1 引言
上海世博會博物館是國際展覽局在全球唯一授權(quán)的永久性世博會專題博物館，是世界上極少兼具博物館與文獻中心功能的展館(圖1)。華東設(shè)計研究總院通過“永恒的瞬間”的建筑創(chuàng)意，展現(xiàn)了世博會150年歷史沉淀建筑與無數(shù)輝煌瞬間的平衡。建筑形態(tài)以“歷史河谷”與“歡慶之云”的碰撞來做詮釋，使世博會博物館成為城市中“承載歡樂記憶的容器”，較好地呈現(xiàn)了國際性、唯一性、專題性的特征。
全玻璃異形體“歡慶之云”的表皮構(gòu)建和主體建筑部分“歷史河谷”的內(nèi)庭立面銅板材質(zhì)運用，是本項目建筑幕墻設(shè)計的重點和難點，前者則是重中之重。
圖1 上海世博會博物館項目鳥瞰效果圖
2 歡慶之云表皮設(shè)計
2.1 建筑形態(tài)簡介
取云的形態(tài)作“歡慶之云”建筑造型之借鑒，旨在代表未來、開放、瞬間的寓意，整體形象簡潔流暢。建筑底部以三條云柱作扭轉(zhuǎn)與收分，形成逐級上升的動勢，呈現(xiàn)出強烈的未來感。在建筑中部，云柱扭轉(zhuǎn)并相互關(guān)聯(lián)著展開，于建筑頂部形成完整流暢的曲線即為“歡慶之云”輪廓。該形體以輕型鋼架為支撐結(jié)構(gòu)。在幕墻細部處理上，以三角形透明玻璃、彩釉玻璃筑成折面狀，且在漸變中的立面肌理效果與“瞬間”的設(shè)計理念相契合，成為了整座建筑的中心，高 34.8m、寬56.6m、長 75.8m，玻璃表皮面積約 8 242m2，共 3 982 個三角形玻璃單元板塊(圖2)。
圖2 “歡慶之云”效果圖
“歡慶之云”工程為單層異形空間網(wǎng)殼鋼結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)支撐體系主要選用矩形鋼管，多為 80×180×300 的矩形鋼管，大部分為焊接節(jié)點，部分為鑄鋼節(jié)點。根據(jù)《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》等相關(guān)標準的技術(shù)規(guī)定，按單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)（詞條“網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)”由行業(yè)大百科提供）控制屋蓋短向跨度 1/400 荷載標準值下的結(jié)構(gòu)撓度。施工時采取滿堂支撐，當整體結(jié)構(gòu)剛度完全形成，獲得指令予以卸載后，方允許安裝幕墻。
2.2 表皮數(shù)字化工作
表皮設(shè)計時，首先需要將三角形玻璃的數(shù)量、形狀大小、空間定位等技術(shù)數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和表達，作為深化設(shè)計的前提條件。此部分工作由建筑師和三維軟件程序員共同開發(fā)研究并完成。借助 Rhino 等軟件控制形體形態(tài)，在生成出形體大致輪廓后，規(guī)整化處理借助插件grasshoper 進行，再利用python 高級程序語言將云幕墻部分展開至平面，導出表格進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(圖3)。
圖3 “歡慶之云”云部分玻璃板塊展開圖(圖片來源于項目設(shè)計團隊)
實際上，通過計算機輔助設(shè)計，可將“云”不同部位相鄰板塊之間的法線夾角、板塊面積大小、板塊邊長、板塊空間坐標定位、板塊數(shù)量和面積等數(shù)據(jù)全部統(tǒng)計成 Excel 表格，便于下一步分析和研究。
通過幕墻設(shè)計的介入，對板塊分格進行優(yōu)化和調(diào)整，應考慮在滿足建筑效果的前提條件下，針對玻璃板塊生產(chǎn)的工藝性、經(jīng)濟性以及規(guī)范的適應性等再次劃分調(diào)整，主要優(yōu)化原則如下：1)中空節(jié)能玻璃常規(guī)尺寸為 2 400×3 600，若超出該范圍則造價高很多，調(diào)整所有板塊尺寸控制在此范圍內(nèi)，并保證原件的最大利用率，控制造價;2)三角形玻璃角度小于 30°難以加工，采用均質(zhì)化迭代處理，減少過小尖角的玻璃數(shù)量;3)經(jīng)多次迭代計算得到立面和屋面玻璃分格劃分網(wǎng)格的板塊尺寸近似相同，使得網(wǎng)格劃分均勻，也簡化了后期幕墻及鋼結(jié)構(gòu)施工程序，有利于降低造價;4)按采光頂規(guī)范 JGJ255規(guī)定，采光頂玻璃板塊面積 2.5m2是上限，需嚴格控制分格尺寸;5)按上海市地規(guī) DGJ08-56 規(guī)定，單層鋼化玻璃板塊 4.5m2是上限，需嚴格控制分格尺寸;6)按上海市地規(guī) DGJ08-56 規(guī)定，開啟扇面積 1.8m2是上限，需嚴格控制開啟扇分格尺寸;7)按建筑玻璃應用技術(shù)規(guī)程 JGJ113 規(guī)定的不同厚度玻璃用于室內(nèi)的最大許用面積，嚴格控制分格尺寸，以抗人體沖擊;8)對于防火、防雷、虹吸排水等其他設(shè)計專業(yè)的要求進行板塊劃分微調(diào)。板塊優(yōu)化有一個較長的反復過程，涉及到建筑的觀瞻效果、玻璃的生產(chǎn)工藝、技術(shù)規(guī)范的安全規(guī)定、項目成本控制等諸多方面。
2.3 三角形玻璃板塊設(shè)計
三角形玻璃板塊遍布單體表皮，分布在采光天頂、立面、吊頂底面，具有空間任意多角度形態(tài)的特點。空間異形體設(shè)計難點有兩個方面：1)經(jīng)優(yōu)化后的構(gòu)造設(shè)計，能采用較少的模具種類完成平面內(nèi)從陰角90°到陽角（詞條“陽角”由行業(yè)大百科提供） 90°的板塊變化，實現(xiàn)建筑表皮造型控制;2)在用玻璃系統(tǒng)對于異形網(wǎng)殼鋼架主體結(jié)構(gòu)平面內(nèi)、外變形進行適應性設(shè)計的同時，兼顧板塊重力影響。為此，我們研究了已建成的上海世博軸的曲面采光頂喇叭狀工程的構(gòu)造案例(圖4)。
圖4 世博軸曲面采光頂節(jié)點詳圖示意
這種系統(tǒng)將板塊夾角變化的功能落實在玻璃附框的圓弧形模具上面，三角形玻璃板塊系統(tǒng)采用的是連續(xù)外部點壓多點固定（詞條“固定”由行業(yè)大百科提供）的方式，它適用于表皮玻璃板塊之間的夾角變化范圍不大(圓弧形模具可調(diào)角度有限)，一般適用于坡度不大的采光頂或斜立面角度變化不大的幕墻系統(tǒng)。但是本項目中相鄰板塊玻璃品種(厚度)不一致，角度變化大，特別是有吊底玻璃面的時候，這種框架（詞條“框架”由行業(yè)大百科提供）式的構(gòu)造形式難以勝任，甚至有安全隱患。異形鋼網(wǎng)殼主體結(jié)構(gòu)的平面內(nèi)、外變形較大，支撐構(gòu)造也需特殊處理。又經(jīng)考察上海悅達 889 項目，玻璃采用點支撐系統(tǒng)，與本項目相差甚遠，無可借鑒(圖5)。
圖5 上海悅達889項目
必須以一種創(chuàng)新的、積極的設(shè)計思維走出困境。通過對表皮分格形態(tài)的研究，設(shè)計團隊終于發(fā)現(xiàn)所有的玻璃板塊在重力方向上是由兩種基本形狀的三角形板塊組合而成(圖6)，故決定采用玻璃單元板塊形式。事實證明，通過玻璃板塊之間角度的變化來解決整體造型的角度變化問題，是可行的(圖7)。將玻璃與附框做成單元體形式，單元體與支座采用類似雨棚拉桿鉸接的形式，以點支式固定到主體鋼結(jié)構(gòu)上，板塊之間的夾角可通過固定點鉸支約束完成。
圖6 “歡慶之云”三角形板塊基本形狀類型
圖7 “歡慶之云”三角形板塊三維效果圖
另外，從鋼結(jié)構(gòu)主體變形數(shù)據(jù)整理和計算中得到在全荷載工況下相鄰板塊之間平面外變形值，結(jié)合板塊之間硅酮密封膠寬度的伸縮極限，確定單元邊框型材開模的數(shù)量和種類，在適應平面外變形的同時，圓滿完成建筑表皮形體的表達。
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