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一、概述
濟南歷下區(qū)CBD商務(wù)區(qū)A1地塊T1塔樓主塔為濟南CBD五指山“山、泉、湖、河、城”五座標志性建筑中的“泉”元素地標建筑。塔樓外立面設(shè)計靈感源自濟南趵突泉泉水噴涌而出的景象，趵突泉作為濟南72名泉之首，水壓達到巔峰時，泉水噴涌而出，塔樓的形態(tài)源自泉水噴涌的動態(tài)輪廓，建筑通過兩個不斷變化的曲面逐漸圍合，與波紋狀的幕墻相結(jié)合，形成簡單典雅卻又渾然一體的塔樓形體，傳遞濟南“泉城”的美譽。
二、工程概況
項目用地面積約2.2萬平方米，容積率（詞條“容積率”由行業(yè)大百科提供）6.58，總建筑面積約21萬平方米，總體規(guī)劃了兩棟塔樓、一座商業(yè)裙房和一個地下室。本次幕墻封頂?shù)闹魉䴓枪δ転楦叨宿k公，建筑面積約9.6萬平米，地上52層，高245.7米。
三、BIM參數(shù)化設(shè)計
通過Rhino和Grasshopper的參數(shù)化方式，將原本手動捏形的自由曲面轉(zhuǎn)化為具有嚴密幾何邏輯和標準化的數(shù)理模型，在提升標準單元化和經(jīng)濟性的同時，打通了從“方案-土建施工圖-幕墻招標圖-幕墻施工”的BIM全貫通流程，實現(xiàn)了不同專業(yè)、不同軟件、不同階段之間的無縫銜接和高效配合。運用參數(shù)化設(shè)計的方式深化是本項目的一大亮點。在犀牛(Rhino)建模軟件中，運用Grasshopper的編程平臺，將原本手動建模的形體進行幾何量化，形成參數(shù)化模型。原本不規(guī)則的、扭動的雙曲形體，轉(zhuǎn)化為“圓角方形+凸出斜筋”的組合。圓角方形為4段大圓弧在角部兩兩分別通過4段小圓弧進行倒角處理，所形成上下粗、中間細的沙漏狀柱體。在此基礎(chǔ)上，平面（詞條“平面”由行業(yè)大百科提供）外的兩根凸出斜筋，在每一個樓層標高都向該樓層的圓角方形作兩根切線，形成帶兩個凸角的平面,層層平面拉升層高形成上次逐層錯動的形體。通過以上參數(shù)化幾何的模，完成第一步建筑形體的幾何有理化。
基于這個形體，對每一層的平面做進一步的幕墻板塊劃分，斜筋的一側(cè)平面外輪廓，比上一層多一次劃分，比下一層少一次劃分;另一側(cè)斜平面外輪廓反之;通過這種方式，上下層之間形成幕墻板塊單元之間有序的錯位肌理。幕墻單元的寬度是模數(shù)化的且控制的一定的經(jīng)濟的尺寸范圍內(nèi)，同一層斜筋兩側(cè)的幕墻劃分單元是等分的，保證兩側(cè)各自尺寸相同模數(shù);隨著塔樓從上到下平面尺寸的變化，幕墻單元劃分尺寸控制在1.4~2.1米寬較為經(jīng)濟的變化范圍內(nèi)，同時保證了甲級寫字樓較好的室內(nèi)視野效果。此外，在設(shè)計出圖、表達的維度，也通過參數(shù)化的方式，自動生成平面板（詞條“面板”由行業(yè)大百科提供）邊及外幕墻輪廓、立面圖、結(jié)構(gòu)柱位定位、平面板邊定位控制信息表、幕墻單元板塊劃分編號等成果，大大提升了設(shè)計效率，同時和幕墻專項深化之間，形成了有效的數(shù)據(jù)傳遞。
四、幕墻設(shè)計
幕墻作為建筑外圍護結(jié)構(gòu)是建筑立面效果呈現(xiàn)，建筑功能實現(xiàn)的重要載體，也是超高層寫字樓“形”與“意”傳播的重要媒介。
1、建筑平面幾何構(gòu)成分析
建筑平面采用4條初始半徑為R1初=10785mm，4條初始半徑R2初=44781mm與兩條初始夾角呈154.76°折線段圍合成樣條曲線段，31層作為初始平面，向上，向下樣條曲線分別向外平行擴展101mm，R1、R2分別以31層為初始半徑，分別向上、向下等差遞增。其中兩個直線段形成的夾角，經(jīng)過數(shù)值分析，趨近等差數(shù)列。其中因R1、R2半徑呈現(xiàn)等差遞增變化，其中直線段形成的夾角，在建筑平面上形成規(guī)律變化，最后在立面上形成錯層收分效果，從而形成立面斜向筋線，成為建筑立面豐富的形體元素。
2、幕墻系統(tǒng)設(shè)計
2.1.幕墻立柱設(shè)計
該項目2層以上采用單元體系統(tǒng)，2層以下根據(jù)建筑斜切造型特點部分采用單元體系統(tǒng)，部分采用桿吊肋幕墻系統(tǒng)。根據(jù)建筑平面結(jié)合特點，分析31層初始平面，幕墻系統(tǒng)設(shè)計采用能適178°-180°的系統(tǒng)A實現(xiàn)，R1采用幕墻系統(tǒng)D實現(xiàn)，因曲率小，R2仍然可以采用A系統(tǒng)實現(xiàn)，直線段與R1連接點，當(dāng)直線段較長時，其連接節(jié)點夾角趨近176°-178°，采用系統(tǒng)B實現(xiàn)，當(dāng)直線段較短時，其與R1連接點夾角趨近174°-176°，幕墻系統(tǒng)采用C系統(tǒng)實現(xiàn)。
經(jīng)過數(shù)值分析，平面直線段夾角從2F109.6°為初始角度開始增，到31F增加到155.7°，從下2F到30F呈拋物線遞增趨勢，從31F到57F，夾角由155.6°趨近等差遞減變化到110.2°，呈拋物線遞減趨勢，30F到31F夾角差值0.02，趨近為0,趨近拋物線的頂點(詳見：樓層轉(zhuǎn)角夾角變化曲線圖)，可見豎向30F頂板（詞條“頂板”由行業(yè)大百科提供）即為建筑轉(zhuǎn)角夾角變化的臨界點(對稱軸軸)。通過臨近樓層轉(zhuǎn)角夾角差值分析(自下而上，下一層減上一層夾角差值)，2F~30F，轉(zhuǎn)角夾角差值從最小值-2.83趨近到-0.02，31F~57F，轉(zhuǎn)角夾角差值從最小值0.02趨近到3.48，以30層頂板標高作為對稱軸，豎向高度趨近“S形”分布(詳見圖7：臨近樓層轉(zhuǎn)角夾角差值圖)。
通過數(shù)值取整后，仍有29組變化角度，開模仍然需要多套單元體轉(zhuǎn)角模具，模具費用大，不利用成本的節(jié)約，針對以上角度變化規(guī)律分析，亟待提出一種類似平板合頁式的單元體轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換料，在單元體的室內(nèi)側(cè)增加任意角度開合的合頁軸，內(nèi)穿不銹鋼軸，適應(yīng)多變角度，單元體兩道防水（詞條“防水”由行業(yè)大百科提供）密封線位置，采用型材飛邊與兩段共圓心的弧段連接，左右側(cè)采用單元體母料與轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換公料連接，形成類似門窗（詞條“門窗”由行業(yè)大百科提供）轉(zhuǎn)換中梃的結(jié)構(gòu)，詳見幕墻系統(tǒng)E。通過以上五組系統(tǒng)的組合，建筑平面內(nèi)實現(xiàn)單元體的閉合。
2.2.幕墻橫梁（詞條“橫梁”由行業(yè)大百科提供）設(shè)計
根據(jù)建筑立面形體幾何特點，由于建筑平面以36層為初始平面分別向上、向下進行平行等差遞增，這一變化規(guī)律，造成建筑立面呈現(xiàn)里出外進的造型，從3層到36層，建筑平面逐層向室內(nèi)收縮，36層到57層，建筑平面逐層向室外擴張的規(guī)律變化。如何實現(xiàn)建筑立面里出外進的錯層效果，是對幕墻設(shè)計的重大技術(shù)考驗。幕墻在解決這個技術(shù)難題時，借鑒主體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的設(shè)計理念，采用單元體“幾”字形轉(zhuǎn)換料+中橫梁+上橫公料設(shè)計，將傳統(tǒng)單元體的上橫公料，采用預(yù)留兩道螺栓槽道的中橫梁替代，將轉(zhuǎn)換的“幾”字形轉(zhuǎn)換料垂直玻璃方向固定（詞條“固定”由行業(yè)大百科提供）在中橫梁上，再將上橫單元體公料固定在“幾”字形轉(zhuǎn)換料上，單元體完成“L”形轉(zhuǎn)折，從而實現(xiàn)建筑立面單元體里出外進建筑造型的轉(zhuǎn)換。由于建筑平面上一層與下一層轉(zhuǎn)折點位置呈規(guī)律性變化，用于轉(zhuǎn)換的上橫梁公料，在一個單元體板塊內(nèi)，采用多線段拼接方式，拼接位置采用采用采用U形防水插芯加密封膠連接，強化單元體防水效果，錯層位置層間轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，采用鋁板加保溫棉填充的形式，實現(xiàn)層間的防水、保溫。
2.3.空中大堂幕墻支承結(jié)構(gòu)設(shè)計
空中大堂位縱跨建筑35、36層，空中大堂兩層通高，主體結(jié)構(gòu)未設(shè)置幕墻用的層間幕墻支撐結(jié)構(gòu)，主體結(jié)構(gòu)采用直徑1.3m鋼混組合結(jié)構(gòu)柱，最大柱跨10m,由于建筑平面8段兩種不同曲率弧線加折線段圍合而成，建筑平面近似圓形，因主體結(jié)構(gòu)未設(shè)置層間梁，幕墻需要做柱間跨梁用來懸掛幕墻單元體板塊。幕墻作為建筑外圍護結(jié)構(gòu)是附著在主體結(jié)構(gòu)上，故后增梁，需要獨立在柱子外側(cè)，因建筑立面是圓弧形，層間梁需要采用弧線梁。構(gòu)造如下：
在1.3m鋼混組合結(jié)構(gòu)柱朝向室外側(cè)，設(shè)置350X200X20mm預(yù)制鋼結(jié)構(gòu)牛腿，350X200X20mm箱型梁作為單元體支撐過梁，由于建筑立面呈弧形，需要設(shè)置水平向拱梁，由4段折線段形成的立面夾角造型，需要設(shè)置折線梁實現(xiàn)，由于柱間跨度較大，外挑弧形梁、折線梁根據(jù)在水平向需要承擔(dān)水平向風(fēng)荷載（詞條“風(fēng)荷載”由行業(yè)大百科提供）、地震荷載，豎直方向需要承擔(dān)單元體板塊的自重荷載，因柱間跨大過大，在跨中L/3，2L/3處設(shè)置直徑20mm不銹鋼承重吊桿，承重吊桿設(shè)置在單元體板塊公母料中心線位置，通過設(shè)置吊桿，可以有效減小后加梁的跨中撓度限值。且有效減小后加梁截面，確保空中大堂通透效果。
2.4.首層大堂幕墻系統(tǒng)設(shè)計
寫字樓大堂作為面客迎賓的重要公共空間，首層大堂的幕墻系統(tǒng)設(shè)計是考驗超高層建筑設(shè)計的關(guān)鍵指標因素，受蘋果店超大版面玻璃的影響，在一些高端項目上，建筑師更加青睞采用全玻璃結(jié)構(gòu)實現(xiàn)首層大堂的建筑外立面封閉，目前超大玻璃加工能力目前僅有北玻可以加工，缺乏競品單位，且材料單平方造價達到萬元以上，全玻璃結(jié)構(gòu)在寫字樓大堂上的應(yīng)用受到一定的限制，通過對全玻璃結(jié)構(gòu)幕墻系統(tǒng)特點的分析，做好寫字樓大堂玻璃幕墻需要解決以下問題，要保障建筑室外充分的簡潔，盡量少設(shè)置或不設(shè)置大的裝飾線條，室內(nèi)用于幕墻支撐的結(jié)構(gòu)需要傳力路徑清晰、桿件纖細、結(jié)構(gòu)布置簡單的結(jié)構(gòu)支撐形式，實現(xiàn)大堂幕墻結(jié)構(gòu)的支撐。無疑，單層索網(wǎng)結(jié)構(gòu)是實現(xiàn)上述幕墻支撐的首選結(jié)構(gòu)形式，但T1塔樓大堂平面也繼承了標準層建筑平面特點，整體趨近圓形，建筑立面更趨近圓柱體，采用拉索結(jié)構(gòu)實現(xiàn)技術(shù)難度大。在T1塔樓大堂幕墻系統(tǒng)支撐結(jié)
選型時，優(yōu)化幕墻支撐結(jié)構(gòu)的傳力途徑，采用水平向410mm寬35mm厚度的弧形鋼板，用于支撐玻璃結(jié)構(gòu)，承擔(dān)玻璃面板傳遞過來的風(fēng)荷載和等效地震荷載，靠近玻璃一層，采用直徑27mm的不銹鋼拉桿作為承重吊桿，上端吊掛在大堂上層主體結(jié)構(gòu)上，下端與首層結(jié)構(gòu)錨固（詞條“錨固”由行業(yè)大百科提供），因為保障首層大堂充分的通透效果，層間使用鋼板作為梁單元，因鋼板在主軸方向有著良好的強度、剛度儲備，但在平面外，強度、剛度非常弱，且無保障平面外穩(wěn)定性的構(gòu)造措施，因玻璃設(shè)置在鋼板梁外側(cè)，為抑制鋼板梁扭轉(zhuǎn)及平面外失穩(wěn)，在鋼板梁內(nèi)側(cè)設(shè)置直徑27mm的不銹鋼拉桿作為穩(wěn)定桿，且對桿件整體施加40KN軸心拉力，通過提前繃緊穩(wěn)定吊桿，實現(xiàn)水平向鋼梁穩(wěn)定，為玻璃幕墻施工創(chuàng)造條件。
因吊桿屬于二力桿，未對該桿件施加預(yù)應(yīng)力，為防止桿件松動，在桿件與首層樓板連接位置設(shè)蝶形彈簧，吊桿張緊的時候，促進蝶形彈簧壓縮，在主體結(jié)構(gòu)沉降時，首層大堂玻璃幕墻也會跟著主體結(jié)構(gòu)整體沉降，最終會將沉降值累加到首層吊桿，從而易造成最底層吊桿松弛，增加蝶形彈簧，是希望在桿件松弛時，彈簧會伸長，從而將因主體結(jié)構(gòu)沉降造成的軸力損失，轉(zhuǎn)化為彈簧伸長后的彈性恢復(fù)力，從而保障桿件一直處于張緊的狀態(tài)，通過彈簧儲能，從而達到桿件軸力動態(tài)平衡的目的。
由于該結(jié)構(gòu)系統(tǒng)整體剛度柔，屬于大變形結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)非線性特征明顯，需要對結(jié)構(gòu)進行整體穩(wěn)定性驗算，首先對該結(jié)構(gòu)進行理想結(jié)構(gòu)狀態(tài)下的特征值屈曲分析，根據(jù)《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》，采用結(jié)構(gòu)的一階模態(tài)作為施加結(jié)構(gòu)整體初始缺陷的結(jié)構(gòu)初始形態(tài)，對變形后結(jié)構(gòu)施加L/300缺陷值，然后對結(jié)構(gòu)進行整體幾何非線性分析，分析結(jié)論λ單非=7.0>4.2滿足《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》穩(wěn)定性要求，根據(jù)《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中，關(guān)于塑性發(fā)展系數(shù)的統(tǒng)計值系數(shù)，計算得出再考慮材料、幾何非線性情況下，λ雙非=7.0X0.47=3.3>2.0，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。
五、結(jié)論
濟南歷下區(qū)CBD商務(wù)區(qū)A1地塊T1塔樓具有建筑設(shè)計，采用了仿生設(shè)計手法，通過建筑平面“里出外進”，建筑立面斜筋扭轉(zhuǎn)的形體表達，模仿了濟南趵突泉泉水噴涌、水面波光粼粼的特點，充分詮釋了建筑的“形”是“意”的表達。由于建筑立面造型復(fù)雜，該項目在建筑方案設(shè)計、建筑幕墻設(shè)計時候，采用了參數(shù)化設(shè)計;在解決幕墻構(gòu)造問題時候，采用五種類型公母立柱，實現(xiàn)平面內(nèi)多段線擬合;為了解決建筑平面“里出外進”的建筑形體特點，單元體構(gòu)造采用“幾”字形轉(zhuǎn)換料，實現(xiàn)形體的構(gòu)造;為適應(yīng)平面筋線位置，多角度變化，減少幕墻模具，促進成本節(jié)約，轉(zhuǎn)角筋線位置，采用合頁式組合立柱系統(tǒng)，有效解決一套組合模具解決多角度問題;空中大堂，后加外挑弧形梁，折線梁，為降低跨中撓度，控制截面尺度，采用承重吊桿系統(tǒng)，抑制結(jié)構(gòu)撓度變形;首層大堂為了保障幕墻通透性，采用桿吊肋系統(tǒng)，為了防止首層桿件松弛，增加桿件錨固點蝶形彈簧儲能結(jié)構(gòu)，為防止結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，結(jié)構(gòu)分析時，還做了整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析。綜上，通過以上幕墻構(gòu)造設(shè)計及幕墻支撐結(jié)構(gòu)的充分結(jié)構(gòu)分析，有效保障了大樓順利竣工，建筑高品質(zhì)效果充分呈現(xiàn)。.
作者單位：1 北京潤置商業(yè)運營管理有限公司
2 上海熙瑪工程顧問有限公司
3 華東建筑設(shè)計研究院有限公司
