1 引言
上海世博会博物馆是国际展览局在全球唯一授权的永久性世博会专题博物馆，是世界上极少兼具博物馆与文献中心功能的展馆(图1)。华东设计研究总院通过“永恒的瞬间”的建筑创意，展现了世博会150年历史沉淀建筑与无数辉煌瞬间的平衡。建筑形态以“历史河谷”与“欢庆之云”的碰撞来做诠释，使世博会博物馆成为城市中“承载欢乐记忆的容器”，较好地呈现了国际性、唯一性、专题性的特征。
全玻璃异形体“欢庆之云”的表皮构建和主体建筑部分“历史河谷”的内庭立面铜板材质运用，是本项目建筑幕墙设计的重点和难点，前者则是重中之重。
图1 上海世博会博物馆项目鸟瞰效果图
2 欢庆之云表皮设计
2.1 建筑形态简介
取云的形态作“欢庆之云”建筑造型之借鉴，旨在代表未来、开放、瞬间的寓意，整体形象简洁流畅。建筑底部以三条云柱作扭转与收分，形成逐级上升的动势，呈现出强烈的未来感。在建筑中部，云柱扭转并相互关联着展开，于建筑顶部形成完整流畅的曲线即为“欢庆之云”轮廓。该形体以轻型钢架为支撑结构。在幕墙细部处理上，以三角形透明玻璃、彩釉玻璃筑成折面状，且在渐变中的立面肌理效果与“瞬间”的设计理念相契合，成为了整座建筑的中心，高 34.8m、宽56.6m、长 75.8m，玻璃表皮面积约 8 242m2，共 3 982 个三角形玻璃单元板块(图2)。
图2 “欢庆之云”效果图
“欢庆之云”工程为单层异形空间网壳钢结构，钢结构支撑体系主要选用矩形钢管，多为 80×180×300 的矩形钢管，大部分为焊接节点，部分为铸钢节点。根据《空间网格结构技术规程》等相关标准的技术规定，按单层网壳结构（词条“网壳结构”由行业大百科提供）控制屋盖短向跨度 1/400 荷载标准值下的结构挠度。施工时采取满堂支撑，当整体结构刚度完全形成，获得指令予以卸载后，方允许安装幕墙。
2.2 表皮数字化工作
表皮设计时，首先需要将三角形玻璃的数量、形状大小、空间定位等技术数据进行统计和表达，作为深化设计的前提条件。此部分工作由建筑师和三维软件程序员共同开发研究并完成。借助 Rhino 等软件控制形体形态，在生成出形体大致轮廓后，规整化处理借助插件grasshoper 进行，再利用python 高级程序语言将云幕墙部分展开至平面，导出表格进行数据统计(图3)。
图3 “欢庆之云”云部分玻璃板块展开图(图片来源于项目设计团队)
实际上，通过计算机辅助设计，可将“云”不同部位相邻板块之间的法线夹角、板块面积大小、板块边长、板块空间坐标定位、板块数量和面积等数据全部统计成 Excel 表格，便于下一步分析和研究。
通过幕墙设计的介入，对板块分格进行优化和调整，应考虑在满足建筑效果的前提条件下，针对玻璃板块生产的工艺性、经济性以及规范的适应性等再次划分调整，主要优化原则如下：1)中空节能玻璃常规尺寸为 2 400×3 600，若超出该范围则造价高很多，调整所有板块尺寸控制在此范围内，并保证原件的最大利用率，控制造价;2)三角形玻璃角度小于 30°难以加工，采用均质化迭代处理，减少过小尖角的玻璃数量;3)经多次迭代计算得到立面和屋面玻璃分格划分网格的板块尺寸近似相同，使得网格划分均匀，也简化了后期幕墙及钢结构施工程序，有利于降低造价;4)按采光顶规范 JGJ255规定，采光顶玻璃板块面积 2.5m2是上限，需严格控制分格尺寸;5)按上海市地规 DGJ08-56 规定，单层钢化玻璃板块 4.5m2是上限，需严格控制分格尺寸;6)按上海市地规 DGJ08-56 规定，开启扇面积 1.8m2是上限，需严格控制开启扇分格尺寸;7)按建筑玻璃应用技术规程 JGJ113 规定的不同厚度玻璃用于室内的最大许用面积，严格控制分格尺寸，以抗人体冲击;8)对于防火、防雷、虹吸排水等其他设计专业的要求进行板块划分微调。板块优化有一个较长的反复过程，涉及到建筑的观瞻效果、玻璃的生产工艺、技术规范的安全规定、项目成本控制等诸多方面。
2.3 三角形玻璃板块设计
三角形玻璃板块遍布单体表皮，分布在采光天顶、立面、吊顶底面，具有空间任意多角度形态的特点。空间异形体设计难点有两个方面：1)经优化后的构造设计，能采用较少的模具种类完成平面内从阴角90°到阳角（词条“阳角”由行业大百科提供） 90°的板块变化，实现建筑表皮造型控制;2)在用玻璃系统对于异形网壳钢架主体结构平面内、外变形进行适应性设计的同时，兼顾板块重力影响。为此，我们研究了已建成的上海世博轴的曲面采光顶喇叭状工程的构造案例(图4)。
图4 世博轴曲面采光顶节点详图示意
这种系统将板块夹角变化的功能落实在玻璃附框的圆弧形模具上面，三角形玻璃板块系统采用的是连续外部点压多点固定（词条“固定”由行业大百科提供）的方式，它适用于表皮玻璃板块之间的夹角变化范围不大(圆弧形模具可调角度有限)，一般适用于坡度不大的采光顶或斜立面角度变化不大的幕墙系统。但是本项目中相邻板块玻璃品种(厚度)不一致，角度变化大，特别是有吊底玻璃面的时候，这种框架（词条“框架”由行业大百科提供）式的构造形式难以胜任，甚至有安全隐患。异形钢网壳主体结构的平面内、外变形较大，支撑构造也需特殊处理。又经考察上海悦达 889 项目，玻璃采用点支撑系统，与本项目相差甚远，无可借鉴(图5)。
图5 上海悦达889项目
必须以一种创新的、积极的设计思维走出困境。通过对表皮分格形态的研究，设计团队终于发现所有的玻璃板块在重力方向上是由两种基本形状的三角形板块组合而成(图6)，故决定采用玻璃单元板块形式。事实证明，通过玻璃板块之间角度的变化来解决整体造型的角度变化问题，是可行的(图7)。将玻璃与附框做成单元体形式，单元体与支座采用类似雨棚拉杆铰接的形式，以点支式固定到主体钢结构上，板块之间的夹角可通过固定点铰支约束完成。
图6 “欢庆之云”三角形板块基本形状类型
图7 “欢庆之云”三角形板块三维效果图
另外，从钢结构主体变形数据整理和计算中得到在全荷载工况下相邻板块之间平面外变形值，结合板块之间硅酮密封胶宽度的伸缩极限，确定单元边框型材开模的数量和种类，在适应平面外变形的同时，圆满完成建筑表皮形体的表达。
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