劉卓然 許偉東

摘要：近年來常規(guī)幕墻形式已經(jīng)無法滿足設(shè)計師的多元化設(shè)計理念，各種特殊扭轉(zhuǎn)曲面的幕墻形式在實際應(yīng)用中越來越廣泛。本文主要以美的總部大廈項目空間扭轉(zhuǎn)的曲面幕墻板塊進行介紹分析。

關(guān)鍵詞：幕墻；扭轉(zhuǎn)曲面；設(shè)計

前言

美的總部大廈項目總共分為A、B、C、D四個區(qū)（如圖1所示），其中西部裙房A區(qū)幕墻面積4500m2，主塔樓B區(qū)幕墻面積20200m2，東部裙房C區(qū)幕墻面積3850m2，IT樓D區(qū)幕墻面積為8100m2。美的總部大廈的四個部分都是按照一定的規(guī)律來完成外形。整個大樓的外立面是一個扭轉(zhuǎn)的曲面，一個類似的馬鞍面的一個不規(guī)則曲面。經(jīng)三維建模分析，美的總部大廈的外立面是一個有規(guī)律可以追尋，按一定特點在變化的曲面。我們做這個數(shù)據(jù)分析的出發(fā)點是以下這三點：

1、確定幕墻設(shè)計做法及方向，為完成大廈設(shè)計和施工提供完整的理論保障；

2、為幕墻節(jié)點的設(shè)計提供數(shù)據(jù)支持，如尺寸的配合，插接位置的設(shè)計等等；

3、優(yōu)化單元板塊的編號，使得單元板塊的種類趨于統(tǒng)一，以方便工廠加工和現(xiàn)場掛裝。

本次數(shù)據(jù)分析涵蓋了本大廈A、B、C、D四個區(qū)所有的幕墻系統(tǒng)，根據(jù)幕墻板塊的難易程度和扭轉(zhuǎn)情況我們選擇了最難的和最有代表性的區(qū)域進行分析。解決了這些部分幕墻的設(shè)計及施工問題，其他的部分的問題就迎刃而解了。考慮到B區(qū)幕墻面積最大，樓最高，而且兩個裙房的轉(zhuǎn)角也存在較大的高斯曲率，我們重點分析和拆分了這兩個部分的幕墻板塊。因為這兩個部分分析過程類似，這里我們只概要的說明一下主塔樓的板塊分析。

一、主塔樓板塊翹高分析

主塔樓的板塊可以大致分為這樣的三個區(qū)域，一個是平板區(qū)域：所有的幕墻板塊都是四點共面的平面板塊。第二個為強扭轉(zhuǎn)的區(qū)域：高斯曲率大，扭曲嚴重，想實現(xiàn)四邊形板塊，難度較大。第三個是弱扭轉(zhuǎn)的區(qū)域：外觀感覺高斯曲率較低，能實現(xiàn)四邊形板塊。區(qū)域劃分具體如圖2所示。

圖2、主塔樓幕墻板塊分區(qū)圖

（一）平板區(qū)域

首先來描述一下第一個區(qū)域。這個區(qū)域的幕墻板塊都是平行四邊形的，層高相同的板塊是相同的板塊（除去轉(zhuǎn)角和收邊的板塊），空間關(guān)系簡單，做法標準。是主塔樓里面最容易實現(xiàn)的部分。

（二）強扭轉(zhuǎn)區(qū)域

第二個區(qū)域是強扭轉(zhuǎn)區(qū)域。區(qū)域內(nèi)的板塊的四點不共面，存在一定的扭轉(zhuǎn)問題。我們對這部分的幕墻板塊進行了一個較詳細的分析，求出了這部分所有幕墻板塊的其中一點到另外三點形成的平面的距離。一個四點不共面的幕墻板塊共有四個距離，其中最大的那一個為翹高。

通過計算機的輔助，進行三維放線測量，求出各個板塊的翹高值，按照范圍進行劃分，得到如下圖3所示：

從以上的數(shù)據(jù)看來，這部分幕墻板塊翹高超過100mm 的為174塊，占到了這個區(qū)域板塊的85%。這個部分的幕墻若是采用四邊形板塊就無法貼近理論曲面，所以我司采用三角形板塊的分塊方法。把一個四邊形板塊分割成兩個有夾角的三角形。從而貼近理論的曲面。

（三）弱扭轉(zhuǎn)區(qū)域

經(jīng)過三維放線測量，我們發(fā)現(xiàn)這個區(qū)域板塊的翹高在20mm和40mm之間這個范圍的幕墻板塊最多，占到了這個區(qū)域總板塊數(shù)的28%。只有3個板塊的翹高超過了100mm，幕墻板塊翹高最大為103.6mm。如圖4所示。

通過這張圖，我們能發(fā)現(xiàn)：其實如果層高一致的話，幕墻板塊的翹高分布應(yīng)該是類似同心橢圓?？紤]到這部分幕墻板塊的翹高不大，可以通過四邊形板塊的做法來貼近理論曲面。

二、主塔樓弱扭轉(zhuǎn)區(qū)域平面板塊做法

對于單元式幕墻來說，幕墻板塊是個平面插接的板塊。要形成扭曲面的效果，在這里我們采用很多工程都用過的臺階錯位法。這種方法首先把曲面劃分從一定大小四邊形的微分單元，對于有大小的扭曲面上的微分單元來說，四個點是不共面的。我們把微分單元三個角點形成的平面延伸，然后第四個點投影到平面上。形成如右圖所示的效果。我們主要采取以下的方法來實現(xiàn)板塊的做法和進行板塊的優(yōu)化：

（一）臺階的位置

美的總部大廈是有600x600大裝飾條，強調(diào)豎向效果的一個建筑。我們把上面提到的臺階最大的位置藏身于裝飾條中，把第四個點也消化在裝飾條中間。盡量的讓臺階小和第四點距離小，讓后面形成的平面板塊更加趨近于理論曲面；

（二）調(diào)整板塊的寬度

首先，這個區(qū)域中的幕墻板塊翹高的大小與板塊本身的大小有關(guān)系，幕墻板塊的寬度一定的條件下，高度越高，翹高越大。同樣，高度一定的情況下，幕墻板塊的寬度越大，翹高越大?？刂瓢鍓K的寬度與高度是控制翹高的因數(shù)之一。現(xiàn)在這個部分的板塊高度是按照層高來進行劃分的，單元式幕墻的安裝工藝和方法不允許把幕墻板塊的高度進行修高，只能是寬度方向了。在兩個600mm×600mm的裝飾條之間是有一條隱框的玻璃縫的，我們現(xiàn)在利用這條縫，把這樣的一個3.0m寬的板塊分格成兩個1.5m的板塊。進而可以將板塊的翹高降低到約為3.0m寬板塊的一半。

（三）改變平面確定的方法

為了把翹出理論面的點到理論點的距離變得更小，使得四邊形板塊拼成了曲面更加接近理論的曲面，我們對板塊做了如下的改進：

保證了1.5m分格處隱框的分格還是在它的理論位置，以這條邊對邊的中點來確定平面。這樣一來，把單邊臺階調(diào)整為兩邊共同臺階，讓板塊所在的位置更加貼近與理論所在的位置。得出感覺如下圖6的板塊拼接。使得建筑外表面有更加完美的曲面感覺。

經(jīng)過以上的優(yōu)化和調(diào)整后，幕墻的板塊最大偏離理論點的距離已經(jīng)降到27mm。這個偏差的距離分布比較均勻。我們把這個區(qū)域所有的幕墻板塊偏離理論點的距離的范圍按不同的顏色表達出來，如圖7所示。通過這張圖，我們能發(fā)現(xiàn)：其實如果層高一致的話，幕墻板塊的偏離理論點的距離分布應(yīng)該是類似同心橢圓，一圈一圈的。外圍的翹高最小，越到中心偏離理論點的距離越大。

三、幕墻板塊的合并

對于主塔樓的弱扭轉(zhuǎn)區(qū)域來說，每層26個板塊，共有34層，計884個幕墻板塊。型材尺寸不一，玻璃面板的尺寸不一，板塊也是不一樣的。這將給加工和施工帶來極大的不便。我們必須要去合并其中的一部分板塊。我們對幕墻板塊進行部分合并，方便了加工和施工，保證了工程的施工質(zhì)量、精度和進度。

相同的一個平面四邊形的板塊，它的邊長必然相同，內(nèi)角也相同。實際操作來說，控制角度比較難，我們把內(nèi)角的關(guān)系等換成對角線的關(guān)系。通過設(shè)計單元式的節(jié)點設(shè)計可以知道：板塊邊長在±7.5mm內(nèi)，對角線長度在±10.0mm內(nèi)所有幕墻板塊都能在節(jié)點上進行調(diào)整和消化。我們在上步的分析成果上，分析每個板塊的邊長和對角線，進而對幕墻板塊進行合并。

分析結(jié)束后，我們把4m層高的的所有板塊（共計702塊）合并成了如下圖8所示的15種板塊

四、總結(jié)

經(jīng)過預(yù)先的三維建模分析，可較簡潔的發(fā)現(xiàn)工程幕墻形式的某方面特點及規(guī)律，能夠準確的確定幕墻設(shè)計做法及方向，為完成工程項目的設(shè)計和施工提供完整的理論保障；可更精確的提供大部分的數(shù)據(jù)支持，減少幕墻板塊的種類以便于加工。以往的高層和超高層建筑大都符合單元式幕墻的使用條件，一般都是較大的體積和較為規(guī)整的立面。但人們總向往能夠得到與眾不同的東西，所以像鳥巢、央視大樓這一類造型奇特的建筑便應(yīng)運而生了。這對我們來說，意味著市場正在形成一個新的需求，有必要進行這一領(lǐng)域的技術(shù)探索和研究。此次通過美的大廈幕墻板塊的分析，強化了對于特殊扭轉(zhuǎn)曲面幕墻工程的設(shè)計、施工經(jīng)驗，必將更容易的適應(yīng)幕墻行業(yè)未來的發(fā)展方向及建筑行業(yè)的全新需求。