国内最复杂超高层幕墙，MAD的“山水城市” 是如何实现的？烧脑干货！
10余座高低错落的建筑，如朝阳公园湖畔散落的圆润卵石，高达 143米的不对称双塔耸入湖边天际线。由立面玻璃幕墙定义的竖向线条犹如自然气候作用侵蚀而形成的山脊和山谷。未来感和中国山水意境相结合，给人成极大的震撼。“山水城市”以自由灵动的双曲面形体为特色，可算是国内最为复杂的超高层幕墙项目。
这复杂的曲面幕墙是如何设计和建成的？
怎样把艺术与自然的造物转换为
适合工业大规模制造的体系，
兼顾经济性与可实施性的呢？
接受这一挑战的，作为“山水城市”项目复杂建筑表皮与结构工程的顾问是知名幕墙顾问公司阿法亚洲（以下简称 RFR）。创始人传奇工程师 Peter Rice是点式幕墙和鱼腹式拉索幕墙的发明者，也是诸多经典项目如卢浮宫金字塔、悉尼歌剧院的结构工程师。
斯特拉斯堡TGV车站
弗兰克盖里的巴黎路易威登基金会博物馆
自 1982 年成立到现在， RFR 以挑战工程极限，创造精巧结构为价值导向，组成包括结构工程师、幕墙工程师与几何数学家的跨界专家团队，助力让·努维尔等十几位普利策奖获得者及隈研吾、张珂等先锋建筑师，一直是众多明星项目背后的秘密部队。RFR 设计的斯特拉斯堡（Strasbourg）TGV 车站，是世界上第一个冷弯热夹胶玻璃的项目。 RFR 首创了平板玻璃贴合弧面冷弯、低温夹胶的工艺，避免了热弯玻璃常见的波纹缺陷。弗兰克·盖里设计的巴黎路易威登基金会博物馆耗时十年完成，RFR 负责了“风帆”玻璃的曲面优化和系统设计，发明了自适应双曲幕墙的球铰框架系统，并建立了加工精度的BIM 模型。
1986年，拉维莱特公园玻璃盒，鱼腹式幕墙与玻璃球铰的发明
因为这些复杂幕墙曲面方面开创性的经验， RFR 从2014年至2016年受到业主委托 ，全程负责“山水城市 ”项目的幕墙顾问工作。“山水城市 ”项目两个自由曲面塔楼组成，主曲率半径小于12米的高度双曲面占总幕墙面积的54%，多达10000 平方米，是对玻璃幕墙体系近乎“极限”的挑战。双曲造型是如何设计成可以加工量产的幕墙系统呢？
下文将从双曲面优化、复杂三维幕墙系统设计、生产实施和质量管控三个方面，揭秘应对的挑战和解决方法。
双曲面优化对于“山水城市”塔楼这样的自由曲面幕墙，曲面优化指的是将表达建筑师意图的原始不规则表皮曲面重建并分格嵌板，使其尽量贴合原曲面，保持平滑的外观，能够设计成适合现有的工艺、兼顾经济性的幕墙系统。曲面优化的过程分为整体和局部两个步骤。
首先，用几何方式将整体曲面形体有理化。我们将原始参考曲面与垂直面、水平楼板面相交，得到无规律的初始参考分格。
在所有逼近这个曲面的幕墙系统策略中，鳞片式错缝平板玻璃系统存在防水上的缺陷，齐缝冷弯拼接难以达到理想的平滑效果，冷弯量也较大 。最终采用的是一 种“半离散（Semi-discretized）的曲面优化方式。
半离散的整体的曲面优化及外观效果验证
“半离散曲面优化方法”——将每层自由曲面拟合为双曲圆台面
具体的做法是，将每层代表楼板线的横向分隔曲线重建为圆弧，两层半径不同的圆弧之间放样——这种整体的优化方法分层建成的新表皮曲面，是在横向平滑而竖向多边形化（polygonised）的双曲圆台面（General Cone）。 通过建模和渲染模拟， 可以印证这种在横向顺滑，竖向微量层间折角的效果。这种半离散的整体的曲面优化策略尽可能保留了平滑的外观，给幕墙系统和单块板块的玻璃面拟合提供了可能。
每层的圆台曲面是一种直纹曲面（ ruled surface），竖直面和圆台面相交得到的竖向分格线，与直线相差不到 5mm，可以近似成直线。因此，每个玻璃板块可优化成上下横边是圆弧，左右竖边是直线的四边双曲圆台面。 双曲玻璃没有高效的工业量产方法，不能有效钢化，不是安全玻璃， 应尽量避免使用。在用来模拟双曲圆台面的玻璃选型中， 斜轴圆柱是一种理想的玻璃类型。在生产方面，现代数控弯钢炉制造出的钢化圆柱玻璃，通过调整半径、圆柱轴向摆放方向、切割形状等变量，可以适应无重复玻璃面板的量产要求，平整度好，造价可控。
斜轴圆柱板块做法 双曲拟合圆柱算法
我们将“双曲拟合圆柱算法”应用到每一块板块上，寻找与每个双曲圆台面板块最接近的斜轴圆柱面。因为运用了有效的整体优化策略，上下两边的圆弧的半径相似，圆柱拟合算法的结果非常理想。最终，所有的玻璃板块都很好地拟合成了斜轴圆柱，没有用到任何一片双曲面玻璃。与参考圆台面的阶差不超过30mm，可以由微冷弯弥补。
按照水平方向与垂直方向的分格，屋顶部分的分格为同一轴线旋转面的交线
左图：平板错缝式曲面优化方式 右图：平板冷弯式曲面优化方式
RFR 用自动算法导出了7257个分格玻璃板块的加工图，包括圆柱展开面形状、半径、斜轴方向， 包围矩形（bounding box ）尺寸 、编号位置等参数。其中，展开面的包围矩形尺寸可以用于评估玻璃板块机器加工的可行性。当时天津北玻玻璃工业技术有限公司最大的圆柱钢化炉尺寸为长18m， 宽3.6m ，超过这一尺寸的玻璃板块需要额外中分。在设计阶段的用料匡算可提前锁定成本，帮助业主决策。
斜轴圆柱的方向与几何优化原理
三维组框单元幕墙系统
整体曲面优化策略为幕墙系统设计创造了可能性。 前面提到，每个单元板块的几何形状已优化为左右竖框为直线、上下横框为圆弧线的四边双曲圆台面。单元面板采用了圆柱拟合的方式，而幕墙系统设计采用三维拼框的方式。
我们知道，幕墙框架是用铝型材直线挤出的工艺制造。“山水城市”双塔幕墙面积大，对加工精度要求高，使用无拉弯、无扭曲的直线框可以最大程度地保证精度。又因为是超高层，现场施工定位难度高，宜使用工厂预制、现场整体挂接的单元式幕墙形式（Unitized System）。 单元幕墙的三维拼框系统就是通过对直线框的不同三维角度的切割和拼接，实现扭拧面双曲幕墙单元的类型。
玻璃板块加工图与参数
对于竖框来说，由于竖框与它所在的曲面的折角变化范围极大，竖框统一朝向南北方向定位会给竖框的尺寸和构造设计造成极大的困难。竖框定位方向须尽可能紧贴曲面法线方向，与曲面成 90 °垂直。直线竖框分层定位，法线方向为竖框中点处曲面方向。上下两层竖框方向不连续， 装饰条采用圆形截面，不同扭转方向的外观一样。每个单元竖框与上下横框之间也有轻微扭转， 95 % 单元的竖框横框扭转角小于5°，可以通过胶条吸收偏差。竖框使用统一尺寸型材，同一套模具。
竖框方向定位
单元上下横框为水平放置。因为竖框使用统一型材，在竖框与水平面的倾角前后变化时，使得竖框在水平面上的截面尺寸变化。使用齿纹转换可调节框，使横框能够适应这个竖框截面尺寸的变化，保持横竖框水密气密线对位。进入等压腔的少量冷凝水顺竖框流入下横梁的可调节水槽料，再向下通过排水管排入下一层单元的外腔。横框每2 . 5°开一套模具，共 6 套，以适应竖框与水平面的倾角变化。通过这些可调节构造和归类的手法，虽然几何角度多变，但型材开模具数量和体积都得到优化节约。
横框构造
前面提到横框的几何形状为圆弧。为避免横框弯弧造成精度损失，采用直线横框，框前端CNC 弧线切割，小型材弯弧前框配对，这样可以保证横框的弧度半径绝对精准， 玻璃冷弯的偏差不会与框弯弧造成的偏差叠加。
主横梁工厂 CNC 弧线切割与弯弧转换前框配对
幕墙上部和屋顶部位倾角大，接近于采光顶，给防水带来额外挑战。解决方案是在单元幕墙内外腔等压排水的基础上，再叠加一层框架防水，即在现场单元拼装完成后在装饰扣盖后添加一道密封胶，减少倾斜面的雨水灌入。
斜面流水线，雨水在斜面上的流挂是难以解决的问题
脊线通风系统
双塔外立面纵向突出的脊线内部，设置了通向每个楼层的通风过滤系统，可将过滤后的自然通风引入每一层空间。 项目获得美国绿色建筑协会LEED 金奖认证。
生产实施和质量管控
对品质和性能的持续关注，也体现在整个生产加工全过程的质量管控和建成效果的分析反馈上。生产实施阶段由施工图深化与加工精度BIM模型制作、视觉样板（ VMU）、 性能实验（ PMU）、幕墙单元工厂加工、施工安装、现场 淋水实验、竣工与成果评估等几个阶段。
幕墙BIM模型
幕墙施工安装
复杂的三维形体给承包商的三维深化设计能力提出了非常高的要求。承包商建立了完整的加工精度LOD 400 的幕墙BIM模型， RFR承担审查工作。通过对三维与设计图纸的详细比较分析，与承包商一起发现系统设计问题并提前解决。
室内效果
承包商用参数化定制Pro- E制作的BIM 模型，对幕墙系统的每一个加工参数进行更加详细的定义，通过模型直接导出生产加工图。在工厂对三维拼框单元进行组装时，先固定三个点所在的平面，第四个点翘起，拼成三维扭拧的单元框架。玻璃面板轻微的冷弯施加在竖框上，玻璃冷弯对框架的回弹影响微乎其微，现场竖向插接难度较小， 挂装速度比较快。
入口雨棚处汇光分析
最后，对竣 工后使用问题的跟踪分析也是一个重要的环节。 凹面幕墙会有反光聚热效应， 伦敦“对讲机大楼” 就是其中一个著名的极端案例。 RFR 对塔楼凹面幕墙上的反射光线路径进行定量分析，可预测聚光效应在一年中影响最大的时段和影响范围，地面的聚光通过水池退界解决。
复盘思考：大胆挑战，小心求证
效果图和实景图比较，建成效果得到建筑师认可
工程师在积极接受挑战的同时，须面对真实的问题，提供具有深度的工作。工程师非常清楚最终事实和绝对的责任，在设计阶段对任何问题的回避都意味着工程的风险和品质的损失。 因此，一个真正的工程师从不说漂亮话， 他会用深度的知识、深入的分析、细致的节点来讨论问题和解决方案，拒绝小代价和表面化的工作模式。
最后， 朝阳公园这一高难度项目， 在有追求的业主、 建筑师和工程师的共同努力下成为现实，这不仅在技术上提供借鉴，也给我们带来精神上的鼓舞。对充满想象力和挑战的设计，我们怀抱乐观的心态和扎实的工作方式，找到方法，发明工具，使愿景成为可能。
本文作者于辉/金诗卉
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