上海天文馆建筑幕墙实施技艺解析

赵 金（上海美特幕墙有限公司，上海 201700）

上海天文馆位于上海市东部临港新城，是当今全球范围内建筑面积较大的天文馆。这一超级建筑建成后，将代表我国在这特别领域取得的重要成就。其建筑幕墙作为最直观的外立面，展现出独特的效果，整体方案设计与加工实施技术的把控极为细致。

1 构思立意

上海天文馆主体建筑的设计灵感源自太阳、月亮、地球 3 体，由此衍生出了 3 个以圆形构筑物为基础，弧形星系环绕的外太空异体建筑。其分别是位于主入口蕴含日晷时刻设计的圆洞天窗；位于展区屋顶放眼天际望不到地景的倒置穹顶；看似悬浮空中透光成月环，又与周边滴水湖以太阳-地球比例缩小的球幕影院。这些设计都饱含了精巧的天文构想。上海天文馆主体建筑设计图见图 1。

图1 上海天文馆主体建筑设计图

2 幕墙选型

上海天文馆的建筑主体结构采用混凝土框架、核心筒、钢结构、单层铝合金网壳等结构形式，构造极其复杂。根据建筑整体设计的要求，外立面幕墙根据不同部位受力及造型表现形式的需要，分别确定选用如下类型。

(1) 主入口位置、飘带、灯箱位置采用成熟可靠的竖明横隐构件式玻璃幕墙。

(2) 倒置穹顶位置采用轻盈、剔透的玻璃采光顶，内联通道采用弧形明框玻璃幕墙。

(3) 屋面采用防水隔热受力轻便的铝镁锰直立锁边幕墙系统。

(4) 其他外立面还涉及直立锁边＋阳极氧化铝板幕墙系统、直立锁边+阳极氧化穿孔铝板幕墙系统、铝合金格栅系统、GRC 幕墙系统及条形玻璃门窗系统等。

因整体项目作业展开面较大，各幕墙系统的施工也按照平立面不同构造分布划分为 9 个阶段。

(1) 立面造型铝板幕墙系统（3.294～14.671 m）。

(2) 立面造型铝板系统（10.350～23.850 m）。

(3) 球形幕阳极氧化穿孔铝单板系统。

(4) 主入口及 19.704 m 等部位框架玻璃幕墙。

(5) 27.039 m 区域铝合金百叶及铝单板系统。

(6) GRC 板系统幕墙。

(7) 屋面直立锁边，铝镁锰板系统。

(8) 穹顶及连廊桥系统。

(9) 附属建筑幕墙系统。

立面总体由下而上，螺旋攀升施工，平面分区分项安排，见图 2。这样既可保证对各相关专业的整体协调，又可保障设计细化和对各工种及主辅材组织供应的预先判断，为项目的整体顺利开展打下了稳固的基础。

图2 平面分区分项图

3 技术重点难点

依据设计重点分析、施工管理经验、图纸会审难点等多方面的汇总结果，针对本工程作如下的重难点分析，并确定可靠的实施解决方案。

(1) 各专业间配合量大。项目剖面的渐变造型，幕墙专业与钢结构、土建、建筑、机电设计方案由于存在大量协调配合，因此提前对作业展开面进行分段分系统协调实施。

(2) 本工程由于立面均为不规则造型，如曲面、弧面、球面，因此对于幕墙的空间定位、测量放线难度较大，精度要求较高。这是本工程的控制重点。

(3) 面板、龙骨材料无互换性。项目曲面造型、渐变分格、无规则穿孔等特点，造成幕墙面板及龙骨规格完全不同，应有可靠技术手段确保设计数据的精确性。

(4) 交界面数量及种类多。项目复杂的几何界面，使得墙面系统、屋面系统、天窗系统、玻璃系统、吊顶系统、GRC 板系统等交界面规格种类繁多，且都为曲线交接，应确保定点定位及尺寸数据统计的一致性。

4 详尽解决方案

详尽解决方案如下。

(1) 针对该项目编制详尽可行的测量放线方案，并据此确定幕墙的控制线及控制点。

(2) 设置平面内控制网，对副框安装进行预控，对幕墙安装的进出位进行控制。

(3) 设置幕墙立面外控制网线，每两个分格设一竖向分格控制线，严格控制幕墙的左右分格位的安装。

(4) 利用 BIM 系统进行三维校核。

(5) 每安装完一个轴线位，就用全站仪进行监控、复测，防止累计误差的发生。

(6) 利用 BIM 系统监控设计工艺，保证出图精度。

(7) 控制型材加工精度，使用超高精级标准保证型材加工质量。

(8) 由角位开始安装，严格控制四个角的安装精度，误差在立面中部逐步调整，控制幕墙整体线条流畅。

(9) 竖向角位分层在工厂预制成型后现场整体安装；横向角位在工厂预拼装，进入楼层后现场拼装成整体后安装，减小施工误差。

(10) 样板先行，解决常规质量问题。

5 精致细部设计

5.1 阳极氧化铝板系统

系统造型成螺旋上升趋势，分格随着墙面高度变化渐变。三维模型示意图见图 3。

图3 阳极氧化铝板造型三维模型示意图

大悬挑区域，最大板块面积为 3.2 m2，横向缝为 32.0 mm，竖向缝 16.0 mm。悬挑区域板块造型及留缝示意图见图 4。

图4 阳极氧化铝板悬挑区域板块造型及留缝示意图

连接件与直立锁边支座通过不锈钢螺栓组栓接固定，可进出调节 20.0 mm。连接件安装完成后，分别安装铝板横向龙骨与斜向龙骨，斜向龙骨安装完成后安装对角龙骨。所有工序龙骨的定位安装，均由 BIM 系统控制实施。直立锁边支座及连接件示意图见图 5。

图5 直立锁边支座及连接件示意图

铝板龙骨成型后，按照立面布置规律，从标高低处自下而上安装铝板面板，铝板安装工艺类似于隐框玻璃幕墙挂接工艺。BIM 控制铝板横—斜龙骨角度见图 6。

图6 铝板横—斜龙骨布置示意图

5.2 球幕影院系统

系统成球形，上半球位于室外，下半球处于室内。赤道位置最大板块面积为 2.60 m2，每一板块穿孔排布均不相同。建筑模型见图 7。

图7 球幕影院系统建筑模型

球幕主体钢结构施工完成后，将镀锌方钢通过不锈钢螺栓组及方垫片与带肋连接角码栓接，焊接固定于主体钢构上，形成直立锁边体系板的基本框架体系。龙骨框架形成后，开始按照安装方向敷设 0.5 mm 厚穿孔压型钢板，再安装直立锁边体系支座。支座安装间距由 BIM 系统三维控制点位，现场二次测量放线确定位置，偏差在允许范围内方可算合格。所有固定点及搭接部位涂抹防水密封胶并压实后，依次按照顺序由里到外敷设无纺布、50.0 mm 厚玻璃棉毡、12.0 mm 厚限位硅酸板、0.3 mm 厚隔气膜、150.0 mm 厚泡沫玻璃保温层、PE 防水透气膜、0.9 mm 厚铝镁锰合金压型板。自此，内层 0.9 mm 铝镁锰合金板直立锁边系统安装完成。直立锁边铝镁锰板系统分层示意图见图 8。

图8 直立锁边铝镁锰板系统分层示意图

直立锁边铝镁锰板系统安装完成后，进行外层穿孔铝板幕墙固定系统安装，扣件之间可进出调节 15.0 mm。这一设置可保证铝板面在相邻区域顺利完成过渡。外层穿孔铝板幕墙固定系统安装示意图见图 9。

图9 外层穿孔铝板幕墙固定系统安装示意图

铝板通过在四周用硅酮结构胶及铝焊钉栓接一圈铝合金附框型材，再通过铝板固定压码与铝板幕墙龙骨固定。至此完成铝板拼缝。

5.3 GRC 幕墙系统

GRC 系统位于主建筑底部，GRC 系统模型呈放射螺旋状，步道起步处，最大板块面积为 2.7 m2，见图 10。

图10 GRC 系统模型

GRC 板块呈长条梯形，最长为 5.6 m，接缝处使用 GRC 造型隐藏胶缝，见图 11。

图11 GRC 板块接缝隐藏胶缝构造示意

主龙骨通过槽钢转接件及不锈钢螺栓组栓接后固定于主体结构上。横龙骨与主龙骨上的插芯通过不锈钢螺栓组栓接固定，形成系统基本框架。主体结构至龙骨内腔，填塞防火保温棉，并用镀锌钢板承托封扣，与龙骨框架系统一起形成闭合的防火保温腔。再将 GRC 板通过不锈钢挂件及螺栓组固定在横龙骨上，进行拼缝胶。

5.4 倒置穹顶幕墙系统

倒置穹顶模型见图 12。倒穹顶系统呈凹球面，力学性能弱于凸球面，需考虑重力变形与风压作用对施工的影响。

图12 倒置穹顶模型

玻璃板块大小较均匀，最大玻璃面积为 1.86 m2，玻璃附框及铝结构设计调节量。

铝合金主体结构与玻璃底框框支座通过不锈钢螺栓组及铝合金锯齿垫片栓接固定，形成球形采光顶的基本框架形式。采光顶基本框架形式、采光顶框架交汇示意图见图 13。连接板与每一方向铝合金主框杆件，采用钢销钉进行销接固定。

图13 采光顶基本框架形式及交汇示意图

项目为满足消防、通风要求，在倒穹顶区域，设置了电动开启扇。由于该区域幕墙玻璃为不规则双曲面三角形分格布置，因此对电动开窗装置的选择、系统调试、噪声控制、行程设计、密封防水等方面，均经过了精心的技术模拟。倒穹顶区域电动开启扇设置见图 14。

图14 倒穹顶区域电动开启扇设置

5.5 条带玻璃幕墙系统

条带玻璃系统在上下墙面之间，玻璃系统成螺旋状，其示意图见图 15。玻璃系统底部横梁水平，上部横梁有高差，最大板块玻璃面积为 4.5 m2。

图15 条带玻璃幕墙系统三维模型示意图

5.6 吊顶金属板系统

吊顶金属板系统在主入口外侧，呈放射状分布，板块四边均为曲线，板块尺寸全部不同。三维模型示意图见图 16。

图16 吊顶金属板系统三维模型示意图

6 BIM 重点应用

为了多层次全方位广角度有效提高设计和施工水平及保障后续可靠运维，项目采用了全生命周期的建筑信息模型（BIM）应用。各幕墙系统在设计过程中均按不同部位对模型实施分段分层安装模拟，对可能产生的碰撞、拟合、交界面冲突都预先进行沟通确认。这对工期保障和避免加工安装损耗都起到了极大的指导作用。如穹顶分部：自穹顶玻璃底框和网壳边板安装完毕，开始玻璃面板的拟合安装，同时逐项对连桥钢龙骨网、地面铺设、弧形面板安装、连桥底部铝板封口、入口排水槽设置等进行细致推敲，确保各工种间进度的一致性和准备、实施的时效性，由传统平面向四维模拟和虚拟样板转变，全程实施水平和质量都显著提高。连桥玻璃、底部及入口铝板安装见图 17，连桥入口排水槽见图 18，穹顶女儿墙连廊细节构造见图 19。

图17 连桥玻璃、底部及入口铝板安装示意图

图18 连桥入口排水槽

图19 穹顶女儿墙连廊

其他各幕墙系统也根据材料准备及安装顺序进行逐项建模，不仅作为专业间预判的参考依据，同时也为下料、指导安装施工提供了周全的保障，见图 20～图 22。

图20 直立锁边系统图

图21 穿孔铝板系统

图22 造型铝板系统

7 测量技术保障

项目由于占地分布较大，因此要根据轴线控制点建立细部控制网，利用控制点坐标检核土建及钢结构控制点坐标，在以上布设的控制网基础上根据需要加设幕墙安装的控制点。

本工程主要依靠大地坐标和距离角度进行定位。每个系列轴线至少需两个大地坐标定位点，同时附有每相邻两套轴线的交点距离和旋转角度，便于互相核实。整体结构设置了见图 23 。图中所示的 4 个一级测站点（2-1～2-4），形成闭合回路，对整体工程安装过程进行测量控制；又因一级测站点不能对内部区域进行有效控制，故另设置了 7 个二级测站点（3-1～3-7）进行支站，以确保测站点对整个安装区域的控制。

图23 测量坐标定位点设置示意图

工程结构形式多样，各控制点定位难度高。钢结构整体（屋面支撑结构）精度的控制和单体（屋面板）精度的控制相互影响、相互依存，须在测量施工中逐级确保测量精度，才能保证整个系统工程的前期设计修正时效和下料施工安装的精度，对整个项目的有序开展起到关键的作用。

8 结 语

通过以上细致设计的筹备、预演、复尺、实施，项目整体进展得到了有效的管控。事务推进虽繁复但有序，立面效果与系统性能及紧张的工期保障也得以完美的实现，为上海天文馆的如期运营提供了可靠的基础支撑。