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一、概述
濟南歷下區CBD商務區A1地塊T1塔樓主塔為濟南CBD五指山“山、泉、湖、河、城”五座標志性建筑中的“泉”元素地標建筑。塔樓外立面設計靈感源自濟南趵突泉泉水噴涌而出的景象，趵突泉作為濟南72名泉之首，水壓達到巔峰時，泉水噴涌而出，塔樓的形態源自泉水噴涌的動態輪廓，建筑通過兩個不斷變化的曲面逐漸圍合，與波紋狀的幕墻相結合，形成簡單典雅卻又渾然一體的塔樓形體，傳遞濟南“泉城”的美譽。
二、工程概況
項目用地面積約2.2萬平方米，容積率（詞條“容積率”由行業大百科提供）6.58，總建筑面積約21萬平方米，總體規劃了兩棟塔樓、一座商業裙房和一個地下室。本次幕墻封頂的主塔樓功能為高端辦公，建筑面積約9.6萬平米，地上52層，高245.7米。
三、BIM參數化設計
通過Rhino和Grasshopper的參數化方式，將原本手動捏形的自由曲面轉化為具有嚴密幾何邏輯和標準化的數理模型，在提升標準單元化和經濟性的同時，打通了從“方案-土建施工圖-幕墻招標圖-幕墻施工”的BIM全貫通流程，實現了不同專業、不同軟件、不同階段之間的無縫銜接和高效配合。運用參數化設計的方式深化是本項目的一大亮點。在犀牛(Rhino)建模軟件中，運用Grasshopper的編程平臺，將原本手動建模的形體進行幾何量化，形成參數化模型。原本不規則的、扭動的雙曲形體，轉化為“圓角方形+凸出斜筋”的組合。圓角方形為4段大圓弧在角部兩兩分別通過4段小圓弧進行倒角處理，所形成上下粗、中間細的沙漏狀柱體。在此基礎上，平面（詞條“平面”由行業大百科提供）外的兩根凸出斜筋，在每一個樓層標高都向該樓層的圓角方形作兩根切線，形成帶兩個凸角的平面,層層平面拉升層高形成上次逐層錯動的形體。通過以上參數化幾何的模，完成第一步建筑形體的幾何有理化。
基于這個形體，對每一層的平面做進一步的幕墻板塊劃分，斜筋的一側平面外輪廓，比上一層多一次劃分，比下一層少一次劃分;另一側斜平面外輪廓反之;通過這種方式，上下層之間形成幕墻板塊單元之間有序的錯位肌理。幕墻單元的寬度是模數化的且控制的一定的經濟的尺寸范圍內，同一層斜筋兩側的幕墻劃分單元是等分的，保證兩側各自尺寸相同模數;隨著塔樓從上到下平面尺寸的變化，幕墻單元劃分尺寸控制在1.4~2.1米寬較為經濟的變化范圍內，同時保證了甲級寫字樓較好的室內視野效果。此外，在設計出圖、表達的維度，也通過參數化的方式，自動生成平面板（詞條“面板”由行業大百科提供）邊及外幕墻輪廓、立面圖、結構柱位定位、平面板邊定位控制信息表、幕墻單元板塊劃分編號等成果，大大提升了設計效率，同時和幕墻專項深化之間，形成了有效的數據傳遞。
四、幕墻設計
幕墻作為建筑外圍護結構是建筑立面效果呈現，建筑功能實現的重要載體，也是超高層寫字樓“形”與“意”傳播的重要媒介。
1、建筑平面幾何構成分析
建筑平面采用4條初始半徑為R1初=10785mm，4條初始半徑R2初=44781mm與兩條初始夾角呈154.76°折線段圍合成樣條曲線段，31層作為初始平面，向上，向下樣條曲線分別向外平行擴展101mm，R1、R2分別以31層為初始半徑，分別向上、向下等差遞增。其中兩個直線段形成的夾角，經過數值分析，趨近等差數列。其中因R1、R2半徑呈現等差遞增變化，其中直線段形成的夾角，在建筑平面上形成規律變化，最后在立面上形成錯層收分效果，從而形成立面斜向筋線，成為建筑立面豐富的形體元素。
2、幕墻系統設計
2.1.幕墻立柱設計
該項目2層以上采用單元體系統，2層以下根據建筑斜切造型特點部分采用單元體系統，部分采用桿吊肋幕墻系統。根據建筑平面結合特點，分析31層初始平面，幕墻系統設計采用能適178°-180°的系統A實現，R1采用幕墻系統D實現，因曲率小，R2仍然可以采用A系統實現，直線段與R1連接點，當直線段較長時，其連接節點夾角趨近176°-178°，采用系統B實現，當直線段較短時，其與R1連接點夾角趨近174°-176°，幕墻系統采用C系統實現。
經過數值分析，平面直線段夾角從2F109.6°為初始角度開始增，到31F增加到155.7°，從下2F到30F呈拋物線遞增趨勢，從31F到57F，夾角由155.6°趨近等差遞減變化到110.2°，呈拋物線遞減趨勢，30F到31F夾角差值0.02，趨近為0,趨近拋物線的頂點(詳見：樓層轉角夾角變化曲線圖)，可見豎向30F頂板（詞條“頂板”由行業大百科提供）即為建筑轉角夾角變化的臨界點(對稱軸軸)。通過臨近樓層轉角夾角差值分析(自下而上，下一層減上一層夾角差值)，2F~30F，轉角夾角差值從最小值-2.83趨近到-0.02，31F~57F，轉角夾角差值從最小值0.02趨近到3.48，以30層頂板標高作為對稱軸，豎向高度趨近“S形”分布(詳見圖7：臨近樓層轉角夾角差值圖)。
通過數值取整后，仍有29組變化角度，開模仍然需要多套單元體轉角模具，模具費用大，不利用成本的節約，針對以上角度變化規律分析，亟待提出一種類似平板合頁式的單元體轉角轉換料，在單元體的室內側增加任意角度開合的合頁軸，內穿不銹鋼軸，適應多變角度，單元體兩道防水（詞條“防水”由行業大百科提供）密封線位置，采用型材飛邊與兩段共圓心的弧段連接，左右側采用單元體母料與轉角轉換公料連接，形成類似門窗（詞條“門窗”由行業大百科提供）轉換中梃的結構，詳見幕墻系統E。通過以上五組系統的組合，建筑平面內實現單元體的閉合。
2.2.幕墻橫梁（詞條“橫梁”由行業大百科提供）設計
根據建筑立面形體幾何特點，由于建筑平面以36層為初始平面分別向上、向下進行平行等差遞增，這一變化規律，造成建筑立面呈現里出外進的造型，從3層到36層，建筑平面逐層向室內收縮，36層到57層，建筑平面逐層向室外擴張的規律變化。如何實現建筑立面里出外進的錯層效果，是對幕墻設計的重大技術考驗。幕墻在解決這個技術難題時，借鑒主體結構轉換結構的設計理念，采用單元體“幾”字形轉換料+中橫梁+上橫公料設計，將傳統單元體的上橫公料，采用預留兩道螺栓槽道的中橫梁替代，將轉換的“幾”字形轉換料垂直玻璃方向固定（詞條“固定”由行業大百科提供）在中橫梁上，再將上橫單元體公料固定在“幾”字形轉換料上，單元體完成“L”形轉折，從而實現建筑立面單元體里出外進建筑造型的轉換。由于建筑平面上一層與下一層轉折點位置呈規律性變化，用于轉換的上橫梁公料，在一個單元體板塊內，采用多線段拼接方式，拼接位置采用采用采用U形防水插芯加密封膠連接，強化單元體防水效果，錯層位置層間轉換結構，采用鋁板加保溫棉填充的形式，實現層間的防水、保溫。
2.3.空中大堂幕墻支承結構設計
空中大堂位縱跨建筑35、36層，空中大堂兩層通高，主體結構未設置幕墻用的層間幕墻支撐結構，主體結構采用直徑1.3m鋼混組合結構柱，最大柱跨10m,由于建筑平面8段兩種不同曲率弧線加折線段圍合而成，建筑平面近似圓形，因主體結構未設置層間梁，幕墻需要做柱間跨梁用來懸掛幕墻單元體板塊。幕墻作為建筑外圍護結構是附著在主體結構上，故后增梁，需要獨立在柱子外側，因建筑立面是圓弧形，層間梁需要采用弧線梁。構造如下：
在1.3m鋼混組合結構柱朝向室外側，設置350X200X20mm預制鋼結構牛腿，350X200X20mm箱型梁作為單元體支撐過梁，由于建筑立面呈弧形，需要設置水平向拱梁，由4段折線段形成的立面夾角造型，需要設置折線梁實現，由于柱間跨度較大，外挑弧形梁、折線梁根據在水平向需要承擔水平向風荷載（詞條“風荷載”由行業大百科提供）、地震荷載，豎直方向需要承擔單元體板塊的自重荷載，因柱間跨大過大，在跨中L/3，2L/3處設置直徑20mm不銹鋼承重吊桿，承重吊桿設置在單元體板塊公母料中心線位置，通過設置吊桿，可以有效減小后加梁的跨中撓度限值。且有效減小后加梁截面，確保空中大堂通透效果。
2.4.首層大堂幕墻系統設計
寫字樓大堂作為面客迎賓的重要公共空間，首層大堂的幕墻系統設計是考驗超高層建筑設計的關鍵指標因素，受蘋果店超大版面玻璃的影響，在一些高端項目上，建筑師更加青睞采用全玻璃結構實現首層大堂的建筑外立面封閉，目前超大玻璃加工能力目前僅有北玻可以加工，缺乏競品單位，且材料單平方造價達到萬元以上，全玻璃結構在寫字樓大堂上的應用受到一定的限制，通過對全玻璃結構幕墻系統特點的分析，做好寫字樓大堂玻璃幕墻需要解決以下問題，要保障建筑室外充分的簡潔，盡量少設置或不設置大的裝飾線條，室內用于幕墻支撐的結構需要傳力路徑清晰、桿件纖細、結構布置簡單的結構支撐形式，實現大堂幕墻結構的支撐。無疑，單層索網結構是實現上述幕墻支撐的首選結構形式，但T1塔樓大堂平面也繼承了標準層建筑平面特點，整體趨近圓形，建筑立面更趨近圓柱體，采用拉索結構實現技術難度大。在T1塔樓大堂幕墻系統支撐結
選型時，優化幕墻支撐結構的傳力途徑，采用水平向410mm寬35mm厚度的弧形鋼板，用于支撐玻璃結構，承擔玻璃面板傳遞過來的風荷載和等效地震荷載，靠近玻璃一層，采用直徑27mm的不銹鋼拉桿作為承重吊桿，上端吊掛在大堂上層主體結構上，下端與首層結構錨固（詞條“錨固”由行業大百科提供），因為保障首層大堂充分的通透效果，層間使用鋼板作為梁單元，因鋼板在主軸方向有著良好的強度、剛度儲備，但在平面外，強度、剛度非常弱，且無保障平面外穩定性的構造措施，因玻璃設置在鋼板梁外側，為抑制鋼板梁扭轉及平面外失穩，在鋼板梁內側設置直徑27mm的不銹鋼拉桿作為穩定桿，且對桿件整體施加40KN軸心拉力，通過提前繃緊穩定吊桿，實現水平向鋼梁穩定，為玻璃幕墻施工創造條件。
因吊桿屬于二力桿，未對該桿件施加預應力，為防止桿件松動，在桿件與首層樓板連接位置設蝶形彈簧，吊桿張緊的時候，促進蝶形彈簧壓縮，在主體結構沉降時，首層大堂玻璃幕墻也會跟著主體結構整體沉降，最終會將沉降值累加到首層吊桿，從而易造成最底層吊桿松弛，增加蝶形彈簧，是希望在桿件松弛時，彈簧會伸長，從而將因主體結構沉降造成的軸力損失，轉化為彈簧伸長后的彈性恢復力，從而保障桿件一直處于張緊的狀態，通過彈簧儲能，從而達到桿件軸力動態平衡的目的。
由于該結構系統整體剛度柔，屬于大變形結構，結構非線性特征明顯，需要對結構進行整體穩定性驗算，首先對該結構進行理想結構狀態下的特征值屈曲分析，根據《空間網格結構技術規程》，采用結構的一階模態作為施加結構整體初始缺陷的結構初始形態，對變形后結構施加L/300缺陷值，然后對結構進行整體幾何非線性分析，分析結論λ單非=7.0>4.2滿足《空間網格結構技術規程》穩定性要求，根據《空間網格結構技術規程》中，關于塑性發展系數的統計值系數，計算得出再考慮材料、幾何非線性情況下，λ雙非=7.0X0.47=3.3>2.0，結構穩定性滿足規范要求。
五、結論
濟南歷下區CBD商務區A1地塊T1塔樓具有建筑設計，采用了仿生設計手法，通過建筑平面“里出外進”，建筑立面斜筋扭轉的形體表達，模仿了濟南趵突泉泉水噴涌、水面波光粼粼的特點，充分詮釋了建筑的“形”是“意”的表達。由于建筑立面造型復雜，該項目在建筑方案設計、建筑幕墻設計時候，采用了參數化設計;在解決幕墻構造問題時候，采用五種類型公母立柱，實現平面內多段線擬合;為了解決建筑平面“里出外進”的建筑形體特點，單元體構造采用“幾”字形轉換料，實現形體的構造;為適應平面筋線位置，多角度變化，減少幕墻模具，促進成本節約，轉角筋線位置，采用合頁式組合立柱系統，有效解決一套組合模具解決多角度問題;空中大堂，后加外挑弧形梁，折線梁，為降低跨中撓度，控制截面尺度，采用承重吊桿系統，抑制結構撓度變形;首層大堂為了保障幕墻通透性，采用桿吊肋系統，為了防止首層桿件松弛，增加桿件錨固點蝶形彈簧儲能結構，為防止結構失穩，結構分析時，還做了整體結構穩定性分析。綜上，通過以上幕墻構造設計及幕墻支撐結構的充分結構分析，有效保障了大樓順利竣工，建筑高品質效果充分呈現。.
作者單位：1 北京潤置商業運營管理有限公司
2 上海熙瑪工程顧問有限公司
3 華東建筑設計研究院有限公司
