文 | 上海市机械施工集团有限公司 贾宝荣、周 锋、罗魏凌
| 华东建筑设计研究院有限公司 牟永来、李书健
五年前，位于上海市宝山区滨江地区的长滩七街坊还是一片荒地，如今，一座座建筑已拔地而起：观光塔、音乐厅、酒店、商办等建筑同亲水岸线交相辉映。其中，高180米的长滩观光塔（又称上港风塔）更是成为了滨江岸线的全新地标，这座外形神似“金箍棒”的建筑矗立于吴淞口，由普通的隧道排风塔华丽变身而来。
长滩180米观光塔由上海建工总承包部组织实施、上海建工机施集团承建，机施集团采用钢结构整体提升方案、钢结构与幕墙一体化施工技术，把普通的隧道排风塔打造成为兼具观光娱乐、商务办公等功能的休闲新空间。
观光塔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。整个观光塔幕墙钢结构，为圆柱面网格钢结构，安装精度要求高。施工方通过自主研发的“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，这种采用逆作施工悬挂钢结构的工艺国内尚无先例。
2021年9月，上海建工机施集团成功完成了约3500吨钢结构外框架施工任务，为风塔套上了圆柱形钢结构“外衣”，观光塔雏形初具。2022年11月，观光塔外部2800余块三角形不共面玻璃幕墙全部搭设完成，目前正进行紧张的内部装饰阶段。
上海长滩上港风塔项目，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。
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
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” 风塔高180米，直径 26.5 米，为细长的圆棒造型。在 36米标高和136标高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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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； 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； 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。
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；
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。
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。
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。
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：
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
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：
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。
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。
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。
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。
经过分析，单层网壳在最不利荷载组合下的位移数据如下：
按最不利组合下的位移数据
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。
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。
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。
网壳整体提升方案
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： 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。
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。
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。
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。
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。 高级工程师，研究方向：超高层及复杂异性建筑表皮设计与研究，中国建筑装饰协会幕墙专家、中国建筑金属结构协会铝门窗幕墙委员会专家组专家 、全国建筑幕墙顾问行业联盟专家组专家、上海市建筑科技委会幕墙结构评审组专家。工作单位：华东建筑设计研究院有限公司。 高级工程师、一级注册结构工程师、上海市机械施工集团有限公司副总裁、总工程师。
公安机关备案号 110102000764