上海中心大厦独特的内外双层幕墙及其支撑结构体系

上海现代建筑设计集团工程建设咨询有限公司 上海 200041

1 工程概况

上海中心大厦位于上海浦东陆家嘴金融区，与著名的金茂大厦和上海环球金融中心呈三足鼎立之状。工程总建筑面积约57 万m2，建筑总高度632 m，主体塔楼呈圆柱形，沿高度被8 个2 层楼高的机电设备层划分为9 个分区，包括办公区、酒店区和塔冠观光区。塔楼主体结构采用巨型框架-伸臂-核心筒结构体系。巨型框架由8 根巨型柱、4 根角柱及8 道位于加强层的箱形空间环带桁架组成。2 层高的箱形空间环带桁架既是抗侧力体系巨型框架的一部分，也是建筑周边次框架柱的转换桁架。各分区的转换层均设置了径向桁架作为幕墙结构的支承系统[1]。

上海中心大厦典型区采用了独特的分区双层幕墙体系，其内幕墙沿着楼板边界呈圆柱形布置，外幕墙轮廓由3 段圆弧构成的圆倒角三边形作为基本构形，平面三边形逐渐旋转上升并均匀缩小，形成了一个平滑扭曲面，整楼外幕墙总面积约为13.5 万m2，共由17 000余块板块组成。其中典型区外幕墙每区跨越12～15个楼层，高43～63 m不等，采用了“钢吊杆-水平环梁-径向支撑”的幕墙支撑体系（图1、图2）；1区大堂处采用与典型区类似的幕墙支撑系统，但因没有楼板可以为水平周边曲梁提供水平支撑，采取了双环梁结构体系；塔冠幕墙支撑结构体系大致采用鳍状竖向桁架及其支撑。本文分别具体介绍上述3 种独特的幕墙支撑体系。

图1 上海中心大厦幕墙的“钢吊杆-水平环梁-径向支撑”体系

图2 施工中的上海中心 大厦幕墙支撑结构

2 上海中心大厦结构2～8区（典型区）的幕墙支撑体系

为适应上海中心大厦外立面的形态效果，同时满足建筑师对外幕墙视觉通透的要求，外幕墙支撑结构采用了“钢吊杆-水平环梁-径向支撑”组成的柔性吊挂支撑体系，该结构具有传力路径简洁、结构与建筑幕墙形态高度吻合、视觉通透性强等优点[2]。

玻璃幕墙的主要支撑体系由水平周边曲梁 （Φ356 mm×22 mm）和径向水平钢管支撑（Φ219 mm×13 mm，Φ273 mm×13 mm）组成（图3）。径向水平钢管支撑间距由2区的10 m左右渐变至8区的8 m左右。径向水平钢管支撑间距的变化是由于塔楼楼板尺寸沿建筑高度方向逐步缩进造成的。径向水平支撑用以传递外幕墙的水平荷载至塔楼内部楼板之上，其与外周边曲梁的连接为刚性连接，与楼板边梁的连接采用铰接以允许外幕墙相对于楼板上下运动。

图3 典型区的幕墙支撑体系构成示意

周边曲梁绕圆柱体楼面逐层旋转和收缩，沿竖向每4.5 m布置，用来承受幕墙及其支撑体系的重力荷载和水平风荷载。在每个水平曲梁和径向水平钢管支撑相交的位置布置2 根高强吊杆，将所有水平曲梁吊至位于每区上部的机电设备层的辐射桁架悬挑端。吊杆的设计已按冗余设计考虑，即如果一根钢吊杆失效，另一根钢吊杆亦能承担所有荷载。吊杆与水平周边曲梁的连接件被称为U形连接件或者叉形连接件。水平周边曲梁之间的吊杆长度预先把吊杆受拉后的伸长值减去，即吊杆长度小于层高，这样在幕墙重力荷载作用下及吊杆长度伸长后，周边曲梁仍将处于水平位置。

这些钢吊杆将吊起所有各区位于机电层及大堂休闲层之间的周边曲梁。在休闲层有一个150 mm的伸缩缝以容许所在区幕墙的上下位移。由于休闲层的层高为5.3 m，导致间距4.5 m的周边曲梁将位于休闲层楼板之上，并且无法在这一层提供径向水平支撑。所以，设计取代径向水平支撑的是一些较小的圆形立柱，而套在立柱上的圆柱体轴衬既允许水平周边曲梁上下活动，也允许结构在一定范围内竖向变形和转动，使得幕墙系统与塔楼主体结构可以相对独立地自由变形。这些竖向轴衬置于每对吊杆以及每跨曲梁中点之下（图4）。

另外，吊杆要提供轴向约束以避免周边曲梁在竖向平面失稳，为了防止吊杆出现净压力，往位于休闲层以上第一道水平周边曲梁局部内灌混凝土，以保证其有足够的质量使吊杆保持受拉，从而避免吊杆失稳。

有关冗余设计的问题，水平周边曲梁已按如果邻近的径向水平支撑失效的情况下仍可以满足强度的要求来设计。当然此时的水平周边曲梁的位移将较大。

图4 休闲层竖向轴衬及伸缩节点示意

由于竖向荷载造成之水平周边曲梁的自身扭转将由径向支撑和曲梁之间的刚性连接来承担，水平周边曲梁以楼板中心为轴心的整体扭转将由沿曲梁中心线布置的切向约束承担，这些侧向约束位于内幕墙和外幕墙最接近的部位，在平面上沿圆周每隔120°布置。此外，在三角形楼面除楼板开口以外的另外2 个角点处（即距离楼板开口120°处），布置了交叉支撑帮助约束幕墙支承体系在平面内的扭转（图3）。在楼板平面开口处，布置了倒V形支撑进一步帮助约束幕墙支承体系在平面内的扭转。

根据上海中心大厦消防顾问RJA（Fire Protection Technology）提供的火灾场景和构件升温模拟，结构工程师针对火灾对于结构的影响进行了深入详尽的分析。为了消除、削弱火灾升温引起的温度内应力的影响，结构工程师分析了多种方案，包括在径向支撑与楼板连接的端部增加弹簧，在外围周边曲梁加铰和在外围周边曲梁加伸缩节点等。通过比较表明，在外围周边曲梁内加伸缩节点是最为有效的方案。但温度作用下，大量伸缩节点产生的变形会导致幕墙连接件发生位移，使得幕墙板块安装难度剧增，且正常使用时出现气密和水密方面的弱化，另外还导致曲梁轴向刚度不连续，抗扭性能变差[3,4]。因此，仅在休闲层处的曲梁增加了水平伸缩节点（图4）。

3 1区大堂幕墙支撑体系

在大堂处拟采用与上部结构类似的幕墙支撑系统（图5），但它的水平周边曲梁必须沿4.45 m间距布置。由于大堂部分层高较高（层高5.6 m左右），故没有楼板可以为水平周边曲梁提供水平支撑。为了解决这个问题，在与径向支撑和周边曲梁相应的高度沿内部幕墙周边布置内曲梁，其为Φ660 mm、壁厚30 mm的钢管，为周边外曲梁提供水平支持。内曲梁在水平方向简支在巨柱之间，跨度为20 m左右，最大的侧向允许位移是50 mm。内曲梁在与径向支撑相交的位置由竖向吊杆吊至一区机电层。在轴线12.4上的巨柱为内曲梁提供了径向和切向约束。在其余位置，巨柱仅为内侧曲梁提供径向约束。中间段曲梁的切向约束连接同以上各区的楼板凸台连接类似。内曲梁和外曲梁在圆周方向约束于第6层悬挑出的2 个竖向桁架，即东桁架和西桁架。这些竖向桁架从首层到第6层支承于每一层的楼面。在首层设置了伸缩缝以利于桁架的竖向运动。

同上面各区类似，在1区的内侧曲梁和外侧曲梁上都布置了水平伸缩节点。它们位于倒V形支撑和交叉支撑的相邻跨（靠近曲梁端部竖向桁架的一侧）。

1区内曲梁一共有4 层（3F～6F），外曲梁一共有5 层（3F～7F），其中7F外曲梁类似典型区的顶层外曲梁，悬挂于机电层悬臂桁架。1区2F的幕墙玻璃由外雨棚上的钢筋混凝土环梁承载。

图5 1区大堂幕墙支撑体系构成

4 屋顶塔冠幕墙结构支撑体系

塔冠区域作为上海中心大厦的最高区，无论是设计还是施工的难度，目前在我国甚至在世界上都是前所未见的，因其所涉及的专业众多，界面复杂，工序交叉，施工难度大，毋容置疑是整个工程项目的重中之重。

图6 塔冠幕墙结构构成

如图6所示，塔冠结构顶部在立面上呈水平方向的抛物线形。按其序号排列，塔冠结构大致可分为：

（a）118F～121F转换层斜圆钢管立柱。V形柱，需注意倾斜角度控制，立柱两端节点形式。

（b）118F～121F的楼面钢结构。压型板和混凝土组合楼板，收边于幕墙埋件。

（c）125F～132F屋顶核心筒八角框架。阻尼器与冷却塔、水箱等大型设备置放在其结构上。

（d）塔冠25片鳍状桁架及连系杆件，是塔冠幕墙支撑结构的主要组成部分，包括2 m深的竖向桁架，悬挑部分的隅撑桁架及竖向斜撑，楼面水平支撑及隅撑斜撑等，位于121F以上至擦窗机轨道，杆件的节点和防腐，桁架体内设置有风力发电系统、灯光秀、泛光照明、航空障碍灯、擦窗机等设备。

（e）环梁，包括内侧和外侧环梁，是塔冠幕墙支撑结构的主要组成部分，通过转接件直接与幕墙板块连接，其安装精度和幕墙板块精度关系密切。

（f）擦窗机轨道支撑梁及轨道。弧度和坡度对行走式擦窗机的影响，注意防护栏杆和走道的做法。

塔冠区幕墙支撑体系取消了下部结构的悬挂体系，而采用周边桁架柱传递重力的结构，同时周边桁架柱和在角部布置的竖向斜撑也提供了一定的抗侧力刚度，既简化了传力路径，有利于节约用钢量，同时也便于施工。

4.1 鳍状竖向桁架及其斜撑

如图7所示，塔冠幕墙支撑系统主要构件有Φ180～356 mm圆钢管组成的水平周边曲梁，这些水平周边曲梁的竖向间距为4.4 m。另一个重要构件为沿径向布置的25个鳍状竖向桁架，起始楼层为121F，其顶部标高随高度变化以形成呈抛物线的外观。鳍状竖向桁架由于顶部幕墙的旋转及缩进，沿径向和法向倾斜，但各个鳍状竖向桁架和悬挑部分的隅撑桁架应保持在同一个平面，且竖向桁架的深度保持为2 m。除了桁架顶部以外，鳍状竖向桁架沿竖向采用4.4 m节间。竖向桁架的顶部节间距离取决于塔冠上部结构的轮廓。鳍状竖向桁架各构件均采用Φ180～356 mm圆钢管。鳍状竖向桁架之间也布置了水平支撑和竖向斜撑以控制位移，同时使结构可以共同作用。

图7 塔冠幕墙结构支撑体系构成及传力路径示意

4.2 鳍状竖向桁架支承体系

除在楼面V形槽布置的竖向桁架外，其余24 榀桁架均支承于118F～121F 层的V形柱上。荷载通过V形柱再传递至巨柱（16 榀）和8区的径向桁架及环带桁架（8 榀）。所有V形柱均支承于双重环带桁架的内侧环带桁架上。

4.3 核心筒框架体系

混凝土核心筒一直延伸至125F，尔后8 个柱子从剪力墙角部升起，形成一个外部八边形框架结构（至130F）。另一个内部八边形结构（至132F）由另外8 个从下面核心筒墙体伸上来的柱子组成，形成一个沿调谐质量阻尼器（TMD）周边布置的结构体系。130F的隅撑桁架的水平力由通过楼面钢支撑相连的内外八角形带斜撑钢框架共同承担，竖向力则通过外八角形框架及支撑向下传递。

5 结语

针对上海中心大厦这样复杂的幕墙系统，通过全面、深入地分析幕墙系统与主体建筑结构的关系，设计了刚度大、传力可靠、结构轻巧的幕墙支撑体系。为确保幕墙系统能够顺利建造、安全承载、正常使用，对整个幕墙支撑体系进行了涵盖抗风、抗震、主体结构收缩徐变、温度作用、施工过程影响等一系列的复杂分析与计算，并且通过对幕墙支撑结构与主体结构连接节点进行精细分析与设计研究，保证了结构构造与理论分析模型的一致性，有效保证了幕墙系统的顺利建造和安全使用。