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一、概述
济南历下区CBD商务区A1地块T1塔楼主塔为济南CBD五指山“山、泉、湖、河、城”五座标志性建筑中的“泉”元素地标建筑。塔楼外立面设计灵感源自济南趵突泉泉水喷涌而出的景象，趵突泉作为济南72名泉之首，水压达到巅峰时，泉水喷涌而出，塔楼的形态源自泉水喷涌的动态轮廓，建筑通过两个不断变化的曲面逐渐围合，与波纹状的幕墙相结合，形成简单典雅却又浑然一体的塔楼形体，传递济南“泉城”的美誉。
二、工程概况
项目用地面积约2.2万平方米，容积率（词条“容积率”由行业大百科提供）6.58，总建筑面积约21万平方米，总体规划了两栋塔楼、一座商业裙房和一个地下室。本次幕墙封顶的主塔楼功能为高端办公，建筑面积约9.6万平米，地上52层，高245.7米。
三、BIM参数化设计
通过Rhino和Grasshopper的参数化方式，将原本手动捏形的自由曲面转化为具有严密几何逻辑和标准化的数理模型，在提升标准单元化和经济性的同时，打通了从“方案-土建施工图-幕墙招标图-幕墙施工”的BIM全贯通流程，实现了不同专业、不同软件、不同阶段之间的无缝衔接和高效配合。运用参数化设计的方式深化是本项目的一大亮点。在犀牛(Rhino)建模软件中，运用Grasshopper的编程平台，将原本手动建模的形体进行几何量化，形成参数化模型。原本不规则的、扭动的双曲形体，转化为“圆角方形+凸出斜筋”的组合。圆角方形为4段大圆弧在角部两两分别通过4段小圆弧进行倒角处理，所形成上下粗、中间细的沙漏状柱体。在此基础上，平面（词条“平面”由行业大百科提供）外的两根凸出斜筋，在每一个楼层标高都向该楼层的圆角方形作两根切线，形成带两个凸角的平面,层层平面拉升层高形成上次逐层错动的形体。通过以上参数化几何的模，完成第一步建筑形体的几何有理化。
基于这个形体，对每一层的平面做进一步的幕墙板块划分，斜筋的一侧平面外轮廓，比上一层多一次划分，比下一层少一次划分;另一侧斜平面外轮廓反之;通过这种方式，上下层之间形成幕墙板块单元之间有序的错位肌理。幕墙单元的宽度是模数化的且控制的一定的经济的尺寸范围内，同一层斜筋两侧的幕墙划分单元是等分的，保证两侧各自尺寸相同模数;随着塔楼从上到下平面尺寸的变化，幕墙单元划分尺寸控制在1.4~2.1米宽较为经济的变化范围内，同时保证了甲级写字楼较好的室内视野效果。此外，在设计出图、表达的维度，也通过参数化的方式，自动生成平面板（词条“面板”由行业大百科提供）边及外幕墙轮廓、立面图、结构柱位定位、平面板边定位控制信息表、幕墙单元板块划分编号等成果，大大提升了设计效率，同时和幕墙专项深化之间，形成了有效的数据传递。
四、幕墙设计
幕墙作为建筑外围护结构是建筑立面效果呈现，建筑功能实现的重要载体，也是超高层写字楼“形”与“意”传播的重要媒介。
1、建筑平面几何构成分析
建筑平面采用4条初始半径为R1初=10785mm，4条初始半径R2初=44781mm与两条初始夹角呈154.76°折线段围合成样条曲线段，31层作为初始平面，向上，向下样条曲线分别向外平行扩展101mm，R1、R2分别以31层为初始半径，分别向上、向下等差递增。其中两个直线段形成的夹角，经过数值分析，趋近等差数列。其中因R1、R2半径呈现等差递增变化，其中直线段形成的夹角，在建筑平面上形成规律变化，最后在立面上形成错层收分效果，从而形成立面斜向筋线，成为建筑立面丰富的形体元素。
2、幕墙系统设计
2.1.幕墙立柱设计
该项目2层以上采用单元体系统，2层以下根据建筑斜切造型特点部分采用单元体系统，部分采用杆吊肋幕墙系统。根据建筑平面结合特点，分析31层初始平面，幕墙系统设计采用能适178°-180°的系统A实现，R1采用幕墙系统D实现，因曲率小，R2仍然可以采用A系统实现，直线段与R1连接点，当直线段较长时，其连接节点夹角趋近176°-178°，采用系统B实现，当直线段较短时，其与R1连接点夹角趋近174°-176°，幕墙系统采用C系统实现。
经过数值分析，平面直线段夹角从2F109.6°为初始角度开始增，到31F增加到155.7°，从下2F到30F呈抛物线递增趋势，从31F到57F，夹角由155.6°趋近等差递减变化到110.2°，呈抛物线递减趋势，30F到31F夹角差值0.02，趋近为0,趋近抛物线的顶点(详见：楼层转角夹角变化曲线图)，可见竖向30F顶板（词条“顶板”由行业大百科提供）即为建筑转角夹角变化的临界点(对称轴轴)。通过临近楼层转角夹角差值分析(自下而上，下一层减上一层夹角差值)，2F~30F，转角夹角差值从最小值-2.83趋近到-0.02，31F~57F，转角夹角差值从最小值0.02趋近到3.48，以30层顶板标高作为对称轴，竖向高度趋近“S形”分布(详见图7：临近楼层转角夹角差值图)。
通过数值取整后，仍有29组变化角度，开模仍然需要多套单元体转角模具，模具费用大，不利用成本的节约，针对以上角度变化规律分析，亟待提出一种类似平板合页式的单元体转角转换料，在单元体的室内侧增加任意角度开合的合页轴，内穿不锈钢轴，适应多变角度，单元体两道防水（词条“防水”由行业大百科提供）密封线位置，采用型材飞边与两段共圆心的弧段连接，左右侧采用单元体母料与转角转换公料连接，形成类似门窗（词条“门窗”由行业大百科提供）转换中梃的结构，详见幕墙系统E。通过以上五组系统的组合，建筑平面内实现单元体的闭合。
2.2.幕墙横梁（词条“横梁”由行业大百科提供）设计
根据建筑立面形体几何特点，由于建筑平面以36层为初始平面分别向上、向下进行平行等差递增，这一变化规律，造成建筑立面呈现里出外进的造型，从3层到36层，建筑平面逐层向室内收缩，36层到57层，建筑平面逐层向室外扩张的规律变化。如何实现建筑立面里出外进的错层效果，是对幕墙设计的重大技术考验。幕墙在解决这个技术难题时，借鉴主体结构转换结构的设计理念，采用单元体“几”字形转换料+中横梁+上横公料设计，将传统单元体的上横公料，采用预留两道螺栓槽道的中横梁替代，将转换的“几”字形转换料垂直玻璃方向固定（词条“固定”由行业大百科提供）在中横梁上，再将上横单元体公料固定在“几”字形转换料上，单元体完成“L”形转折，从而实现建筑立面单元体里出外进建筑造型的转换。由于建筑平面上一层与下一层转折点位置呈规律性变化，用于转换的上横梁公料，在一个单元体板块内，采用多线段拼接方式，拼接位置采用采用采用U形防水插芯加密封胶连接，强化单元体防水效果，错层位置层间转换结构，采用铝板加保温棉填充的形式，实现层间的防水、保温。
2.3.空中大堂幕墙支承结构设计
空中大堂位纵跨建筑35、36层，空中大堂两层通高，主体结构未设置幕墙用的层间幕墙支撑结构，主体结构采用直径1.3m钢混组合结构柱，最大柱跨10m,由于建筑平面8段两种不同曲率弧线加折线段围合而成，建筑平面近似圆形，因主体结构未设置层间梁，幕墙需要做柱间跨梁用来悬挂幕墙单元体板块。幕墙作为建筑外围护结构是附着在主体结构上，故后增梁，需要独立在柱子外侧，因建筑立面是圆弧形，层间梁需要采用弧线梁。构造如下：
在1.3m钢混组合结构柱朝向室外侧，设置350X200X20mm预制钢结构牛腿，350X200X20mm箱型梁作为单元体支撑过梁，由于建筑立面呈弧形，需要设置水平向拱梁，由4段折线段形成的立面夹角造型，需要设置折线梁实现，由于柱间跨度较大，外挑弧形梁、折线梁根据在水平向需要承担水平向风荷载（词条“风荷载”由行业大百科提供）、地震荷载，竖直方向需要承担单元体板块的自重荷载，因柱间跨大过大，在跨中L/3，2L/3处设置直径20mm不锈钢承重吊杆，承重吊杆设置在单元体板块公母料中心线位置，通过设置吊杆，可以有效减小后加梁的跨中挠度限值。且有效减小后加梁截面，确保空中大堂通透效果。
2.4.首层大堂幕墙系统设计
写字楼大堂作为面客迎宾的重要公共空间，首层大堂的幕墙系统设计是考验超高层建筑设计的关键指标因素，受苹果店超大版面玻璃的影响，在一些高端项目上，建筑师更加青睐采用全玻璃结构实现首层大堂的建筑外立面封闭，目前超大玻璃加工能力目前仅有北玻可以加工，缺乏竞品单位，且材料单平方造价达到万元以上，全玻璃结构在写字楼大堂上的应用受到一定的限制，通过对全玻璃结构幕墙系统特点的分析，做好写字楼大堂玻璃幕墙需要解决以下问题，要保障建筑室外充分的简洁，尽量少设置或不设置大的装饰线条，室内用于幕墙支撑的结构需要传力路径清晰、杆件纤细、结构布置简单的结构支撑形式，实现大堂幕墙结构的支撑。无疑，单层索网结构是实现上述幕墙支撑的首选结构形式，但T1塔楼大堂平面也继承了标准层建筑平面特点，整体趋近圆形，建筑立面更趋近圆柱体，采用拉索结构实现技术难度大。在T1塔楼大堂幕墙系统支撑结
选型时，优化幕墙支撑结构的传力途径，采用水平向410mm宽35mm厚度的弧形钢板，用于支撑玻璃结构，承担玻璃面板传递过来的风荷载和等效地震荷载，靠近玻璃一层，采用直径27mm的不锈钢拉杆作为承重吊杆，上端吊挂在大堂上层主体结构上，下端与首层结构锚固（词条“锚固”由行业大百科提供），因为保障首层大堂充分的通透效果，层间使用钢板作为梁单元，因钢板在主轴方向有着良好的强度、刚度储备，但在平面外，强度、刚度非常弱，且无保障平面外稳定性的构造措施，因玻璃设置在钢板梁外侧，为抑制钢板梁扭转及平面外失稳，在钢板梁内侧设置直径27mm的不锈钢拉杆作为稳定杆，且对杆件整体施加40KN轴心拉力，通过提前绷紧稳定吊杆，实现水平向钢梁稳定，为玻璃幕墙施工创造条件。
因吊杆属于二力杆，未对该杆件施加预应力，为防止杆件松动，在杆件与首层楼板连接位置设蝶形弹簧，吊杆张紧的时候，促进蝶形弹簧压缩，在主体结构沉降时，首层大堂玻璃幕墙也会跟着主体结构整体沉降，最终会将沉降值累加到首层吊杆，从而易造成最底层吊杆松弛，增加蝶形弹簧，是希望在杆件松弛时，弹簧会伸长，从而将因主体结构沉降造成的轴力损失，转化为弹簧伸长后的弹性恢复力，从而保障杆件一直处于张紧的状态，通过弹簧储能，从而达到杆件轴力动态平衡的目的。
由于该结构系统整体刚度柔，属于大变形结构，结构非线性特征明显，需要对结构进行整体稳定性验算，首先对该结构进行理想结构状态下的特征值屈曲分析，根据《空间网格结构技术规程》，采用结构的一阶模态作为施加结构整体初始缺陷的结构初始形态，对变形后结构施加L/300缺陷值，然后对结构进行整体几何非线性分析，分析结论λ单非=7.0>4.2满足《空间网格结构技术规程》稳定性要求，根据《空间网格结构技术规程》中，关于塑性发展系数的统计值系数，计算得出再考虑材料、几何非线性情况下，λ双非=7.0X0.47=3.3>2.0，结构稳定性满足规范要求。
五、结论
济南历下区CBD商务区A1地块T1塔楼具有建筑设计，采用了仿生设计手法，通过建筑平面“里出外进”，建筑立面斜筋扭转的形体表达，模仿了济南趵突泉泉水喷涌、水面波光粼粼的特点，充分诠释了建筑的“形”是“意”的表达。由于建筑立面造型复杂，该项目在建筑方案设计、建筑幕墙设计时候，采用了参数化设计;在解决幕墙构造问题时候，采用五种类型公母立柱，实现平面内多段线拟合;为了解决建筑平面“里出外进”的建筑形体特点，单元体构造采用“几”字形转换料，实现形体的构造;为适应平面筋线位置，多角度变化，减少幕墙模具，促进成本节约，转角筋线位置，采用合页式组合立柱系统，有效解决一套组合模具解决多角度问题;空中大堂，后加外挑弧形梁，折线梁，为降低跨中挠度，控制截面尺度，采用承重吊杆系统，抑制结构挠度变形;首层大堂为了保障幕墙通透性，采用杆吊肋系统，为了防止首层杆件松弛，增加杆件锚固点蝶形弹簧储能结构，为防止结构失稳，结构分析时，还做了整体结构稳定性分析。综上，通过以上幕墙构造设计及幕墙支撑结构的充分结构分析，有效保障了大楼顺利竣工，建筑高品质效果充分呈现。.
作者单位：1 北京润置商业运营管理有限公司
2 上海熙玛工程顾问有限公司
3 华东建筑设计研究院有限公司
