出强烈的未来感。在建筑中部，云柱扭转并相互关联着展开，于建筑顶部形成完整流畅的曲线即为“欢庆之云”轮廓。该形体以轻型钢架为支撑结构。在幕墙细部处理上，以三角形透明玻璃、彩釉玻璃筑成折面状，且在渐变中的立面肌理效果与“瞬间”的设计理念相契合，成为了整座建筑的中心，高 34.8m、宽56.6m、长 75.8m，玻璃表皮面积约 8 242m2，共 3 982 个三角形玻璃单元板块（图2）。

图2 “欢庆之云”效果图

“欢庆之云”工程为单层异形空间网壳钢结构，钢结构支撑体系主要选用矩形钢管，多为 80×180×300 的矩形钢管，大部分为焊接节点，部分为铸钢节点。根据《空间网格结构技术规程》等相关标准的技术规定，按单层网壳结构控制屋盖短向跨度 1/400 荷载标准值下的结构挠度。施工时采取满堂支撑，当整体结构刚度完全形成，获得指令予以卸载后，方允许安装幕墙。

2.2 表皮数字化工作

表皮设计时，首先需要将三角形玻璃的数量、形状大小、空间定位等技术数据进行统计和表达，作为深化设计的前提条件。此部分工作由建筑师和三维软件程序员共同开发研究并完成。借助 Rhino 等软件控制形体形态，在生成出形体大致轮廓后，规整化处理借助插件grasshoper 进行，再利用python 高级程序语言将云幕墙部分展开至平面，导出表格进行数据统计（图3）。

图3 “欢庆之云”云部分玻璃板块展开图（图片来源于项目设计团队）

实际上，通过计算机辅助设计，可将“云”不同部位相邻板块之间的法线夹角、板块面积大小、板块边长、板块空间坐标定位、板块数量和面积等数据全部统计成 Excel 表格，便于下一步分析和研究。

通过幕墙设计的介入，对板块分格进行优化和调整，应考虑在满足建筑效果的前提条件下，针对玻璃板块生产的工艺性、经济性以及规范的适应性等再次划分调整，主要优化原则如下：1）中空节能玻璃常规尺寸为 2 400×3 600，若超出该范围则造价高很多，调整所有板块尺寸控制在此范围内，并保证原件的最大利用率，控制造价；2）三角形玻璃角度小于 30°难以加工，采用均质化迭代处理，减少过小尖角的玻璃数量；3）经多次迭代计算得到立面和屋面玻璃分格划分网格的板块尺寸近似相同，使得网格划分均匀，也简化了后期幕墙及钢结构施工程序，有利于降低造价；4）按采光顶规范 JGJ255规定，采光顶玻璃板块面积 2.5m2是上限，需严格控制分格尺寸；5）按上海市地规 DGJ08-56 规定，单层钢化玻璃板块 4.5m2是上限，需严格控制分格尺寸；6）按上海市地规 DGJ08-56 规定，开启扇面积 1.8m2是上限，需严格控制开启扇分格尺寸；7）按建筑玻璃应用技术规程 JGJ113 规定的不同厚度玻璃用于室内的最大许用面积，严格控制分格尺寸，以抗人体冲击；8）对于防火、防雷、虹吸排水等其他设计专业的要求进行板块划分微调。板块优化有一个较长的反复过程，涉及到建筑的观瞻效果、玻璃的生产工艺、技术规范的安全规定、项目成本控制等诸多方面。

2.3 三角形玻璃板块设计

三角形玻璃板块遍布单体表皮，分布在采光天顶、立面、吊顶底面，具有空间任意多角度形态的特点。空间异形体设计难点有两个方面：1）经优化后的构造设计，能采用较少的模具种类完成平面内从阴角90°到阳角 90°的板块变化，实现建筑表皮造型控制；2）在用玻璃系统对于异形网壳钢架主体结构平面内、外变形进行适应性设计的同时，兼顾板块重力影响。为此，我们研究了已建成的上海世博轴的曲面采光顶喇叭状工程的构造案例（图4）。

图4 世博轴曲面采光顶节点详图示意

这种系统将板块夹角变化的功能落实在玻璃附框的圆弧形模具上面，三角形玻璃板块系统采用的是连续外部点压多点固定的方式，它适用于表皮玻璃板块之间的夹角变化范围不大（圆弧形模具可调角度有限），一般适用于坡度不大的采光顶或斜立面角度变化不大的幕墙系统。但是本项目中相邻板块玻璃品种（厚度）不一致，角度变化大，特别是有吊底玻璃面的时候，这种框架式的构造形式难以胜任，甚至有安全隐患。异形钢网壳主体结构的平面内、外变形较大，支撑构造也需特殊处理。又经考察上海悦达 889 项目，玻璃采用点支撑系统，与本项目相差甚远，无可借鉴（图5）。

图5 上海悦达889项目

必须以一种创新的、积极的设计思维走出困境。通过对表皮分格形态的研究，设计团队终于发现所有的玻璃板块在重力方向上是由两种基本形状的三角形板块组合而成（图6），故决定采用玻璃单元板块形式。事实证明，通过玻璃板块之间角度的变化来解决整体造型的角度变化问题，是可行的（图7）。将玻璃与附框做成单元体形式，单元体与支座采用类似雨棚拉杆铰接的形式，以点支式固定到主体钢结构上，板块之间的夹角可通过固定点铰支约束完成。

图6 “欢庆之云”三角形板块基本形状类型

图7 “欢庆之云”三角形板块三维效果图

另外，从钢结构主体变形数据整理和计算中得到在全荷载工况下相邻板块之间平面外变形值，结合板块之间硅酮密封胶宽度的伸缩极限，确定单元边框型材开模的数量和种类，在适应平面外变形的同时，圆满完成建筑表皮形体的表达。

玻璃单元板块本身设计为明框嵌槽，辅以结构胶粘结玻璃做安全保障，且保证了玻璃与附框共同位移，将玻璃与附框之间的平面内位移转换到单元板块与主体支座间的位移变形。同时，根据重力原理，在三角形板块上设置两种类型支座约束，确保玻璃幕墙系统平面内位移的适应性，平面内变形指标达到 1/100 以上（图8）。图中支座 B解决了板块的重力问题，支座 A 用以解决平面内变形，由于板块和支座转接件之间采用轴销铰接，使玻璃板块处于任何位置都具有足够的安全性，全工况均此（图9）。

图8 “欢庆之云”支座约束类型原理图

图9 “欢庆之云”玻璃单元支座

2.4 小结

三角形玻璃空间幕墙的设计，由于空间任意角度的关系，在设计思路上需要另辟蹊径。研究主体结构类型以及全工况下，当变形发生时对表皮的影响；玻璃形态和建筑找形须依靠 BIM 技术，根据单块玻璃的形状考虑重力设计，通过外表面以明框、隐框、点式等的不同表现形式，研究系统合理性；重点分析相邻玻璃板块之间平面内外变形的规律，抉择系统设计。

3 类似案例及思索

近年来，在英国建筑师 Benoy 极力推广的商业建筑设计中，采用单层异形网壳自由曲面采光顶作为中庭采光顶设计的项目越来越多，已形成一定规模的市场。考虑到自由曲面采光顶设计包含顶面、立面、顶面等不同角度的空间形态，大部分表皮系统采取以主体钢结构为支撑的幕墙系统，这在现行规范中尚无界定。

目前，单层网壳节点设计一般有两种类型：焊接节点和螺接节点。而规范条款规定为须采用刚性节点，以控制整体的挠度和变形。

如图 10 ～ 13 所示，两个项目的玻璃面层与主体钢结构接近，从而显得整个体系轻盈通透，赋予建筑与结构之美感。可以看到，经优化的设计使主体结构和幕墙系统趋于合理，对于钢结构和幕墙的构件而言，其生产加工、连接工艺的先进性正是项目获得成功的关键，值得深思。

图10 上海悦达889自由空间曲面点支式玻璃边夹支撑系统

图11 上海悦达889 自由空间曲面钢结构节点系统

图12 上海K11艺术购物广场自由空间曲面钢结构焊接节点系统

图13 上海K11艺术购物广场自由空间曲面隐框玻璃框架系统

4 结论

表皮设计承担着文化历史的传承与创新的重要作用。对于特定的文化建筑或者城市标志性建筑物，需要以不同寻常的辨别度、气度非凡的表皮语言，淋漓尽致地激跃其设计理念，这就要求幕墙设计和材料运用有所突破，不得不承认幕墙设计师正面临着前所未有的挑战。

本文正是通过具有相当代表性的自由曲面三角形玻璃幕墙系统的设计介绍，展现攻克技术重点与难点的过程，以开辟新的思路。

作者简介：陈峻，华东建筑设计研究总院建筑技术研究室主任，高级工程师。、上海市幕墙行业专家。曾获国家和上海市勘探设计奖，主要参与国家自然科学研究基金项目一项，在国内核心期刊发表论文近20余篇，获国家专利5项。曾参与国家和地方相关规范《幕墙抗爆炸性能试验》、《幕墙性能试验》、《上海市建筑幕墙工程技术规范》等的编制或审核工作。主持和参与了北京CCTV新台址、上海虹桥枢纽、南京会议会展中心、天津津塔、上海世博中心、上海世博博物馆、南京牛首山文化项目、普陀山观音圣坛等项目外幕墙的设计咨询顾问工作。

本文已刊登在《建筑幕墙》2015年12月第2期杂志中。

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