中國最高建筑——上海中心大廈的幕墻系統(tǒng)采用了獨(dú)特的雙層幕墻系統(tǒng)，其中內(nèi)幕墻沿樓面邊緣呈圓柱式布置，外幕墻平面呈圓角三角形，且呈現(xiàn)扭轉(zhuǎn)收縮上升的幾何形態(tài)，遠(yuǎn)離主體結(jié)構(gòu)懸掛在上下兩道加強(qiáng)層之間。由于外幕墻體量巨大、幾何形態(tài)不規(guī)則，且采用柔性的支撐結(jié)構(gòu)體系，給外幕墻的分析、設(shè)計(jì)、建造帶來許多前所未有的技術(shù)挑戰(zhàn)。

1   工程概況

上海中心大廈位于上海浦東新區(qū)陸家嘴金融區(qū)，與金茂大廈和上海環(huán)球金融中心相鄰，為一棟多功能的摩天大樓，主要用于辦公用途，同時配有酒店、商業(yè)、觀光等其他公共設(shè)施。塔樓結(jié)構(gòu)高度580m，建筑總高度632m。地上酒店區(qū)、辦公區(qū)、觀光區(qū)共124層，頂部設(shè)備用房5層，此外還有裙房7層，地下室5層，總建筑面積共58萬m²。

塔樓主體結(jié)構(gòu)采用巨型框架-伸臂-核心筒結(jié)構(gòu)體系。巨型框架由8根巨型柱、4根角柱及8道位于加強(qiáng)層的箱形空間環(huán)帶桁架組成。巨型柱和角柱均為鋼骨混凝土柱，分別在8區(qū)頂部和5區(qū)頂部終止。兩層高的箱形環(huán)帶桁架既是抗側(cè)力體系巨型框架的一部分，也是建筑周邊次框架柱的轉(zhuǎn)換桁架。核心筒平面形狀沿高度根據(jù)建筑平面功能作相應(yīng)調(diào)整，底部平面為30m×30m的方形布置，中部為切角方形布置，頂部為十字形布置。塔樓的2，4～8區(qū)共設(shè)置了6道兩層高的伸臂桁架。伸臂桁架將巨型柱與核心筒聯(lián)系起來，既能約束核心筒的彎曲變形，又能高效地利用周圍的8根巨型柱以減小結(jié)構(gòu)的整體變形和層間位移。此外，各分區(qū)的加強(qiáng)層均設(shè)置了徑向桁架作為幕墻結(jié)構(gòu)的支承系統(tǒng)。

上海中心大廈采用了獨(dú)特的內(nèi)、外雙層幕墻系統(tǒng)，內(nèi)幕墻沿著樓板邊緣呈圓柱式置。遠(yuǎn)離主體結(jié)構(gòu)且扭轉(zhuǎn)收縮向上的外幕墻系統(tǒng)是這座建筑區(qū)別于其他超高層建筑的顯著特點(diǎn)之一。外幕墻平面形狀呈一個三邊鼓曲、三角倒角的等邊三角形，在高度方向，繞著圓柱體樓面逐層旋轉(zhuǎn)、收縮向上，由此導(dǎo)致內(nèi)外幕墻在空間上分離。整個外幕墻系統(tǒng)被外伸的設(shè)備層在垂直方向上分成相對獨(dú)立的9個區(qū)域（9區(qū)為塔冠區(qū)），每個區(qū)在內(nèi)外幕墻之間形成寬度變化并向上延伸的12～15層、高約55～66m的流線形中庭空間。

外幕墻從底到頂經(jīng)過120°的旋轉(zhuǎn)上升，創(chuàng)造了形態(tài)柔和、螺旋上升的錐體建筑形態(tài)，賦予了整個塔樓一個非常獨(dú)特標(biāo)志性的造型和外部立面。整樓外幕墻總面積約13.5萬m²，共由17000余塊板塊組成。

2   幕墻建筑設(shè)計(jì)理念

上海中心大廈的建筑師創(chuàng)造性地設(shè)計(jì)了從未在超高層建筑中大規(guī)模使用的雙層獨(dú)立玻璃幕墻，內(nèi)外兩層幕墻相互脫離，并只在休閑層與設(shè)備層相接，形成21個高挑、通透的中庭空間，使電梯轉(zhuǎn)換層（休閑層）被充分利用成“空中大堂”，如同“垂直”城市中的空中街區(qū)廣場，成為大樓各區(qū)的社交與配套服務(wù)中心，可以就“近”為空中大堂所連接的12～15層的人們提供餐廳、銀行、商店等基本的配套服務(wù)，降低了人們下到地面的交通需求，既減少了麻煩，也降低了能耗。

另外，雙層獨(dú)立幕墻就像是大樓的兩層皮膚，兩層皮膚間的空間，通過通風(fēng)設(shè)備的調(diào)節(jié)，可以在大廈內(nèi)部和外部之間充當(dāng)良好的緩沖帶，就像保溫瓶一樣發(fā)揮節(jié)能作用。

3   幕墻幾何形態(tài)

上海中心主樓的幾何外形在隨高度上升的過程中圍繞塔樓的幾何中心，同時發(fā)生旋轉(zhuǎn)和收縮兩種變化。對于構(gòu)成主樓旋轉(zhuǎn)表皮的幾何元素，設(shè)計(jì)中從工程學(xué)和美學(xué)雙向角度，進(jìn)行了反復(fù)論證優(yōu)化。

4   風(fēng)荷載研究

風(fēng)荷載往往是幕墻設(shè)計(jì)的主要控制荷載，特別是對于上海中心大廈這種外立面比較復(fù)雜的超高層建筑，合理確定外幕墻設(shè)計(jì)的風(fēng)荷載，對幕墻系統(tǒng)的安全尤為重要。

5   支撐結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如何實(shí)現(xiàn)上海中心扭轉(zhuǎn)收縮上升的外立面幕墻是整個塔樓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一個關(guān)鍵, 該幕墻突出的特點(diǎn)是幾何造型非常不規(guī)則且與主體結(jié)構(gòu)規(guī)則的幾何形態(tài)不匹配，幕墻遠(yuǎn)離主體結(jié)構(gòu)，同時對幕墻的視覺效果要求很高，在幕墻支撐體系的比選階段，曾提出了剛性三向網(wǎng)格支撐結(jié)構(gòu)方案及水平桁架-吊桿方案。三向網(wǎng)格支撐結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)變形小，施工難度較低，但是，該方案對建筑外立面影響較大，結(jié)構(gòu)用鋼量大。水平桁架-吊桿方案，豎向采用吊桿，視覺通透性較好，但水平向桿件較多，嚴(yán)重影響中庭視覺效果。

基于幕墻通透輕盈的要求，最終采用了分區(qū)懸掛的柔性幕墻支撐結(jié)構(gòu)體系，該體系可有效地協(xié)調(diào)外幕墻不規(guī)則的幾何形態(tài)和規(guī)則主體結(jié)構(gòu)間的幾何關(guān)系，同時相對主體結(jié)構(gòu)能在一定程度上自由變形，從而減小結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)力，優(yōu)化構(gòu)件截面與形式。各區(qū)幕墻支撐體系均為獨(dú)立的基本單元，并且采用相同的，由“吊桿-環(huán)梁-徑向支撐”組成的柔性懸掛式幕墻支撐結(jié)構(gòu)體系。

6   幕墻及支撐結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

由于幕墻系統(tǒng)與主體結(jié)構(gòu)之間會產(chǎn)生較大的豎向相對變形差，幕墻支撐與主樓的連接節(jié)點(diǎn)須有良好的吸收變形的能力。為此幕墻支撐結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)采用了一些吸收變形的構(gòu)造措施，以保證幕墻系統(tǒng)正常工作。

（1）底環(huán)梁豎向伸縮節(jié)點(diǎn)：該構(gòu)造主要吸收變形量較大的主體結(jié)構(gòu)的設(shè)備層變形、主體結(jié)構(gòu)的壓縮變形、風(fēng)荷載等引起的兩個設(shè)備層間相對豎向變形以及吊桿伸長變形，防止底層板塊系統(tǒng)受到擠壓而破壞。

（2）徑向支撐與樓面結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)

一般徑向支撐采用鉸接構(gòu)造以吸收環(huán)梁與樓面的豎向位移差。對于長度很短的徑向支撐，其線剛度大，對其兩端的位移差非常敏感，采用滑動連接構(gòu)造，以降低支撐因兩端的位移差所產(chǎn)生的次內(nèi)力。

（3）限位約束滑動構(gòu)造

限位約束構(gòu)造設(shè)置于幕墻與樓面相切處，為幕墻提供扭轉(zhuǎn)約束并允許幕墻相對主樓上下自由運(yùn)動。

（4）幕墻轉(zhuǎn)接件

幕墻轉(zhuǎn)接件構(gòu)造主要調(diào)整支撐鋼結(jié)構(gòu)自重和幕墻單元板塊自重作用下環(huán)梁的豎向不均勻變形。

（5）板塊插接構(gòu)造

上下兩層幕墻板塊插接構(gòu)造主要吸收在重力荷載、風(fēng)荷載、地震作用下幕墻板塊鋁框與支撐結(jié)構(gòu)環(huán)梁間的相對變形，溫度作用下幕墻鋼吊桿與鋁框熱膨脹系數(shù)差異引起相對變形，以及幕墻加工、安裝時產(chǎn)生的誤差。

更多詳情請關(guān)注建筑結(jié)構(gòu)2013年24期“上海中心大廈幕墻專欄”：

《上海中心大廈新型柔性懸掛式幕墻系統(tǒng)設(shè)計(jì)》，作者：丁潔民，何志軍，李久鵬，單位：同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司；《上海中心大廈懸掛式幕墻支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)若干關(guān)鍵問題》，作者：丁潔民，何志軍，李久鵬，胡殷，單位：同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司；《上海中心大廈幕墻支撐結(jié)構(gòu)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)分析設(shè)計(jì)》，作者：何志軍，丁潔民，李久鵬，單位：同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司；《上海中心大廈幕墻支撐結(jié)構(gòu)基于可建造性的若干設(shè)計(jì)研究》，作者：何志軍，單位：同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司。