上海浦東足球場(chǎng)外立面雙曲單元幕墻的設(shè)計(jì)和施工工藝

金俞槐 王 群 彭成荃

1.上海市機(jī)械施工集團(tuán)有限公司 上海 200072；

2.上海久事體育產(chǎn)業(yè)發(fā)展（集團(tuán)）有限公司 上海 200082

為提高全民身體健康素質(zhì)，助力體育強(qiáng)國(guó)建設(shè)，多地興起了體育基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)。位于上海浦東新區(qū)金橋鎮(zhèn)的上海浦東足球場(chǎng)，是一個(gè)滿足國(guó)際足聯(lián)A級(jí)比賽要求的專(zhuān)業(yè)足球場(chǎng)，作為上海三大專(zhuān)業(yè)足球場(chǎng)之一，它也為市民的健身、休閑和娛樂(lè)等活動(dòng)提供了一個(gè)重要的場(chǎng)所[1-3]。

上海浦東足球場(chǎng)的造型設(shè)計(jì)靈感來(lái)源于中國(guó)傳統(tǒng)的白瓷碗，整體造型猶如一個(gè)潔白無(wú)瑕的瓷碗坐落于高樓大廈之間（圖1），彰顯了上海在追逐時(shí)尚之美的同時(shí)，傳承中華傳統(tǒng)文化之美，體現(xiàn)了上海作為長(zhǎng)三角地區(qū)改革開(kāi)放橋頭堡的創(chuàng)新引領(lǐng)作用和傳承優(yōu)秀傳統(tǒng)文化的責(zé)任擔(dān)當(dāng)。

圖1 建筑效果圖

1 工程概況

上海浦東足球場(chǎng)外立面幕墻工程面積約4萬(wàn) m2，主要分為雙曲單元式復(fù)合板系統(tǒng)、肌理板系統(tǒng)、玻璃欄桿系統(tǒng)、明框玻璃系統(tǒng)、百葉系統(tǒng)、開(kāi)平門(mén)系統(tǒng)、無(wú)機(jī)水泥板系統(tǒng)等。

深化設(shè)計(jì)通過(guò)裝配式幕墻的設(shè)計(jì)理念，采用單元式幕墻體系，應(yīng)用BIM技術(shù)對(duì)幕墻系統(tǒng)進(jìn)行整體建模。通過(guò)BIM應(yīng)用，解決了雙曲幕墻的造型設(shè)計(jì)、專(zhuān)業(yè)間的碰撞問(wèn)題；應(yīng)用BIM進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，極大地提升了工作效率，減少了構(gòu)件加工難度和工作量；通過(guò)施工動(dòng)畫(huà)模擬指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工，提升了工程管理水平和施工質(zhì)量，進(jìn)而提升了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

2 雙曲單元幕墻系統(tǒng)概況

足球場(chǎng)外立面整體效果呈碗狀，其分格橫向水平、縱向垂直于檐口邊緣，使外立面幕墻板塊呈現(xiàn)單曲與雙曲交錯(cuò)分布。為嚴(yán)格把控工程的安全性、工藝性、功能性、施工及可維護(hù)性，雙曲立面采用單元式幕墻系統(tǒng)設(shè)計(jì)，工廠加工組裝，易于檢查，提升了建筑工業(yè)化程度，有利于保證多元化整體質(zhì)量。

雙曲單元板立柱及橫梁采用鋁合金材質(zhì)，直面的板塊需拉彎豎向立柱，和直線橫梁組裝成品。轉(zhuǎn)角面的板塊則拉彎立柱與橫梁等組裝的所有鋁合金型材，保證立面曲率。標(biāo)準(zhǔn)單元板長(zhǎng)寬尺寸為2 600 mm×4 500 mm，寬度為板塊的長(zhǎng)方向，采用上、下橫梁作為主受力構(gòu)件，根據(jù)結(jié)構(gòu)受力計(jì)算分析，在2根主橫梁之間增加6～7根鋁合金豎向方通增加整個(gè)框架的剛度。加強(qiáng)的鋁合金豎向方通與面板之間填充結(jié)構(gòu)膠固定，與橫梁立柱四邊采用機(jī)制螺栓固定，增強(qiáng)整體性，保證各單元件的質(zhì)量，從而保證了工程質(zhì)量（圖2）。

圖2 單元節(jié)點(diǎn)

3 雙曲單元幕墻參數(shù)化設(shè)計(jì)

3.1 外立面主框架系統(tǒng)參數(shù)化建模

外立面幕墻主框架系統(tǒng)為基于原主鋼結(jié)構(gòu)做的二次結(jié)構(gòu)。在72榀主體鋼結(jié)構(gòu)桁架之間，根據(jù)幕墻高度劃分區(qū)域，橫向增設(shè)2～3根主受力環(huán)梁，連接節(jié)點(diǎn)采用活動(dòng)受力構(gòu)造，在規(guī)范誤差內(nèi)滿足建筑的變形要求。根據(jù)BIM模型提供的信息，在主體鋼結(jié)構(gòu)加工時(shí)布置用于幕墻連接的耳板。采用Rhino＋Grasshopper（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“GH”）建模方式，輸入相應(yīng)的定位、龍骨截面數(shù)據(jù)及一定數(shù)量的邏輯條件，可快速生成幕墻骨架（圖3）。

圖3 外立面主框架系統(tǒng)

3.2 外立面復(fù)合板單元龍骨系統(tǒng)參數(shù)化建模

幕墻單元龍骨根據(jù)立面分格，在外立面主框架之間連續(xù)布置，上下口連接在主體鋼結(jié)構(gòu)提前增設(shè)的耳板上。龍骨系統(tǒng)結(jié)構(gòu)整體高度呈現(xiàn)連續(xù)變化，標(biāo)高在22.5～24.5 m之間，在GH中寫(xiě)出相應(yīng)的程序，根據(jù)幕墻的外表皮與豎向分格，快速生成龍骨系統(tǒng)，如圖4所示，并且可以動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。根據(jù)算法自動(dòng)布置龍骨，提取龍骨的長(zhǎng)度及數(shù)量，并輔助下料。

圖4 外立面復(fù)合板單元龍骨系統(tǒng)

3.3 外立面復(fù)合板單元系統(tǒng)參數(shù)化建模

單元板系統(tǒng)立柱及橫梁采用鋁合金材質(zhì)，直面的板塊拉彎豎向立柱，和直線橫梁組裝成榀；轉(zhuǎn)角面的板塊則拉彎立柱與橫梁等組裝的所有鋁合金型材，保證立面曲率；2根主立柱之間增加6～7根鋁合金方通，與橫梁連接；加強(qiáng)的鋁合金方通與幻彩復(fù)合板之間填充結(jié)構(gòu)膠，橫梁立柱四邊采用機(jī)制螺栓固定，增強(qiáng)整體性，保證各單元件的質(zhì)量。

檐口處單元板跟隨標(biāo)高線連續(xù)漸變，使用GH建立自適應(yīng)模板，快速生成單元板骨架（圖5），編寫(xiě)算法橫向自動(dòng)布置單元板支座。

圖5 外立面復(fù)合板單元系統(tǒng)

應(yīng)用GH批量標(biāo)注龍骨孔位定位圖（圖6），大大提高出圖效率及出圖準(zhǔn)確性。輔以CAD提供給工廠加工，完成單元板塊組裝。

圖6 應(yīng)用GH批量標(biāo)注龍骨孔位

3.4 外立面復(fù)合板參數(shù)化建模

應(yīng)用GH自編程序，從模型中提取面板尺寸，統(tǒng)計(jì)長(zhǎng)、寬，按原材料歸類(lèi)下料尺寸，提高下料效率；批量化出面板工藝圖，提升出圖效率及數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

3.5 復(fù)合板刨槽加工精度處理

配合金雕軟件和雕刻機(jī)，實(shí)現(xiàn)雙曲折邊，邊部折痕筆直且光滑（圖7），既節(jié)約大量時(shí)間，又保證了工程質(zhì)量。

圖7 復(fù)合板刨槽加工

4 應(yīng)用模型指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工

立面呈現(xiàn)碗口狀態(tài)，曲率連續(xù)變化，所有幕墻構(gòu)件采用三維控制定位安裝，從模型中導(dǎo)出控制點(diǎn)用于現(xiàn)場(chǎng)定位（圖8），保證施工質(zhì)量。

圖8 結(jié)合模型提取控制點(diǎn)為現(xiàn)場(chǎng)定位

5 碰撞檢測(cè)

將各專(zhuān)業(yè)模型分類(lèi)匯總、整合到Navisworks，將幕墻模型與其他專(zhuān)業(yè)模型進(jìn)行碰撞檢測(cè)（圖9），檢測(cè)出幕墻與其他專(zhuān)業(yè)的碰撞沖突，輸出可視化檢測(cè)報(bào)告，提前解決問(wèn)題，避免材料浪費(fèi)及延誤工期。

圖9 各專(zhuān)業(yè)碰撞檢測(cè)

5.1 施工模擬

在工廠進(jìn)行模擬安裝（圖10），復(fù)核單元板加工精度，達(dá)到合格要求之后，再運(yùn)送至工程現(xiàn)場(chǎng)；制作施工安裝工序流程動(dòng)畫(huà)，使溝通更加直觀、簡(jiǎn)潔、清晰，減少工序誤解。

圖10 工廠施工模擬安裝

5.2 檢驗(yàn)校對(duì)

在施工周期內(nèi)提供了大量數(shù)據(jù)輔導(dǎo)施工，需要現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)與模型保持一致，保證施工質(zhì)量（圖11）。

圖11 BIM模型與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)同步處理

6 結(jié)語(yǔ)

上海浦東足球場(chǎng)作為上海打造的足球文化新地標(biāo)，不管是在造型結(jié)構(gòu)方面還是在功能設(shè)置方面都具有獨(dú)特的創(chuàng)新性，是上海將技術(shù)創(chuàng)新、理念創(chuàng)新與傳承文化相融合的一次完美實(shí)踐。同時(shí)，該項(xiàng)目的創(chuàng)新性也為幕墻設(shè)計(jì)了帶來(lái)了難題。為此，項(xiàng)目施工過(guò)程中應(yīng)用了新穎的設(shè)計(jì)理念和技術(shù)應(yīng)用方法，使上海浦東足球場(chǎng)的設(shè)計(jì)理念淋漓盡致地展現(xiàn)出來(lái)。

在不久的將來(lái)，上海浦東足球場(chǎng)這個(gè)“白瓷碗”將成為上海又一璀璨的“明珠”，為中國(guó)的足球文化護(hù)航，助力我國(guó)體育強(qiáng)國(guó)的建設(shè)。