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    复杂幕墙的设计
    发布者: 2018-07-01

    复杂幕墙的设计

    作者介绍:董彪,中国建筑西南设计研究院有限公司建筑幕墙设计研究中心总工程师。中国建筑学会建筑幕墙学术委员会副理事长;中国钢结构协会围护系统分会理事;中国建筑防水协会金属屋面技术分会理事、金属围护系统专家;四川省金属结构行业协会副会长,专家组副组长;四川省建设科技协会门窗幕墙专委会专家组组长。代表作品有:重庆市江北国际机场T3航站楼、青岛新机场航站楼,成都市南部副中心科技创业中心、四川川投调度中心、四川省图书馆新馆、北京市电力科技馆、四川华电办公楼、四川国际网球中心、成都市高新西区创新组团、成都国际科技节能大厦、成都天府新城民丰写字楼、瓦努阿图国际会议中心等。
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    摘要以一些层次复杂、结构复杂、构造复杂的幕墙的简单介绍开始,提出了解决复杂幕墙设计问题的思维方式。进一步以都江堰万达文化展示中心、天府新区省级文化中心两个造型复杂工程的幕墙设计为例,详细介绍了两个项目幕墙的设计方法。指出幕墙设计需处理好业主、建筑师、结构师三个关键关系,及起到两个平衡的作用。提出了解决复杂问题的思路、方法及建议。
    关键词:复杂造型、幕墙设计
    1.复杂幕墙:
    所谓的复杂建筑就是为实现建筑语言,从造型、构造、层次、结构等方面采取一些非常规设计形式的建筑。建筑师的设计思维及部分业主的需求是多元化的,常常力求新颖,力求标志性,力求视觉冲击力。特别是在博览建筑、体育建筑、文化建筑及一些特殊功能建筑上表现尤为突出。因为有了建筑师的大胆创意,作为建筑的外衣,复杂幕墙也就出现了。复杂幕墙同样体现在四个方面——造型复杂、层次复杂、结构复杂和构造复杂。要很好达到建筑效果及业主的需求,对复杂幕墙的设计需要幕墙设计师的细致的思考、大胆创新及善于把应用新工艺、新材料用到幕墙设计中。
    1.1层次复杂幕墙:
    北京电力科技馆(图1),位于北京菜市口大街,它的层次复杂主要体现在:除了传统内层玻璃幕墙的基础上,还在外面加了一层镂空的石材外网和超大板块外挂玻璃板。石材最厚达到了50mm,还要兼顾室内效果。最大的超大玻璃板块达到了3mx11m。
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    ?????????????????????????????????? ??图1 北京电力科技馆幕墙
    成都天府国际金融中心项目(图2),在玻璃幕墙的外面设置了铝板金属网,这是国内首次采用厚金属板作为建筑外装饰材料的项目,同时金属网与玻璃幕墙之间还在每层设置了检修及清洗走道。
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    图2 成都天府国际金融中心幕墙
    1.2结构复杂幕墙:
    成都春熙路地铁站(图3),用单索完成一个采光顶。每根单索的长度都不同,且两侧斜拉的索是往平面外斜拉了近30度,每根索的受力会影响别的索,因此受力比较复杂。设计对索预拉力、各种工况的索拉力变化都需精确的分析和计算,并且施工过程中张拉和检测同时进行,才能保证施工精度和柔性结构的稳定。
    ??????????????? 图3 成都春熙路地铁站单索采光顶
    ????成都规划馆项目(图4),在大跨度空间的底层6.5m高范围内,建筑师要做一个尽量通透的、倾斜45度倒椎体的玻璃房子。在主体结构承受能力有限的情况下,幕墙设计用钢板肋完成的一个作品,实现了建筑效果与安全保障的统一。
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    图4 成都规划馆底层倒椎体幕墙
    1.3构造复杂
    某地下室的楼梯出口(图5),完全用玻璃结构建成的一个房子。结构分析中力学模型的假设、玻璃与玻璃之间连接的处理等难点,是对设计师能力的考验。设计构造还要确保玻璃这种脆性材料在破损状况下结构整体的安全性能。该项目的复杂性就主要体现在脆性材料在复杂受力结构中应用的构造设计上。
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    ?图5 某地下室的楼梯出口的玻璃建筑
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    1.4复杂幕墙的设计思维:
    复杂幕墙的设计实现需要思维模式的改变和创新,设计过程概括起来可以分为四步:了解复杂问题、简单的进行思考、小心的进行求证、最后予以落实。从复杂到简单、从简单到复杂。通过这种思维的分析及细致的工作,一些复杂幕墙问题通过简单的技术手段的结合,大多都能解决。
    而现代建筑幕墙中造型复杂的情况比较常见,下面以两个工程项目的幕墙设计案例来分析复杂造型幕墙设计的一些手段和方法。
    2.都江堰万达文化展示中心
    2.1项目概况
    都江宴的万达城项目是万达集团投资在都江堰建了一个集文化、旅游、商业、酒店等多种业态,涵盖电影、演艺、主题乐园等各类游乐元素的巨型航母。都江堰万达文化展示中心是是该项目集群中最先开工,最先开放的建筑单体。图6、图7所示为都江堰万达文化展示中心的效果图。
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    图6都江堰万达文化展示中心效果图——花重锦城说明
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    ????? 图7都江堰万达文化展示中心效果图——花重锦城鸟瞰
    方案是以成都的市花芙蓉花为建筑构思。以花重锦城的概念,力求体现出芙蓉花绽放时的“柔、皱、透”的特点。夜间配合灯光表达蜀锦的华丽风采。整个建筑的外立面通过三个层次的粉红色的曲面造型来表现花瓣的形状,同时用一条条发散的竖向杆件表达花瓣的纹路,用曲线的弧度变化及高度变化来表现花瓣的柔美及灵动。
    2. 2通过沟通了解需求
    这种复杂造型幕墙的设计是具备一定的难度的,需要找到一个比较理想的契合点或一条规律才能从根本上解决问题。与业主、建筑师的沟通尤为重要。只有通过沟通,才能深入了解业主及建筑师的想法,才能找到解题思路。
    了解及沟通后,各方形成以下几点共识:
    1)、该方案最关键的就是这个幕墙的实现,项目的成败就在幕墙。保证建筑效果是第一位的,绝对不能出现完工后与效果图出入较大的情况。
    2)、方案设计方及业主对该幕墙的实现没有太多的思路,从材料的选择到具体的实现都需要幕墙设计尽快提出方案。
    3)、项目夜景也是控制点,竖向的肋要能发光。
    4)、建筑内层还有一层幕墙来保证使用功能,外层幕墙就是装饰和造型的需要。
    5)、工期非常紧,没有详细研讨的时间,幕墙设计方提出来的方案必须是切实可行的,同时还要考虑材料加工及现场安装施工的便捷、迅速。
    6)、原建筑方案的倾斜角度和曲率一直在变化,规律性不强。在不影响整体效果的前提下,外形可适当进行调整。幕墙设计与建筑方案设计共同工作,提出调整意见,由业主确定。
    2. 3设计思路及原则
    了解了需求,就有了解决办法。首先就需要确定设计思路及原则。经过分析,沟通,在现场就确定以下设计原则:
    1、主要材料:钢结构及玻璃。立面为渐变的粉红色数码彩釉玻璃,肋为白色彩釉玻璃。
    2、构造方式:为便于造型及施工,主要幕墙形式为点式幕墙,?
    3、肋与面板的关系:分开,独立连接在钢结构上,便于施工组织。
    4、为实现立面曲线具有一定的规律性,对现有模型及分格进行优化。
    5、面板采用平板玻璃、局部采用单曲玻璃。肋玻璃进行弧线切割,以保证圆滑曲线。
    2. 4工作的方式方法
    在确定了设计原则的基础上,开始进行详细的设计组织。
    1)、首先画出基本节点、讨论、定型。(图8)
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    图8 基本节点
    从节点可以看出,采用钢龙骨支承,面板用两个独立的点式爪件固定。玻璃肋用独立的夹具错位固定在钢龙骨上。为保证玻璃肋的稳定及直线度,同时达到用面板玻璃抵抗肋玻璃的侧向风荷载的作用,在肋与两侧面板玻璃之间用透明的结构胶进行二次固定。由于曲面的原因,两面板玻璃安装会出现阶差,但采用了白色彩釉的肋玻璃的设计,两边的面板玻璃安装出现阶差也不会影响外观效果。
    2)、与建筑师一起用犀牛优化模型及分格,最后确定每一段花瓣的立剖面是同一条曲线旋转而成,简化玻璃及钢结构。最终的造型基本实现了建筑师对造型要求及便于设计施工的意图。(图9、图10、图11)
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    图9 建筑最终的平面图?
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    ??????? 图10 建筑基本的元素曲线
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    ???????????????????? 图11 建筑的犀牛模型
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    可以看出每一层的平面都是由规则的圆弧及直线组成的。用直线来实现不同圆弧之间的交接。三个圆弧的圆心组成了一个等边三角形,三个圆弧的半径是不同的,同时在高度方向上的每个位置的平剖面半径也是不同的。5条基本的元素曲线围绕圆心旋转,依靠这几个曲线旋转,相交,复杂曲面表皮的就出现了。但这个复杂曲面表皮是有规律的,相对规则的。幕墙设计的实现就简单了很多。
    3)在节点、曲面数据全部确定后,对各层花瓣的钢结构进行计算分析,保证支承结构安全。
    4)以上述工作为基础,开始详图设计过程。为便于现场加工、放线定位,利用犀牛软件将钢结构空间定位、玻璃定位及关键标高定位全部体现在图纸中。并进一步对各关键部件的构件精细分析和计算,从外算到内,确保每个部件的安全可靠,不留安全隐患。
    可以看出该复杂项目的最终实施是找到了正确的简化过程,并通过沟通、分析、优化、细化等工作,把一个复杂的问题最终简单的进行处理,一开始就从设计思维上保障了项目的完成度,为项目最终实施设计、加工、安装的顺利奠定了基础。
    2.1.5项目完成情况:(图12、图13、图14、图15、图16)
    图12 都江堰万达文化展示中心俯视
    图13 都江堰万达文化展示中心正面
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    图14 都江堰万达文化展示中心背面
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    图15 都江堰万达文化展示中心正门口
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    图16 都江堰万达文化展示中心夜景
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    3.?四川天府新区省级文化中心
    3.1项目概况
    整个建筑分为三个单体,创意来源于蜀中文化,同时也象征着天府新区的日新月异及不断发展,这个建筑群看起来像丝带在缓缓展开,充满了灵动的气质,代表着文化持续发展的理念。立面上不同大小的切口,如雕刻一样,体现建筑内涵。(图17)
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    图17四川天府新区省级文化中心的效果图
    3.2设计思路
    该建筑表皮经多次讨论及分析后,决定采用金属铝板作为面材。
    由于是丝带展开的效果,所以外立面就不能是标准圆弧这种较规则的曲面,他的曲线随着立面的展开是一直在变化的,有内倾、有外倾,这就造成了曲面上四点不共面的情况。如果用平行四边形平面去模拟,就会有很多阶差。因此经与建筑师协商,最终用三角形来模拟整个外立面。然而建筑要求每个板块分格很大,在5.1m高层间只分成两个分格。根据建筑师的设定进行表皮划分后,每个三角形的底边长度达到了5.6m,高度达到了2.55m,有个别位置还更大,用一张铝板实现是不现实的,即使能实现造价也会比较高。因此幕墙设计对立面又进行了一次细分。(图18、图19)
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    图18 四川天府新区省级文化中心1#楼立面图
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    图19 四川天府新区省级文化中心立面局部放大
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    利用有些板块内部镶嵌玻璃的特点来细分三角形面板。镶嵌玻璃会有一个铝板边框,把铝板边框的尺寸进行统一,使中间三角形的高度在控制在1.9mm左右。如果中间是玻璃,就镶嵌在铝板组成的框里,中间是铝板就与外表面一平。即使玻璃洞口小一些,用铝板补充的部分依然保留这个分格缝。这就解决了由于铝板的原板尺寸限制而不宜实现的问题。设计时将每个三角形板块(包括其中玻璃)做成了一个单元构件,每个三角形板块均要求在工厂内组装完成,现场只需一整块挂装,既提高加工质量及精度,也提高现场的施工效率。
    由于曲面的不规则性,因此每个三角形的尺寸是略有不同的,同时6个三角形的交点各个方向的角度也是有变化的。因此就需要设计一个可以适应任何角度的六头连接件,使三角形板块的连接在一个节点上全部解决完。本工程幕墙设计师就设计出了这么一个不锈钢六连杆的可调节连接接头,来完成该功能。它既可以平面内调节,也可以平面外调节,一个标准件解决所有问题。(图20)
    图20 不锈钢六连杆可调节连接接头
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    3.3设计手段
    这种复杂造型的幕墙,在当前幕墙设计手段比较完善的情况下,一定需要空间建模及参数化分析。并且利用这些模型精确定位各节点的空间坐标,保障设计及施工精度。(图21)
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    ?图21四川天府新区省级文化中心1#楼犀牛模型
    4.幕墙设计中的协调问题
    幕墙设计作为建筑工程设计的一个专业,方方面面有很多需要协调整合的关系。最关键的就是要处理好与三个方面的关系:业主、建筑师和结构师。还要起到两个平衡的作用:业主与建筑师之间的平衡、建筑师与结构师之间的平衡。
    4.1处理好三个关系:
    1)业主:做设计的人总是希望回归纯粹的技术,但项目的实际情况往往不那么简单。面对各个环节的不断修改和调整,幕墙设计师要保持平和的心态。有一句俗话叫:做事不由东,累死也无功。因此与我们设计师的第一大东主——业主的关系是必须要处理好的。
    2)建筑师:从宏观的、建筑全局的角度来讲,幕墙设计是不具备原创性的。幕墙设计是根据建筑师的设想,在建筑、结构规定的原则下,发挥幕墙专业的特长,来分析、细化和完善,并进行有针对性的系统设计和细节设计。没有建筑创意这个前提,幕墙设计也就无从做起。但从微观的、建筑细节实现的角度来看,幕墙为了适应建筑的创意,经常要打破常规,创新设计来实现建筑效果和功能。因此幕墙本身的原创性又是必须的能力,是促进建筑幕墙行业发展的基础和动力。处理好与建筑师的关系,也是我们幕墙设计作品顺利实施的关键。
    3)结构师:结构是所有幕墙构件赖以存在的基础,基础就会直接影响幕墙设计的形式及构造。因此与结构师之间的互动是实现幕墙构造连接形式,保证结构安全的最主要的一环。
    4.2起到两个平衡的作用:
    处理好三个关系的同时,幕墙设计师又是平衡业主与建筑师、建筑师与结构师关系重要一环。对一个建筑,仅就外装饰部分而言,幕墙设计师是可以有一定的话语权的。那么,怎么让各方尊重并听从你的意见呢?
    首先幕墙设计师必须能够静下来倾听各方的观点和诉求。找到各方的关键利益及切入点。善于思考的同时,保持一颗公正的心,从有利于建筑的角度去阐述你的观点,才能让人信服。如果把做幕墙比作是做衣服。买衣服的人是业主,而衣服的样式是建筑师设计的,做衣服的工具是结构师提供的,那么幕墙设计师要做的就是:利用好手中的工具,拿着样式图,来为客户量身定做一套钟意的、穿着舒服的、为此而愿意掏钱的作品。幕墙设计师就是做衣服的人,全局意识及美学概念必不可少。好的幕墙设计师,决不是躺在前人故纸堆里闷头画图的设计,而是做一个善于与各方沟通、善于发现亮点、善于创新、不拘一格又认真严谨的设计师。
    5.?解决复杂问题的思路、方法及建议
    5.1思路
    有两个概念——思维发散和做事专注,是解决复杂问题好的思路。
    要解决一些复杂的、且没有多少经验的问题,首先思考时不能给自己设置条条框框,需充分发挥自己的想象力及知识储备。在找到解决途径和方法后就要仔细的求证,考虑问题要全面,分析和论证要详细。这样才能真正的解决问题,并保证扎实的落地。
    5.2方法
    怎么实现发散的思维最终汇集到一点,从而形成闪光,最终达到创新及落地的目的呢?这就需要我们的设计师具有扎实的基本功、丰富的实践经验及不可或缺的善于分析及总结的能力。人都是学而知之的。前辈及大师之所以能取得大的成就,不是他们天生有多么的优秀。都是通过学习、观察、思考、分析、总结、实践的努力而实现的。
    5.3建议
    1)、与时俱进,不能在技术手段上落伍。
    复杂造型幕墙需要专业的设计工具作为辅助手段,以便快速、直观的体现出不同思路带来的不同效果。发现问题,解决问题,利于准确的判断和选择。
    2)、吸收借鉴,兼容并蓄,整合资源,技术进步。
    要不拘泥传统及技术本身,善于总结和技术结合,多吸取其它专业和行业的经验,并恰当的利用到幕墙设计中。
    3)、坐而思不如立而行,敢于提出问题,更要培养自己解决问题的能力。
    权威和专家是用来尊重的,不是用来迷信的。社会在发展,技术在进步,只要保持一颗进步、创新、闪光的心,注重日常的积累,就不担心设计经验、能力及水平的提升。
    4、不畏挑战,思路开阔,大胆创新,务实分析,扎实工作。
    幕墙设计并不复杂,有时候想得过于困难,往往容易被束缚手脚。好的设计,有时就是把复杂的问题简单化处理,从而找到解决问题的思路。但在设计落地的过程中,需要全面的考虑及分析问题,不吝复杂的去验证。这是一个过程,也是好作品实现的技术保障。包括设计合理性、加工的方便性、安装的可实施性、造价的可控性等等。脍不厌精,食不厌细,说的就是设计后期工作的方式。
    6.结语
    设计中的理性思维及创造学方法是解决问题的关键。世事没有绝对,道路更不止一条,这就是设计的魅力所在。意识的提高及技术的进步,促使我们幕墙设计师们不断总结、创新和提高,与业主、建筑师及建筑界同仁一起创造出一个个实用、安全、新颖、独特、艺术、具有社会价值的建筑幕墙工程,为现代城市添加一份精彩。

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    ·1 (2018-07-02 14:29:26)
    主办单位:四川省金属结构行业协会 成都市金属结构行业协会
    协会地址:四川省成都市成华区龙港路333号双子星A座2-3 电话:028-86268713
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