行业动态 | 上海中心大厦幕墙设计解析

发布日期：2021-03-19 15:12:09 浏览量：2104

发布日期：2021-03-19 15:12:09

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上海中心大厦幕墙设计解析

上海中心大厦以632米的高度

刷新了上海天际线

成为中国最高的建筑

它不仅将上海这座传统城市的丰富内涵

以垂直的形态重新诠释

与此同时

整个建筑的幕墙设计更是一大亮点

即便是当下仍有许多做法值得大家深入研究与学习

不对称形体、锥形建筑轮廓和圆角设计

有利于抵御上海常见的台风

01.

设计灵感

设计团队充分利用蜿蜒的黄浦江勾勒出的城市线条，和不对称布局带来的各种可能性，将上海市的城市肌理融入设计。

垂直空间规划来源于中国人生活中缓冲室内与室外的“朦胧空间”，这是在上海特有的石库门建筑常见的元素。长长的里弄和庭院是上海社交生活的背景，上海中心的设计将这种里弄的布局垂直呈现。

▼从上海中心大厦俯瞰黄浦江

▼建筑立面

上海中心大厦的旋转形体让建筑带有几何规律的缓缓自地面延伸向云端。而螺旋所隐喻的宇宙间的旋转，正是万物生命的起源，比如最小物理单位--原子的运动和结构。

▼旋转形体

▼向上旋转攀升，象征着超脱时间与空间

02.

外型解读

Gensler设计团队运用三大关键设计策略--不对称形体、锥形建筑轮廓和圆角设计--有利于上海中心大厦抵御上海常见的台风。

Gensler和结构顾问(Thornton Tomasetti)合作，在加拿大实验室进行风洞试验，进一步优化大楼外立面，使建筑风荷载减少了24%，成就了更轻量的结构，并为业主节省了3.6亿人民币的材料开支。

▼设计示意

▼不对称形体、锥形建筑轮廓和圆角设计有利于抵御上海常见的台风

设计团队运用参数化设计技术深入研究不同的立面方案，精准规划两万多块幕墙组合，制造七千种不同规格的玻璃面板。

不同于传统建筑，上海中心大厦的玻璃外墙是分别在各层分区由上往下施工的。独特的悬臂吊挂着铁杆的外墙系统，克服了一个极大的设计挑战。

▼独特的悬臂吊挂着铁杆的外墙系统 ©Connie Zhou

▼建筑外观-塔顶

V字形的凹槽凸显了外墙的螺旋几何形体，同时缓减了建筑周边的风力。

▼外墙的V字形凹槽

03.

可持续设计

上海中心大厦是世界上最先进的可持续高层建筑之一，采用各种绿色技术和策略展现了对于城市环境的承诺。

Gensler设计中的一个核心元素，是包裹建筑的双层透明幕墙，减少了制暖和制冷的能源消耗。

建筑设计充分利用最先进的节水措施、高效建筑管理系统和提供大厦部分能耗的发电系统。

▼首层空间外观

日光利用- 玻璃幕墙最大幅度地利用自然光，降低了对电力照明的需求。

▼玻璃幕墙外观

双层幕墙 –外层玻璃帷幕给大厦围裹了一张绝缘层，大大节约了能源消耗。

▼双层幕墙局部 ©Blackstation

发电系统 – 大厦外部照明由幕墙内的270个风力发电机提供部分电力。

▼风力发电机

上海中心大厦的设计，针对未来城市发展立下了许多标杆:适当的功能规划、践行节约资源的承诺、接入城市轨道交通，打造宜人尺度的空间，为日常生活体验添加乐趣。上海中心大厦以人为本、环境优先的设计出发点，展示出未来超高层建筑的可能性。

▼建筑外观夜景 ©Connie Zhou

04.

外幕墙系统的参数化设计研究

上海中心大厦设计初期，就将绿色建筑作为整个建筑的设计目标之一，对建筑相关各领域的尖端技术进行全方位的创造性整合和应用，而在诸多绿色专业设计技术中，分离式双层幕墙是最关键的绿色设计技术策略。为了达到这一目标，上海中心大厦创造性地设计了从未在超高层建筑中大规模使用的内、外分离的双层幕墙系统，在双层幕墙之间形成环境缓冲区，双层幕墙的外表皮成逐层旋转并逐渐向上收分的形态，这意味着大楼的每个楼层均保持了几乎相同的几何外形，但是逐层旋转缩小。

为了达到设计目标，确定外幕墙的最佳形态，设计团队制定并遵循一套严谨的参数化设计流程，从几何学的角度对塔楼的扭转和收分这两种主要的运动方式进行准确的描述，其几何生成的过程理论上可以被称为生成算法(Generative Algorithms)。根据设定的算法在参数化软件中建立关联性模型，由计算机自动完成复杂的运算，创建起一个整合了建筑结构和表皮的关联模型。这一步的工作包括定义二维几何、三维几何的生成规则。在参数化软件里，算法本身不断被优化，直到快速，最直接的找到需要的信息。输入参数也被限定在最小范围，比如最主要的旋转、收分等，通过这些关键参数就可以对模型进行从总体到局部的动态调整。模型调整完毕之后，设计团队将设计结果提交给风工程顾问公司进行风洞实验，以验证和确定最终的外幕墙形态。

▲外幕墙参数化设计

在整个外幕墙的选型设计中，主要解决两个关键问题:确定外幕墙水平向基准平面，确定外幕墙竖向旋转角度和缩放比例。

在水平外形设计上，由于外立面45m以下区域基本上被周边建筑遮挡，为此以45m标高处的圆角三角形轮廓作为建筑表皮的基准平面沿高度方向逐层扭转、收分形成整个光滑、连续的流线形建筑表皮，圆角三角形由两段半径分别88.38m 和19.453m的大小圆弧围绕建筑的几何中心交替衔接重复3次，并在其中一个圆角开95°的V形口。其中大圆弧圆心距建筑几何中心47.565m，圆心角46.6°，小圆弧与大圆弧在端部相切连接，圆心角73.4°。

▲外幕墙设计理念

在外幕墙的竖向设计上，为了让建筑形态更加优美、轻盈，在方案设计早期，建筑师从数学和美学的双向角度，对建筑扭转角度进行了反复论证和优化。从90°开始按10°量级递增，一直到180°，每个递增角度分别输出模型进行比较。通过比较发现，旋转角度越大，建筑体量动态效果就越强烈，但过于强烈的动态感将破坏上海中心和陆家嘴超高层建筑群体之间的和谐关系。为确保建筑几何造型的最优化，最终借助风洞实验对大楼外形进行空气动力学优化。

▲外幕墙旋转角度

相较于外表皮的线性旋转，其收分并不是一个线性过程，收分表现在楼层平面上即为相对于基准平面的缩放比率。为了最大化外层表皮所能覆盖的内层圆柱空间的使用面积，即实现最大体表比，收分按幂函数ex 的方式进行，整个外表皮的几何可由下述公式准确描述，顶部相对基准平面缩小了45%。

▲外幕墙收缩比例

通过进行许多参数建模研究和物理测试所建立的原型后，设计团队选择一个从底部到顶端旋转120°及缩放比例为55%的原型，该设计模型发给风工程顾问公司进行风洞实验后，最终确定了几何造型，同时，设计团队以底倾覆弯矩为比较指标，与最初的设计旋转100°造型相比，设计风荷载降低了约24%，等效体型系数仅为0.95，节省结构造价约3.5 亿。

▲BIM幕墙安装

上海中心大厦幕墙方案确定之后，所设计的外立面共计约13万平方米，19317个单元，以每个单元中平均包含30个不同种类的主要构件(不包括螺栓/钉等标准件)计算，约为58万个主要构件，面对如此海量的设计数据，幕墙设计团队必须用BIM技术代替传统的设计手段，完成幕墙的初步设计、施工图设计以及加工图设计。

在初步设计阶段，幕墙设计团队采用Rhino与Grasshopper软件，通过程序模块驱动设计出初步的建筑外皮模型，建模精度达到LOD100，初步设计模型经由建筑师确认后，幕墙工程师将该模型导入REVIT软件，继续完成幕墙的施工图设计。

在施工图设计阶段，设计师团队以REVIT软件作为主要建模软件，通过数据接口将REVIT模型与绿建分析软件、结构设计软件等进行模型对接，完成幕墙的性能设计、结构计算、系统构造等设计工作，并不断与各个专业协调设计问题，经过多轮的“设计--审核--调整”，幕墙施工图BIM模型逐渐丰满与完善，建模精度达到LOD300;审图通过之后，幕墙设计团队在LOD300精度等级的基础上，再对BIM模型进行深化，增加开孔、端切、板材与龙骨具体尺寸等加工数据，此时的BIM模型精度可达到LOD400，模型中包含的加工数据可以自动提取，为后续的幕墙加工深化奠定了基础，大大提高了后续幕墙加工图设计的准确率与工作效率。