超高层建筑“太阳座”年底扭起来，复杂曲面幕墙的技术挑战

“转自：“

来源：装配时空圈

重庆高科太阳座位于重庆北部新区幸福广场，由Aedas负责建筑设计，以“极光”为概念，南北立面的弧形扭曲造型，成为标志性的特色和最大的技术难点。RFR担任双曲部分的幕墙顾问，双曲幕墙面积约8000平方米，双曲幕墙板块数量多达1709块。

太阳座现已进入塔楼外装塔冠钢结构安装、消防安装和空调管道施工阶段，内装样板层施工已基本完成。项目整体预计今年底竣工。建成后，该大楼将成为全国扭曲结构的标志性建筑。

“世界最高扭转塔楼”的图表（CTBUH）

重庆高科太阳座塔楼的最大单层扭拧角度达8.8度/层，约为目前全球单层扭拧角最大的F&F大厦的1.5倍，远超同类项目，有望在未来成为超高层建筑的“世界第一扭”。

该项目已荣获2019年度三峡杯优质结构工程奖。凭借独特的外观、扭曲的结构，在众多楼宇项目中脱颖而出，其南立面的单层扭拧角度最高达到了8.8度/层，而全球现有的高层项目单层最大扭拧量为5.9度/层。

扭曲缩放超高层建筑由于每层的旋转角度增减和缩放面积的变化,严重影响到每层幕墙的分格大小,分隔缝也不能贯通,幕墙施工时安装精度、外装饰效果极难控制。超高层扭曲缩放结构体在施工过程中除要克服常规高层结构在施工过程中的难题外,更需保证超高层扭曲缩放幕墙安装精度,以及超高层扭曲缩放结构体幕墙外装饰效果等一系列问题,才能为高质量的施工打下坚实的基础。

纤柔扭转的“腰部”

高层建筑和城市住宅委员会（CTBUH）在2016年对于全世界扭转塔楼进行了研究，从高度、结构紧实度以及总扭转度数进行分析比较，得出巴拿马城的F&F大厦（233米）是当时世界上单层扭转角度最大的超高层建筑，最高达5.943度/层。

太阳座由一栋39层的超高层塔楼和一栋3层商业裙房及2层地下车库组成。项目总建筑面积约10.1万平方米，主体建筑达201.5米，总投资约10亿元。独特的造型让太阳座项目的幕墙安装工程成为了最具技术含量的施工环节之一。项目幕墙面积约35400平方米，采用大量竖明横隐扭面单元式玻璃幕墙系统，其中扭曲面幕墙板块数量多达1709块。

对于性能和加工精度都要求较高的超高层单元幕墙，拟合双曲面一直是一大难题。在本项目中，RFR的幕墙团队与Aedas的建筑师深度合作，应用了两大关键性技术——双曲单元玻璃冷弯，复杂曲面幕墙设计和BIM，挑战世界级难度，实现标志性的建筑形态。

双曲单元玻璃冷弯技术

COLD BEND GLASS TECHNOLOGY

利用冷弯拟合技术设计扭转曲面玻璃，每块玻璃的尺寸大小以及扭曲程度均不同，成功地用平板玻璃代替双曲玻璃，节省了1100万的建设成本。为让每一块幕墙板块精准地安装到墙面，项目大规模运用BIM（建筑信息化模型）技术，从测量、设计到加工、安装，制定了系列技术支撑方案。

平板玻璃冷弯量分析

玻璃分格的每三个顶点形成的平面与第四点的距离最小的，即为此块玻璃分格的最适平面。这个距离即为将平板玻璃冷弯成双曲玻璃的冷弯量。本项目冷弯量最大为86mm，之后通过计算验证此冷弯量在许可范围之内，可以满足设计要求。

建筑外立面扭转,结构平面、竖向不规则超限的复杂超高层建筑结构,采用了钢管（型钢）混凝土框架-钢筋混凝土核心筒混合结构体系。外立面扭转导致外框架中竖向构件不连续,形成受力复杂的空间斜柱,进而造成结构各层平面形状、布置不断变化,以及结构扭转不规则。

单片平板玻璃最大冷弯量86mm

从设计加工、吊装等方面对超高层大体量厚板双扭曲钢结构施工进行了介绍。通过改进双扭曲构件空间定位、优化吊装工艺、结合有限元模拟吊装变形及焊接应力、利用BIM+三维扫描+点云等技术对复杂钢结构施工进行深化,很好的保证了现场钢结构施工的质量。

从平面上对扭转角度最大的区域进行分析示意

不仅如此，塔楼高低区还采用了VAV空调系统、智能化新风系统、节能玻璃幕墙、网络架空地板、楼宇智能控制系统等先进技术，项目按美国LEED建筑认证金奖和建设部绿色建筑二星级标准进行打造。本工程主体结构施工应用了建筑业十项新技术（2017）版中的7大项17子项。

玻璃冷弯研究

玻璃冷弯应力分析、对不同宽度、不同厚度的玻璃应力进行对比

通过1∶25缩尺模型振动台试验,对模型结构在6度多遇、设防和罕遇地震作用下的加速度、位移等动力响应以及结构的损伤破坏情况进行观测,评价该结构体系的整体抗震性能。研究结果表明:通过增大竖向构件截面方式提高结构层高较大的楼层刚度引起了结构局部刚度突变、应力集中,致使薄弱部位转移;结构顶部塔楼的收进导致鞭梢效应明显,急剧增大了楼层变形;CFST柱-SRC梁框架的SRC梁端和节点周围加强环梁,以及RC核心筒连梁为主要损伤部位;模型在6度罕遇地震作用下能保证”大震不倒”,该结构体系具有良好的抗震性能,能够满足预设抗震性能目标。

复杂曲面幕墙设计和BIM技术

COMPLEX GEOMETRY FACADE DESIGN & BIM

独创的幕墙系统使之能适应单元板块多角度，多尺寸变化的要求，并保证幕墙性能。为了研究超限高层中复杂连接点及关键点设计,建立了重庆高科太阳座项目结构设计中复杂连接节点的数值模型,详细分析了V形和X形节点中不同形式节点（分叉柱节点、直接相贯节点、支管底部与主管端部交汇节点）的力学行为。结果表明,本工程节点符合规范要求,超限高层节点受力复杂,需要分别考虑是否有混凝土情况;对于合仓柱形式及有内隔板的复杂节点,需要对合仓柱和内隔板的力学行为单独分析。

BIM几何分析图

由于立柱的倾斜角的变化，导致立柱和横梁相对对位的角度和位置关系变化。这个数值决定了系统横框的种类。上横梁的上部分采用分体设计，每2.5度开一套模具，并根据倾角前后错动，与立柱内腔壁（气密线、水密线）对位。

垂直节点

在本项目中，真正做到了从整体几何优化分析，幕墙模型建模，LOD400加工图深度构建建模，到加工图数据自动生成和检查的全过程幕墙BIM流程，保证效果要求和设计思路的完整贯彻。BIM系统在方案初期模拟真实构件的效果，达到对设计呈现的效果最大把控。

节点拆分

大比例的三维打印模型在帮助幕墙设计单位，施工单位与业主沟通与理解这一复杂三维单元系统起到了重要作用。建成效果与模拟效果高度一致，完美的呈现了建筑师在概念设计中的“极光”立意。

BIM建模过程图

项目设计师Aedas全球设计董事韦业启从极光这一绚丽而少见的发光现象中汲取灵感，将办公塔楼南侧与东侧立面顶底相连，以独特的双曲面模拟极光弧幕状优美的姿态，上演一场“光之舞”，从不同角度可以欣赏到不断变化的曲面形态。当艳阳高照，曲面被渡上亮眼的金色，塔楼变作光的化身。而夜幕降临，塔楼立面映射着白光，曲面如同少女翩翩起舞时柔美的腰肢。

三维模型打印

为了研究扭曲柱工程中的结构设计难点,采用SAP2000,PMSAP和EPDA等软件进行了扭曲柱工程中的楼板应力分析和屈曲分析,同时与缩尺模型地震模拟振动台试验结果进行了对比。结果表明:斜柱及斜撑构件竖向角度变化处会产生较大水平分力,水平分力会传递给与其相连的梁、板。设计时,此区域采用型钢混凝土梁,适当增大此区域楼板配筋,可以显著提升结构整体性能。

同时，裙楼的屋顶平面由竖直方向连续扭转至近似水平方向，以几何形式语言与塔楼形成呼应，保持了建筑风格的统一。大楼的最大特点在于其扭动的身躯，像一个在两江幸福广场上翩翩起舞的舞者，身材婀娜多姿，让人眼前一亮。这一独特极致的扭转造型形成了扭曲极大的双曲面，项目体量中最大单层扭拧角度达8.8度/层，远超同类项目，是全球现有的超高层项目单层（CTBUH Journal, 2016 Issue 3)最大扭拧角度的近1.5倍，项目建成后将是“世界第一扭”宝座的强力竞争者。

模型和实际对比图

对于扭曲较大的双曲面超高层而言，其拟合双曲面一直是一大难题，设计师韦业启与RFR通过深度合作，以复杂曲面幕墙BIM和双曲幕墙单元的玻璃冷弯技术攻克了这一挑战。独创的幕墙系统能适应单元板块多角度、多尺寸变化的要求，确保建成效果与模拟效果高度一致，并保证幕墙性能。而采用三维组框+平板玻璃冷弯设计的玻璃单元，以打破国内最大单元玻璃翘曲量的86mm让设计得以实现。整个过程真正做到了从整体几何优化分析、幕墙模型建模、LOD400加工图深度构建建模，到加工图数据自动生成和检查的全过程幕墙BIM流程。

可行性验证

FEASIBILITY VERIFICATION

通过“双曲单元玻璃冷弯”，“复杂曲面幕墙设计和BIM”两个关键性技术，团队解决了平板玻璃拟合双曲面的难题，实现了建筑立面柔美的弧线效果。在招标阶段之前，我们进行了玻璃冷弯试验，证实了设计假设的可行性。

玻璃冷弯试验

在超高层工程中,遇到了直纹渐变扭曲玻璃幕墙立面设计及施工的难题。由此,施工中通过采用平板玻璃面板逐层释放旋转法,来实现直纹渐变扭曲立面造型的施工技术,并采用装饰肋造型、装饰管总成安装工艺,最终解决了施工的难题且节省了工期。经施工实践证明,该技术具有良好的社会和经济效益,可为今后同类施工提供借鉴。

根据有限元分析结果，基于整块建筑幕墙上冷弯后应力最大的玻璃，冷弯试验选取3片玻璃样品，进行冷弯前表面应力测量，分级施加冷弯量，并记录变化。试验结果证明玻璃样品能够承受最大设计值的冷弯量86mm。创新的设计与细致的求证工作为项目的实现打下了坚实可信的基础，规避了合约及安全风险。

冷弯试验数据如下：

GH8冷弯夹胶玻璃风荷载作用下应力变化测试数据表（单位：MPa）

目前，重庆高科太阳座项目已进入塔楼外装塔冠钢结构安装、消防安装和空调管道施工阶段，计划于今年年底竣工。与其它扭转形体幕墙相比，重庆高科太阳座项目利用较少种类的型材模具和冷弯拟合，保证曲面平顺无错台凹凸的效果。我们期待它以标志性的建筑轮廓，为重庆市民的公共空间增添特色，成为极具活力和辨识度的城市新地标。

重庆高科太阳座（左一）与其它扭转塔楼对比

这一世界级难度挑战，有赖于RFR以及前沿幕墙技术的助力，得以将设计高精度实现。为了实现大楼扭动的外衣，该项目应用了大量竖明横隐扭面单元式玻璃幕墙系统，扭面单元数量多达1709块，极大的考验幕墙企业生产加工能力。

在当前的大多数高层建筑中,通常会遇到直纹渐变扭曲玻璃幕墙立面设计或者施工上的难题,为了提高高层建筑物的质量和施工效果,应该在施工中采用平板玻璃板逐层释放旋转法来保障施工质量,实现对直纹渐变扭曲立面造型的设计,解决了施工中出现的问题,节省了工期的时间。通过在高层建筑中的应用,证明该实践具有重要的现实意义,促进施工质量的提高,为高层建筑的施工提供参考性的依据。