本文主要介绍了上海世博会文化中心超曲面双层金属幕墙在造型特点、环保节能原理、节点构造设计、屋面防水、设计及施工难点等。

　　1、工程概况

　　上海世博文化中心位于上海“世博园”核心区,世博轴以东,是举行2010年上海世博会开闭幕式主会场,是世界一流的现代化演艺场馆,在世博会期间将承担各类大型演出和活动。

　　上海世博文化中心幕墙共由上壳金属幕墙、观光环廊玻璃幕墙、下壳金属幕墙三部分组成。

　　2、建筑造型及幕墙主系统介绍

　　上海世博文化中心以穿梭腾飞的姿态呈飞碟状坐落于草坡基座上(如图2.1),东西向约210米,南北向约165米,建筑高度41米。上下壳体均为超曲面(如图2.2、图2.3),上下壳通过637个规格各异的发光灯筒,模拟“十二星座”布置规则镶嵌于屋面,在夜空中绽放出璀璨的光芒。

　　屋面系统由两部分组成,外层可视部分为亮银色20mm厚蜂窝板,内层为0,9mm厚直立锁边屋面防水板。上下壳屋面蜂窝板按曲面夹角切割成144等分,径向线40等分,通过将径向等分点连接形成环向曲线,再将环向曲线300,249,206,170,141,67,52,37,30,22,15等分,将上述等分点连接形成三角形蜂窝板网格(如图2.3),上下壳蜂窝板按此分格原则,形成了约2600o块蜂窝板,且角度及规格各异。因工程造型酷似飞碟,屋面防水层铝镁锰屋面板需由传统的直板演化为扇形面板。

　　幕墙系统构造设计中采用了仿生态设计原则,通过呼吸层保持建筑物有机的呼吸循环,开放式蜂窝铝板后面形成了一个呼吸层,空气在其中流通,风干时间缩短,能够保持结构的长期自然干燥,从而提高了建筑物整体结构体系的使用年限。在夏天烈日长时间的照射下,蜂窝铝板作为金属材料,表面温度可达50-60℃ ,由于高温的影响,形成“烟囱”效应,呼吸层的空气流通加速,带走大量的热气,从而提高屋面的节能功效。

　　3、金属屋面系统设计难点分析

　　1)屋面防水处理屋面防水是世博文化中心的重中之重,其防水效果是最重要最直观的、工程质量指标之一。本工程屋面大,坡度缓,雨量大,对防水面板的要求更高。采用直立锁边铝镁锰合金板设计,便得整个板宽均能有效排水,大大提高了板的排水截面。直立锁边板采用65mm高板肋,通过构造处理提高了防水性能(如图3.1)。

2)面板加工图量大面板规格多,尺寸、夹角各异,由于面板规格达到数万块,且工期紧迫,必须找到高效、精确的方式保证面板下料,通过分析,尽管尺寸规格各异,但有超过3/4的蜂窝板面板均为三角形板块,可通过在三维模型中将面板分格尺寸统计出来,通过编制EXCEL函数扣缝算出三边加工尺寸及副框加工角度；

　　3)檐口加工长度约4米的铝单板轨迹为样条曲线此轨迹只能做到无限近似却做不到完全重合,而铝单板的平滑度将严重影响视觉效果,为此在做铝单板加工图前需整体建模,厂家以做磨具的标准,精雕细琢做铝板(如图3,2)；

　　4、金属屋面系统支撑方案的确定

　　1）超曲屋面的面板调节

　　屋面装饰面板为20mm厚蜂窝板，均为三角形板块，最经济且可靠的固定方式就是在三角形板块顶点固定，但每个顶点处大多数都有六块面板,且每块板均不共面,因此实现多面可调是必须的,为此研制出了万向调节器(如图4.1),有效解决了多面调节问题。

　　2)外层蜂窝板支座与直立锁边夹持支撑方式的确定。根据风洞试验结果,屋面最大风荷载为2.86KN/㎡,经过精确的风荷载计算,确定支撑系统的单点受力最大为16,6KN,而直立锁边屋面厂商提供的最大的单点受力为1KN,并在国家大剧院项目上成功运用。面对这个问题是改变蜂窝板支撑系统还是改变屋面主体构造形式?

　　国家大剧院项目是规则的球型屋面系统,为降低单点受力过大,该项目采用环向龙骨布置方式,所有面板受力平均分布在环向龙骨上(如图4,2),但经过研究,此方案不适合世博文化中心项目。第一,世博文化中心的屋面是个不规整的超曲面系统,环向龙骨的构造形式无法满足所有外侧面板安装;第二,对这个亚洲最大跨度的屋面钢结构系统,环向龙骨布置方式对工程造价及屋面局部支撑荷载过大；第三,之前为此工程所做的所有设计工作均需改变,时间不允许。因此只有对现有屋面支撑系统进行优化及改善,以满足现有工程的需要。

　　经过研究及理论推理,屋面板极限承载力还有潜力可挖,但这种推理还需要通过权威的实验去验证。为此我们确定了三种测试方案:两点支撑,四点支撑,滑槽连接方式;扩大直立锁边板受力范围,尽可能模拟真实的屋面板受力情况9并送相关检测机构进行拉拔测试。

　　试验结果:采用直立锁边厂家自身系统固定支座两点测试抗拉力至11.2KN9四点试验测试至19.3KN直立锁边板没有发生破坏,而根据风洞试验计算板块单点抗拉最大荷载为16,6KN；

　　据此实验结果及风洞试验数据,上下壳受力区域可简化为:<9KN区域和≥9KN区域(如图4.3、图4.4)

　　根据实验结果及受力分布区域对屋面蜂窝板做出如下两种支撑方案:

　　①、支点受力(9KN区域,采用两点支撑(如图4.5)；

　　②、支点受力≥9KN区域,采用四点支撑(如图4.6)；

　　5、金属屋面系统施工难点分析

　　1)超曲面的造型给现场施工控制提出更高的要求如何保证现场施工完全符合设计理论是个大问题,现场放线不可能每块板三顶点都放线,为了达到理论与可操作性的平衡,最终通过221个关键坐标控制点来反馈上下壳理论与实际的吻合程度,做到可控、可调；

　　2)下壳防水铝镁锰屋面板及外装饰蜂窝板的安装需要超常规方法下壳为大斜面悬挑结构,考虑到工程工期短,各单位多交叉作业,甲方不允许满堂脚手架施工,经过反复论证通过特制可活动吊架完成大面幕墙施工作业,局部采用高空作业车施工(如图5.1)。

　　3)下壳直立锁边屋面支撑钢架的吊装由于工期紧迫,在主体钢构吊装未完毕的情况下,为赢取时间,防水直立锁边板内部次龙骨需在地面制作成榀,然后进行整体吊装,而10mX10m的钢架吊装,精确定位是关键。

　　4)屋面板施工,铝焊是关键 由于本工程屋面的面积大,一旦焊接不到位或是不严格按工艺进行施工,则极容易造成屋面漏水或引发火灾。为此,施工人员特别制定了控制各相交节点和水槽的施工方案。在天沟的接缝、接头处,包括直立锁边板的连接部位做渗水试验,防止漏水现象的发生。为防止因伸缩变形撕裂铝焊位置,需对焊缝位置面板伸缩进行控制(如图5.2)。

　　6、结束语

　　本工程是2010年上海世博会“一轴四馆”永久性场馆之一,因其独特的空间造型给设计、施工带来了极大的挑战,在各方的精诚协作下,经过一年多的日夜奋力拼搏,上海世博文化中心终于如一颗璀璨的明珠,绽放在世人的眼前,为实现一届完美、精彩的世博会贡献了一份力量。