上海中心大廈獨特的內外雙層幕墻及其支撐結構體系

上海現代建筑設計集團工程建設咨詢有限公司 上海 200041

1 工程概況

上海中心大廈位于上海浦東陸家嘴金融區，與著名的金茂大廈和上海環球金融中心呈三足鼎立之狀。工程總建筑面積約57 萬m2，建筑總高度632 m，主體塔樓呈圓柱形，沿高度被8 個2 層樓高的機電設備層劃分為9 個分區，包括辦公區、酒店區和塔冠觀光區。塔樓主體結構采用巨型框架-伸臂-核心筒結構體系。巨型框架由8 根巨型柱、4 根角柱及8 道位于加強層的箱形空間環帶桁架組成。2 層高的箱形空間環帶桁架既是抗側力體系巨型框架的一部分，也是建筑周邊次框架柱的轉換桁架。各分區的轉換層均設置了徑向桁架作為幕墻結構的支承系統[1]。

上海中心大廈典型區采用了獨特的分區雙層幕墻體系，其內幕墻沿著樓板邊界呈圓柱形布置，外幕墻輪廓由3 段圓弧構成的圓倒角三邊形作為基本構形，平面三邊形逐漸旋轉上升并均勻縮小，形成了一個平滑扭曲面，整樓外幕墻總面積約為13.5 萬m2，共由17 000余塊板塊組成。其中典型區外幕墻每區跨越12～15個樓層，高43～63 m不等，采用了“鋼吊桿-水平環梁-徑向支撐”的幕墻支撐體系（圖1、圖2）；1區大堂處采用與典型區類似的幕墻支撐系統，但因沒有樓板可以為水平周邊曲梁提供水平支撐，采取了雙環梁結構體系；塔冠幕墻支撐結構體系大致采用鰭狀豎向桁架及其支撐。本文分別具體介紹上述3 種獨特的幕墻支撐體系。

圖1 上海中心大廈幕墻的“鋼吊桿-水平環梁-徑向支撐”體系

圖2 施工中的上海中心 大廈幕墻支撐結構

2 上海中心大廈結構2～8區（典型區）的幕墻支撐體系

為適應上海中心大廈外立面的形態效果，同時滿足建筑師對外幕墻視覺通透的要求，外幕墻支撐結構采用了“鋼吊桿-水平環梁-徑向支撐”組成的柔性吊掛支撐體系，該結構具有傳力路徑簡潔、結構與建筑幕墻形態高度吻合、視覺通透性強等優點[2]。

玻璃幕墻的主要支撐體系由水平周邊曲梁 （Φ356 mm×22 mm）和徑向水平鋼管支撐（Φ219 mm×13 mm，Φ273 mm×13 mm）組成（圖3）。徑向水平鋼管支撐間距由2區的10 m左右漸變至8區的8 m左右。徑向水平鋼管支撐間距的變化是由于塔樓樓板尺寸沿建筑高度方向逐步縮進造成的。徑向水平支撐用以傳遞外幕墻的水平荷載至塔樓內部樓板之上，其與外周邊曲梁的連接為剛性連接，與樓板邊梁的連接采用鉸接以允許外幕墻相對于樓板上下運動。

圖3 典型區的幕墻支撐體系構成示意

周邊曲梁繞圓柱體樓面逐層旋轉和收縮，沿豎向每4.5 m布置，用來承受幕墻及其支撐體系的重力荷載和水平風荷載。在每個水平曲梁和徑向水平鋼管支撐相交的位置布置2 根高強吊桿，將所有水平曲梁吊至位于每區上部的機電設備層的輻射桁架懸挑端。吊桿的設計已按冗余設計考慮，即如果一根鋼吊桿失效，另一根鋼吊桿亦能承擔所有荷載。吊桿與水平周邊曲梁的連接件被稱為U形連接件或者叉形連接件。水平周邊曲梁之間的吊桿長度預先把吊桿受拉后的伸長值減去，即吊桿長度小于層高，這樣在幕墻重力荷載作用下及吊桿長度伸長后，周邊曲梁仍將處于水平位置。

這些鋼吊桿將吊起所有各區位于機電層及大堂休閑層之間的周邊曲梁。在休閑層有一個150 mm的伸縮縫以容許所在區幕墻的上下位移。由于休閑層的層高為5.3 m，導致間距4.5 m的周邊曲梁將位于休閑層樓板之上，并且無法在這一層提供徑向水平支撐。所以，設計取代徑向水平支撐的是一些較小的圓形立柱，而套在立柱上的圓柱體軸襯既允許水平周邊曲梁上下活動，也允許結構在一定范圍內豎向變形和轉動，使得幕墻系統與塔樓主體結構可以相對獨立地自由變形。這些豎向軸襯置于每對吊桿以及每跨曲梁中點之下（圖4）。

另外，吊桿要提供軸向約束以避免周邊曲梁在豎向平面失穩，為了防止吊桿出現凈壓力，往位于休閑層以上第一道水平周邊曲梁局部內灌混凝土，以保證其有足夠的質量使吊桿保持受拉，從而避免吊桿失穩。

有關冗余設計的問題，水平周邊曲梁已按如果鄰近的徑向水平支撐失效的情況下仍可以滿足強度的要求來設計。當然此時的水平周邊曲梁的位移將較大。

圖4 休閑層豎向軸襯及伸縮節點示意

由于豎向荷載造成之水平周邊曲梁的自身扭轉將由徑向支撐和曲梁之間的剛性連接來承擔，水平周邊曲梁以樓板中心為軸心的整體扭轉將由沿曲梁中心線布置的切向約束承擔，這些側向約束位于內幕墻和外幕墻最接近的部位，在平面上沿圓周每隔120°布置。此外，在三角形樓面除樓板開口以外的另外2 個角點處（即距離樓板開口120°處），布置了交叉支撐幫助約束幕墻支承體系在平面內的扭轉（圖3）。在樓板平面開口處，布置了倒V形支撐進一步幫助約束幕墻支承體系在平面內的扭轉。

根據上海中心大廈消防顧問RJA（Fire Protection Technology）提供的火災場景和構件升溫模擬，結構工程師針對火災對于結構的影響進行了深入詳盡的分析。為了消除、削弱火災升溫引起的溫度內應力的影響，結構工程師分析了多種方案，包括在徑向支撐與樓板連接的端部增加彈簧，在外圍周邊曲梁加鉸和在外圍周邊曲梁加伸縮節點等。通過比較表明，在外圍周邊曲梁內加伸縮節點是最為有效的方案。但溫度作用下，大量伸縮節點產生的變形會導致幕墻連接件發生位移，使得幕墻板塊安裝難度劇增，且正常使用時出現氣密和水密方面的弱化，另外還導致曲梁軸向剛度不連續，抗扭性能變差[3,4]。因此，僅在休閑層處的曲梁增加了水平伸縮節點（圖4）。

3 1區大堂幕墻支撐體系

在大堂處擬采用與上部結構類似的幕墻支撐系統（圖5），但它的水平周邊曲梁必須沿4.45 m間距布置。由于大堂部分層高較高（層高5.6 m左右），故沒有樓板可以為水平周邊曲梁提供水平支撐。為了解決這個問題，在與徑向支撐和周邊曲梁相應的高度沿內部幕墻周邊布置內曲梁，其為Φ660 mm、壁厚30 mm的鋼管，為周邊外曲梁提供水平支持。內曲梁在水平方向簡支在巨柱之間，跨度為20 m左右，最大的側向允許位移是50 mm。內曲梁在與徑向支撐相交的位置由豎向吊桿吊至一區機電層。在軸線12.4上的巨柱為內曲梁提供了徑向和切向約束。在其余位置，巨柱僅為內側曲梁提供徑向約束。中間段曲梁的切向約束連接同以上各區的樓板凸臺連接類似。內曲梁和外曲梁在圓周方向約束于第6層懸挑出的2 個豎向桁架，即東桁架和西桁架。這些豎向桁架從首層到第6層支承于每一層的樓面。在首層設置了伸縮縫以利于桁架的豎向運動。

同上面各區類似，在1區的內側曲梁和外側曲梁上都布置了水平伸縮節點。它們位于倒V形支撐和交叉支撐的相鄰跨（靠近曲梁端部豎向桁架的一側）。

1區內曲梁一共有4 層（3F～6F），外曲梁一共有5 層（3F～7F），其中7F外曲梁類似典型區的頂層外曲梁，懸掛于機電層懸臂桁架。1區2F的幕墻玻璃由外雨棚上的鋼筋混凝土環梁承載。

圖5 1區大堂幕墻支撐體系構成

4 屋頂塔冠幕墻結構支撐體系

塔冠區域作為上海中心大廈的最高區，無論是設計還是施工的難度，目前在我國甚至在世界上都是前所未見的，因其所涉及的專業眾多，界面復雜，工序交叉，施工難度大，毋容置疑是整個工程項目的重中之重。

圖6 塔冠幕墻結構構成

如圖6所示，塔冠結構頂部在立面上呈水平方向的拋物線形。按其序號排列，塔冠結構大致可分為：

（a）118F～121F轉換層斜圓鋼管立柱。V形柱，需注意傾斜角度控制，立柱兩端節點形式。

（b）118F～121F的樓面鋼結構。壓型板和混凝土組合樓板，收邊于幕墻埋件。

（c）125F～132F屋頂核心筒八角框架。阻尼器與冷卻塔、水箱等大型設備置放在其結構上。

（d）塔冠25片鰭狀桁架及連系桿件，是塔冠幕墻支撐結構的主要組成部分，包括2 m深的豎向桁架，懸挑部分的隅撐桁架及豎向斜撐，樓面水平支撐及隅撐斜撐等，位于121F以上至擦窗機軌道，桿件的節點和防腐，桁架體內設置有風力發電系統、燈光秀、泛光照明、航空障礙燈、擦窗機等設備。

（e）環梁，包括內側和外側環梁，是塔冠幕墻支撐結構的主要組成部分，通過轉接件直接與幕墻板塊連接，其安裝精度和幕墻板塊精度關系密切。

（f）擦窗機軌道支撐梁及軌道。弧度和坡度對行走式擦窗機的影響，注意防護欄桿和走道的做法。

塔冠區幕墻支撐體系取消了下部結構的懸掛體系，而采用周邊桁架柱傳遞重力的結構，同時周邊桁架柱和在角部布置的豎向斜撐也提供了一定的抗側力剛度，既簡化了傳力路徑，有利于節約用鋼量，同時也便于施工。

4.1 鰭狀豎向桁架及其斜撐

如圖7所示，塔冠幕墻支撐系統主要構件有Φ180～356 mm圓鋼管組成的水平周邊曲梁，這些水平周邊曲梁的豎向間距為4.4 m。另一個重要構件為沿徑向布置的25個鰭狀豎向桁架，起始樓層為121F，其頂部標高隨高度變化以形成呈拋物線的外觀。鰭狀豎向桁架由于頂部幕墻的旋轉及縮進，沿徑向和法向傾斜，但各個鰭狀豎向桁架和懸挑部分的隅撐桁架應保持在同一個平面，且豎向桁架的深度保持為2 m。除了桁架頂部以外，鰭狀豎向桁架沿豎向采用4.4 m節間。豎向桁架的頂部節間距離取決于塔冠上部結構的輪廓。鰭狀豎向桁架各構件均采用Φ180～356 mm圓鋼管。鰭狀豎向桁架之間也布置了水平支撐和豎向斜撐以控制位移，同時使結構可以共同作用。

圖7 塔冠幕墻結構支撐體系構成及傳力路徑示意

4.2 鰭狀豎向桁架支承體系

除在樓面V形槽布置的豎向桁架外，其余24 榀桁架均支承于118F～121F 層的V形柱上。荷載通過V形柱再傳遞至巨柱（16 榀）和8區的徑向桁架及環帶桁架（8 榀）。所有V形柱均支承于雙重環帶桁架的內側環帶桁架上。

4.3 核心筒框架體系

混凝土核心筒一直延伸至125F，爾后8 個柱子從剪力墻角部升起，形成一個外部八邊形框架結構（至130F）。另一個內部八邊形結構（至132F）由另外8 個從下面核心筒墻體伸上來的柱子組成，形成一個沿調諧質量阻尼器（TMD）周邊布置的結構體系。130F的隅撐桁架的水平力由通過樓面鋼支撐相連的內外八角形帶斜撐鋼框架共同承擔，豎向力則通過外八角形框架及支撐向下傳遞。

5 結語

針對上海中心大廈這樣復雜的幕墻系統，通過全面、深入地分析幕墻系統與主體建筑結構的關系，設計了剛度大、傳力可靠、結構輕巧的幕墻支撐體系。為確保幕墻系統能夠順利建造、安全承載、正常使用，對整個幕墻支撐體系進行了涵蓋抗風、抗震、主體結構收縮徐變、溫度作用、施工過程影響等一系列的復雜分析與計算，并且通過對幕墻支撐結構與主體結構連接節點進行精細分析與設計研究，保證了結構構造與理論分析模型的一致性，有效保證了幕墻系統的順利建造和安全使用。