120度旋转向上可抵御台风
上海中心之前,双层幕墙这样的结构,还从未出现在350米以上的超高层建筑中。
上海中心大厦建设发展有限公司副总经理、总工程师葛清说,上海中心是世界上首次在超高层建筑安装14万平方米(相当于19个标准足球场)柔性幕墙,难度系数堪称世界之最。
“从工程学角度来看,超高层的玻璃幕墙,比纸还脆弱,稍有不慎,就将带来灾难性的破坏。”负责上海中心项目深化设计方案的是上海本土的同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司,公司总裁助理陈继良说,工程人员在项目深化设计中,重点攻克的就是大厦在超出现有设计标准条件下,满足防震、防风、防火等一系列抵御灾难性气候条件的结构设计方案。
经过地震安全评估,上海并不处于地震带,上海中心的设计抗震能力,可抵御烈度为7.5度的强震。上海中心在玻璃幕墙上设置窗喷,可均匀地布水,也能有效提高火灾时高空救援的效率。
但在防风问题上,此前并没有600多米高空风力的检测数据,工程人员可参考的只有金茂大厦和环球金融中心的风剖面数据,上海中心旋转向上的形态,是有利于防风,还是不利于防风?
工程人员在加拿大国家研究院的风洞里,进行标准为百年一遇的台风风洞测试。测试结果表明,旋转角度越大,作用在主楼表面的风荷载越小,证明旋转的体形设计,完全符合空气动力学的基本原理。通过反复测试甄选,最后发现120度是美学与风工程学的最佳结合点,可帮助上海中心抵御台风威胁。这不仅为大楼降低24%的风荷载,还造就了更轻、更高效的幕墙结构,大大降低资源消耗,节省近3.5亿元造价。
可滑移支座实现伸缩自如
在上海中心即将分步运营前期,记者先行探营发现,大厦分为9个垂直分区空间,每个空间12至15个楼层,各空间转换层,共布设21个“空中花园”。
神奇的是,每个垂直分区空间里,内外两层幕墙间的间距最小1.5米、最大有10多米,垂直落差达43至63米,如此大型空间里,竟看不到一点钢筋混凝土的影子,完全由钢结构担纲所有幕墙支撑。
“这一开创性的幕墙支撑结构,如果运用于普通建筑上,并不算太难。但在上海中心这样的超高层建筑中,这种结构需要面临上下跨度大、支承玻璃幕墙的钢环梁构件超长等问题。面对台风、地震、高低温、幕墙玻璃板块自重加载等因素,如何有效控制变形,事关整个幕墙的结构安全。”葛清说。
来自同济大学、上海建工机施公司等方面的建筑工程专家们经过各种试验,选择在支撑结构体系关键点上安装允许结构伸缩的“可滑移支座”方案,使外幕墙在外界作用下,能在设计允许范围内发生竖向或水平位移,避免结构因应力过大而遭受破坏。
这种允许外幕墙在一定范围内移动,体积相当于两只架子鼓叠加起来的“滑移支座”,尽管其貌不扬,却是保证上海中心外立面柔中带刚的关键。此项技术一般用于航空航天等高科技及军用领域,在建筑领域尚属全新应用。