经典原创：颠覆幕墙概念的创新之作——西安丝路国际会议中心幕墙工程解析
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△ 西安丝路国际会议中心（实拍）
作者：中建深圳装饰有限公司 张书斌、郝 乐、罗正林、梁 勇
序
2019年11月26日，古城西安，一场重构幕墙定义的见证活动即将上演——西安丝路国际会议中心幕墙工程研讨观摩大会。这对整个中国建筑幕墙行业乃至于建筑界都是一件颠覆概念的大事。改革开放以来，我们打破了多少之前认为不能变的东西，恢复高考、建设社会主义市场经济、设立经济特区、一国两制等等，这些都是我们国家层面在转变思维定势。而对于我们建筑装饰而言，同样需要解放思想，在西安一座拥有千年历史风韵的古都，在一带一路的新起点，一个新地标已落成，西安丝路国际会议中心打破了人们对于现代建筑冷冰冰的传统理念，在外幕墙设计上大胆创新，将幕墙钢结构吊柱与主体结构同为一体，造就了特殊的建筑形态，其中2-4层大跨度组合钢吊柱玻璃幕墙构建了幕墙特殊形式的 “定义”。本文将主要介绍西安丝路国际会议中心幕墙设计上的几点创新、愿能够给幕墙同行在类似设计理念上做出一点的参考，推动行业向前发展。
一、工程概况
项目背景：西安丝路国际会议中心位于西安浐灞生态区灞河之滨，毗邻世博园，建筑面积20万平方米，是一座集生态化、国际化、智能化为一体的国家级会议中心。
设计理念：西安丝路会议中心的外立面设计，以简明抽象的手笔，对中国古典建筑特征进行传承，并给予新的诠释。从而创造出现代而经典，大气而精致，庄重而优雅的标志形象。
建筑外立面从西安历史地标建筑钟楼提取造型元素，融合古代建筑飞檐以及现代建筑简洁元素，具体设计中抓住中国古典建筑的神韵：方正对称的格局；虚实有致的体量；宽大弯曲的屋面；理性规整的柱式；打破了人们对于现代建筑冷冰冰的传统理念。
上图来源于GMP方案介绍
幕墙设计师手绘涂鸦
设计亮点：西安丝路会议中心，通过上下白色“月牙”和“月牙”间的玻璃幕墙形成有致的虚实对比，下“月牙”底部为首层内凹的全玻璃幕墙，当夜幕降临时，上下月牙将被点亮，宛如一谆弯月悬于丝路之上，形成夜幕下的标志景观。
建筑效果的呈现，给建筑结构设计和幕墙系统带来了极大的挑战，在结构设计上西安丝路会议中心选用了核心筒+桁架的悬挂结构体系，在内部，室内形成全无柱空间，满足会议使用功能的同时，也创造了特有的无柱空间体验。在外部，通过屋顶桁架悬挂下来的180 根钢柱和260根幕墙组合钢吊柱将下月牙悬挂在上月牙上，将上下“月牙”以线与面的方式呼应，从而创造出建筑特有漂浮感，使它成为灞河北岸最亮眼的地标建筑。见图一至图四
图一：南面实景
图二：鸟瞰实景
图三：南立面夕阳实景
图四：东南角实景
该项目聘请全球知名的德国GMP建筑事务所为方案设计，国内设计院为同济大学建筑设计集团，幕墙顾问英海特（上海）工程咨询有限公司。其中幕墙高度58.80米，幕墙面积约15万平方米，通过弧线玻璃幕墙及双曲造型月牙面的衬托，彰显简洁大方的设计理念。
二、幕墙设计重难点解析
西安丝路国际会议中心幕墙系统主要为四类：FS1大跨度组合钢吊柱玻璃幕墙（幕墙吊柱参与主体结构受力）、FS2首层玻璃肋支撑全玻璃幕墙（坐立式系统）、FS3上下月牙金属幕墙（直立锁边金属屋面及开敞铝板）、FS4机房层屋面及立面格栅。见图五
图五：幕墙系统分布
本项目为创造建筑特有的悬浮感，下月牙全部悬挂在上月牙上桁架体系上，这种创新性建筑结构形式给幕墙设计和施工带来了变革：
1）主体结构为全钢结构，尤其是安装FS1、FS2系统的上下月牙为悬挑钢结构，建筑幕墙作为建筑物的附属构件不承担主体结构受力，本工程FS1系统的组合钢吊柱参与主体结构受力，受力工况复杂，玻璃幕墙系统要适应主体结构变形；
2）约6000吨幕墙吊柱，南面最小跨度24米，四个角部最大跨度达44米，单根立柱长度25m-44m（最大跨度44米），单根重量7t-34t与主体钢结构同步穿插施工，施工过程精度要求高、施工难度大，在各受力工况下变形情况频发无序，同步卸载后变形不可控。
3）下月牙竖向位移较大，在荷载组合状态下整个下月牙有向上100mm，向下300mm的运动趋势。首层全玻璃幕墙系统设计在满足自身设计要求下必须适应此变形需求。
4）本项目工期紧，装饰与主体交叉施工，在施工措施上需考虑悬挑月牙吊顶安装措施的选择，吊顶铝板系统引导和满足现场技术措施需求，同时确保项目安装效果呈现。
本项目技术难点突出，在常规幕墙项目上比较少见，本文将针对项目主要技术难点在幕墙系统设计上简要分析。
2.1 FS1大跨度组合钢吊柱玻璃幕墙系统
2.1.1系统介绍
本系统主要位于2-4F东、西、南、北立面；
结构形式——框架式玻璃幕墙， 竖向明框，横向无横梁系统（部分层间位置假横梁，不参与受力）；
面材规格——12（TP）Low-e +16Ar+12mm(TP)中空low-e超白钢化玻璃。
主要龙骨：采用氟碳喷涂的组合钢吊柱（吊柱跨度16-44米，单根最重34t），铝合金型材底座、钢吊柱间拉杆。
本项目为了体现超大空间，玻璃采用对边支撑，玻璃大面标准分格2.4米*3.5米。
2.1.2主体结构与幕墙表皮逻辑关系：
幕墙吊柱参与主体结构受力，幕墙钢吊柱安装完毕后，与主体钢结构共同卸载，卸载后变形情况不可预估，此系统幕墙吊柱是主体结构一部分，已经违背建筑幕墙原始定义。（建筑幕墙：由支撑结构体系与面板组成、可相对于主体结构有一定位移能力，不分担主体结构所受作用的建筑外围护结构或装饰性结构。—GB/T21086-2007。）见图六、图七、图八
幕墙与主体主要的结构关系：
1）下月牙及FS1系统幕墙直接吊挂在上月牙环桁架上；
2）四个转角与南立面为通高的幕墙，跨度较大。
3）东、西、北立面中部有楼板支撑，但不能承受竖向荷载，仅提供水平支撑。
图六：主体结构剖面图
图七：主体结构与幕墙表皮关系示意
图八：主体结构楼板区域平面
2.1.3幕墙系统设计重难点：
1）组合钢吊柱的选型设计
为了达到建筑通透性效果，通过横向的构件将两根立柱连接成一个整体，每隔8m设置水平拉杆、有层间位置增加层间横梁提整体侧向稳定性。分区域进行钢立柱截面的优化设计，提高材料利用率，提升室内观感，增大幕墙通透性。见图九
为满足建筑外观及玻璃分格，幕墙吊柱的水平格构横梁要处于同一水平线上，本项目主体结构分阶段卸载后，基于冬夏温差下吊柱最大温度线变形量为15mm，综合考虑其他因素将各横梁标高偏差以20mm为限制范围，通过施工模拟，主体桁架屋面环桁架的变形分析，并且边施工边变形的影响，计算出钢吊柱龙骨的不均匀沉降量，并根据沉降量对龙骨的加工工艺及安装工艺进行控制，采用二次调高的后补段施工工艺。施工模拟与同济大学设计集团、上海同磊合作计算，严格控制安装顺序，简要的说，加工的组合钢吊柱因结构变形，钢吊柱上端预留加长，现场根据模拟值和测量，进行二次切割，在与主体结构连接，下端进行后补段嵌入式施工，与下月牙主体桁架同步进行。见图十
2）转角立柱的组合设计
将转角三角形区域的吊柱在幕墙分格位置通过水平杆件连接起来，形成一个整体，同时起到侧向稳定以及拉杆端部离得传递，满足整体平面内的变形要求。见图十一
图十一：角部吊柱连接
3）组合钢吊柱的连接设计
组合钢吊柱承受主体结构的力，在顶底连接采用销轴设计，销轴材质为40cr，满足受力要求，层间有楼板区域采用竖向滑动节点设计，满足吊柱向上100mm，向下300mm的行程需求。见图十二
图十二：吊柱连接设计
将幕墙吊柱与幕墙吊柱与主体结构一同建模分析，主要考虑地震等荷载作用增加拉杆，为避免不同跨度间在幕墙平面内侧向变形较大拉杆进行预张拉，截面大的位置采用双排拉杆，拉杆端部采用球铰，适应吊柱间的夹角，同时端部预留一定伸缩空间，防止压力传到拉杆而，拉杆受压变形失效，且影响美观。见图十三
图十三：拉杆设计
4）幕墙吊柱平面内，平面外计算分析
在将幕墙吊柱整体建模分析后，通过局部分析，东西北立面角部无楼板区域与有楼板提供水平支撑区域，两个相邻吊柱在平面外的位移差在极限荷载作用下有181mm，此处受力较为复杂，此基础上进行单块玻璃平面外的受力分析，位于吊柱上部的玻璃在承受荷载时，玻璃一边的顶部向平面外移动103mm， 底部向平面外移动142mm，中部的玻璃在承受荷载时玻玻璃一边向平面外移动181mm。
（玻璃尺寸2.4米*3.5米）。最大位移差为39mm，进行玻璃强度校核，满足设计要求。见图十四
图十四：平面外计算分析
在角部区域，幕墙平面内变形较大，通过整体角部建模计算，单块玻璃的平面内变形数据位移差为13.6mm。见图十五
图十五：平面内计算分析
这里要提到一点因为幕墙吊柱竖向位移是非线性，且上月牙桁架悬挑距离不同，导致幕墙吊柱垂直位移变化多端，通过设计院幕墙吊柱在荷载组合作用下竖向位移计算分析（见图十六），从施工角度上来讲，考虑到节点焊接强度等多种因素，进行了图十的数值模拟施工分析，不同施工步骤阶段性的位移值，并在后期吊柱施工中采用的后补段施工工艺（见图十七）。并且考虑玻璃面板安装后装饰荷载的变形，对水平横梁拉杆的影响。这部分通过数值模拟以及施工的实实时监测，我们对于玻璃安装分格标高定位进行了类钢结构的预先抬高，鉴于篇幅原因此部分现场测量数据分析，不再赘述。
S——结构荷载；D——装饰荷载；L——活荷载
图十六：不同荷载组合作用下，幕墙吊柱竖向位移计算分析
图十七：吊柱施工工艺及卸载后数据分析
图十八：幕墙钢吊柱与主体同步施工
5）玻璃幕墙系统设计
鉴于以上结构分析因素，在系统设计时充分考虑玻璃幕墙适应主体结构的变形，通常情况下，在吊柱前端增加一排幕墙自己的龙骨，通过幕墙龙骨的变形消化吊柱结构受力及安装偏差，这样解决此处的玻璃幕墙最为简洁，但是会给整个建筑的室内外效果带来毁灭性的打击。
所以在幕墙系统设计上，我们大胆创新，突破幕墙的传统定义，将组合钢吊柱直接作为幕墙主龙骨，吊柱前端增加特殊的型材底座与钢吊柱相连固定玻璃，通过型材与转接钢件的横向及竖向长腰孔，细节构造上增加玻璃入槽深度，吸收钢吊柱的加工、安装及后续结构变形的误差，在特殊位置（楼板和拉杆相结合处）采用特殊的侧向柔性垫块，防止立柱侧向变形挤压玻璃。见图十九
在有楼板支撑和无楼板区交界区域，平面外变形较大，玻璃入槽的深度分析，来适应玻璃的变形需求，防止玻璃脱槽。见图二十
在角部平面内变形较大处，通过玻璃压板的宽度（由常规90mm宽增加100mm宽），玻璃入槽的深度（加深至25mm），增大玻璃边距型材间距并填充高性能密封胶等特殊构造（增加至15mm），来适应玻璃的变形需求，防止玻璃受挤压破碎。见图二十一
图二十：玻璃入槽深度分析
图二十一：玻璃扣盖加宽位置分析
通过一系列的构造措施，理论上保证了整个系统设计的安全性，系统设计阶段邀请行业内专家进行系统论证，主要是由于标准分格过大，结构受力复杂，超出传统幕墙定义，同时后期更换玻璃困难等更加安全性的原因均提出玻璃配置采用双夹胶中空玻璃，，但鉴于投资概算限制，最终在满足国家规范的条件下，选用了12Low-e+16AR+12mm中空钢化超白玻璃，目前玻璃安装有8个月时间，面板共计8000多块玻璃，自爆6块外，其余未发现挤压破碎。
施工前，在玻璃安装阶段，结构卸载后进行了幕墙吊柱卸载前全测量，卸载后首次，及间隔一周卸载稳定性后测量，分析吊柱的施工安装误差，设计人员对8000块玻璃进行实测数据分析下单，现场安装严格按照玻璃编号，确保玻璃的安全性。在吊柱和玻璃安装阶段均实时监测数据，通过首吊找验证方案与数值模拟比对，做到安装有迹可循。
图二十二：钢吊柱以及玻璃首吊照片
2.2 FS2首层坐立式玻璃肋点支撑幕墙系统
2.2.1系统介绍
本系统位于立面首层，下月牙下部内凹幕墙
结构形式——坐立式玻璃肋点支撑幕墙；
面材规格——12（TP） Low-e +16Ar+12mm(TP) 中空low-e超白钢化玻璃；
主要龙骨—玻璃肋（450mm宽）15(TP)+2.28SGP+15(TP)+2.28SGP+
15(TP)mm夹胶超白钢化玻璃(6米跨度以下)；
15(TP)+2.28SGP+15(TP)+2.28SGP+15(TP) +2.28SGP+15(TP)mm夹胶超白钢化玻璃(玻璃肋跨度6-8米)；
15(TP)+2.28SGP+15(TP)+2.28SGP+15(TP)+2.28SGP+15(TP)mm+2.28SGP+15(TP)mm夹胶超白钢化玻璃(8米跨度以上)；
2.2.2主体结构与幕墙表皮逻辑关系：
在图七中以及上文中已明确整体结构形式为：下月牙依靠FS1幕墙吊柱以及主体180根圆柱悬挂在上月牙上，整个下月牙在3个方向均有位移，下月牙处于飘动状态，如同裙摆一样，其中竖向位移最大且不均匀。见图二十三
图二十三：首层玻璃幕墙立面及下月牙竖向位移示意
2.2.3幕墙系统设计重难点：
下月牙桁架有向上100mm，向下200mm的垂直位移。温度80°温差情况下有50mm以上伸缩；进场设计时，楼板地板已浇筑，无法预留伸缩空间，不改变建筑外观情况下，通过专家论证，调整成坐立式玻璃肋玻璃幕墙，玻璃肋坐立高度4.5到9米，玻璃肋下口进入槽设计，入槽深度至少达到270mm，玻璃肋四周通过结构胶与玻璃槽连接，达到半刚接效果，受力模型为悬臂梁，通过屈曲分析，选定玻璃肋厚度（见图二十四）。
图二十四：首层玻璃肋节点设计与受力分析
整个节点设计竖向伸缩空间在上方，为适应主体结构变形，玻璃肋上端需给下月牙预留200mm，局部300mm向下运动空间，向上100mm运动空间。见图二十五
图二十五：坐立式玻璃幕墙上口节点
节点设计必须考虑侧向力导致玻璃肋弯曲后的自锁使得玻璃肋破碎，所以在节点设计上巧妙的采用了特殊构造设计满足滑移需求。通过采用不锈钢夹板，利用其平整度高的特点，达到节点缝隙尺寸精确，同时增加聚四氟乙烯模块，达到降低滑动阻力的目的。见图二十六
图中：
1.底板（与主体结构连接），2. 节点加强筋，3.竖向不锈钢板，4.滑移长条孔，5.固定玻璃用不锈钢销轴，6.聚四氟乙烯滑块，7.玻璃用不锈钢夹具。
图二十六：构件示意图
玻璃肋系统角部考虑侧向力，采用鱼骨不锈钢进行收口以及受力计算，提升外观阳角交接效果，同时满足结构受力要求。见图二十七，图二十八为首层过程安装实景图
图二十七：角部增加不锈钢收边龙骨
图二十八：首层玻璃肋安装及面板安装效果
2.3 FS3金属幕墙及装配式铝板吊顶系统
2.3.1系统介绍
本系统位于上下月牙屋面及吊顶，檐口距离立面幕墙外挑最大18米。幕墙形式主要为外层3mm厚氟碳喷涂开放式铝板，内层设置1mm厚铝镁锰直立锁边板或2mm厚铬化防水铝板。铝板为长边固定，短边不固定，开放式铝板系统。见图二十九
2.3.2系统选型
迎水面（顶面，屋面）：满足一级防水需求，采用金属屋面，TPO(柔性防水)+直立锁边+开敞式铝板系统；
背水面（吊顶，檐口）：2mm铬化披水板+开敞式铝板；
室内：开敞式铝板系统。
图二十九：金属幕墙系统选型
2.3.3系统重难点设计
上月牙吊顶悬挑18米，吊顶距离地面高度47到52米，吊顶整体造型为双曲面，造型复杂，安装精度高，曲面的顺滑度影响整个项目的成败，
在系统设计上，上月牙吊顶采用整体吊装(装配式施工)，与施工方案紧密配合，且铝板系统设计上采用后期内部可更换系统，下月牙吊顶龙骨整体吊装，保证外观平整度，采用面板散装形式。金属屋面上方铝板龙骨满足三维可调节，消化施工安装误差，保证铝板安装后的曲面顺滑度。考虑铝板模拟大空间双曲面，在分格上铝板宽度控制在1200mm左右，局部板面最宽不超过1500mm。纵向分格适应整体建筑风格，等分铝板长度在3米左右，最长控制在3.5米。
风洞报告屋面风荷载达到3.7，故为了提高安全系数，舍弃挂接和插接系统，铝板系统上采用铝板折边加附框形式，角码使用上采用滑槽，着重强调附框与加强筋要相互连接，通过螺栓连接，通过构造吸收相应外力及内力，从而保证铝板安装后的曲面顺滑度。
上月牙吊顶设计成9*9米一个整体单元，在单元交接处，采用双龙骨系统，后装因主体钢结构涉的铝板，同时巧妙设计钢转接件与主钢龙骨螺栓连接，板块和板块交接时可微调铝板高度，实现顺滑度调节。避免吊装后，两个大的铝板单元存在阶差，无法调节。见图三十、图三十一、图三十二。
图三十：装配式吊顶节点设计
图三十一：吊顶单元地面拼装
图三十二：装配式安装
2.4 FS4金属格栅、百叶系统
本系统位于屋面设备间及机房层屋面，屋面开放式铝板内部为铬化铝板封闭铝合金格栅幕墙为50x50铝合金格栅按50mm间距通过铝角码竖向固定在横龙骨上，形成装饰格栅面。
考虑散装以及整体安装均可，效果呈现较好。见图三十三
图三十三：格栅，百叶效果
2.5 BIM参数化的配合
针对异形项目离不开建模模型的核对，在全生命周期BIM运用的基础是数字信息模型，针对此类建筑在设计初期，设计团队对幕墙表皮与结构模型进行全面分析，与建筑师gmp和同济院提出幕墙表皮模型的深化调整思路，确保了建筑外观的完美呈现。同时建筑参数化模型也给现场的材料生产加工、安装定位带来极大的便利：
6000吨钢立柱，260根钢柱的幕墙钢柱吊装，用时45天完成，矗立起项目坚实根基；20000余根钢方通，4108块铝板的装配式吊顶铝板安装，用时60天完成，展现了工程匠心品质。6600余块镀锌底板，2800余条铝镁锰屋面板的金属屋面安装，用时40天完成，聚焦该项目的快速出击。8000余块玻璃、30000余个测点的幕墙玻璃安装、用时30天完成；打造出高品质视觉奇观这些都离不开BIM参数化应用，从而确保工期完美履约。
三、总结分析
西安丝路国际会议中心幕墙工程FS1系统的四性试验，FS2系统的四性试验以及垂直位移测试，FS3金属屋面的抗风揭试验均在业主、监理共同见证下一次性通过（美标测试）。
西安丝路国际会议中心是幕墙设计工作的跨界设计，融合结构，重新定义了一种新的幕墙形式，幕墙类型看似简单，却处处暗藏玄机，经过设计团队不断努力探索，与设计院的协同工作，在幕墙系统设计上大胆突破并付诸于实际，施工现场安装完近9个月的时间内也初步证明系统的可行性。总结一下有以下三点供参考：
1）FS1组合钢吊柱玻璃幕墙结构参与主体结构受力，大胆创新，打破传统幕墙定义，构建了一种新的幕墙形式，是对幕墙定义一种新的诠释，就如同苹果在10年期重新定义手机一样，具有一定时代创新意义。
2）FS2坐立式玻璃肋支撑玻璃幕墙，已突破目前现有行业规范标准，这也证实在规范标准成熟的经验总结后，我们要对新技术的进行展望。不能被规范限制新技术的应用。技术在发展，超规范是必然的规律，对新技术应该抱欢迎态度。只有大家不断运用新技术，才能使行业向前发展
3）FS3装配式吊顶铝板系统，实现了幕墙施工方案与系统设计的完美融合，响应了国家号召，同时在幕墙技术措施施工上有新的突破。完美的展现了企业的创新精神。
一个伟大的工程，不仅仅是一座建筑，它一定会凝聚出很多更宝贵的价值，西安丝路国际会议中心幕墙工程就是对大国工匠精神的完美诠释。“古都新地标的建成”完美的展示了每个企业都用应该有坚持锐意进取、改革创新的精神。本项目中大篇幅介绍幕墙表皮与结构关系，并着重探讨FS1大跨度组合钢吊柱玻璃幕墙设计思路、FS2超规范的坐立式玻璃幕墙系统设计，由于水平有限难免有错误望批评指正，旨在与同行探讨幕墙设计的创新性与变革，幕墙设计要迎接更多的挑战，推动行业的不断发展。
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本文刊发在《幕墙设计》杂志2019年第五期
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