1. 项目概况
苏州中心广场项目（内环）购物中心及大鸟屋面幕墙项目位于江苏省苏州市苏州工业园区，项目北以苏秀路为界，南以苏惠路为界，西以兴阳街为界，东以兴港街为界。苏州中心广场位于苏州CBD核心区，地铁1号线、6号线贯穿整个项目区域。项目占地面积21.1公顷，净用地面积13.9公顷，总建筑面积约182万平方米，其中地上建筑面积130万平方米，地下建筑面积52万平方米。大鸟屋面幕墙最高点高度55.760米。
整个建筑由A、B、C、J地块及大型鸟型屋面幕墙工程组成，立面效果简洁、鲜明、时代感强，独特的形象与相邻建筑协调呼应，形成鲜明对比。建筑色彩采用明朗色调，利用玻璃、铝板、石材等多种材质的对比，营造清新的建筑形象；
建筑表皮通过形态变化、交错、材质搭配、材质与立面的对比等形式体现建筑特征，采用多种形式的幕墙组合。设计过程中充分考虑与周边环境的协调，注重体现“建筑的尊贵”、“现代格调”以及建筑的科技含量和文化积淀。建筑整体将玻璃的通透性与铝、铝板的质感相结合，虚实相间，形成虚实结合的丰富的建筑表皮。采用新颖、动感的手法，展现建筑外观的韵律美和韵律美，给人以舒适清新的视觉享受。典型立面效果如图1所示。
图1 典型立面效果
苏州中心大鸟屋顶将成为苏州城市的“未来之翼”，它覆盖整个内圈商业裙楼，犹如展翅的凤凰鸟，笼罩着整个内圈商业裙楼的上端。屋顶结构为全球最大的整体自由曲面，屋面薄壳结构跨度达36000m2，也是全球最大的多栋建筑无缝连接天窗。由彩色玻璃和铝合金格栅组成的屋顶，犹如凤凰展翅，展翅翱翔，展现苏州迎接未来、汇聚无线繁荣的愿景。项目呈南北向分布，南连B区、C区，北连A区，位于整个建筑群的中轴线上，西端分布J区（图2、图3）。
图2 典型立面效果
图 3 平面图
2.大鸟型屋面系统主体结构体系分析
1.大鸟型屋顶系统组成
图4 玻璃的三维图像
由玻璃、格栅组成，用不锈钢球铰夹固定（图4、图5）。由于屋面造型复杂，屋面中央位置利用建筑玻璃屋面标高，采用有组织的排水形式，屋面设置不锈钢挡水堰。屋面玻璃采用多种彩釉处理，有的贴彩色膜。玻璃基本配置为10mm半钢化玻璃+2.28PVB+10mm半钢化玻璃。格栅、铝板表面采用氟碳喷涂，颜色多样。边条铝单板3mm，表面氟碳喷涂；铝型材、铝板表面处理（室外）：氟碳喷涂最小厚度不小于40微米，至少三涂二烤，氟含量大于70%，钢结构表面氟碳喷涂。 满足防水、耐腐蚀等屋面系统的耐久性要求。
图5 3D网格图
2、大鸟型屋面幕墙面层材料体系分布图（图6、图7）
不同颜色代表不同幕墙材料的分布。大鸟形屋顶幕墙材料分布图。
图6 系统分布图
图 7
3.大鸟型屋面体系重点与难点
1. BIM系统在本项目中的应用
整个大鸟屋面总面积为35710m2，由10190块不同规格的面板组成。其中，玻璃屋面面积为22561m2，6554块面板，铝百叶面积为13149m2，3636块面板。由于大鸟屋面为异形屋面系统，每块面板位于不同的标高，导致每块面板的四个点不在同一平面系统内，且每块面板的尺寸大小不一。为确保项目独特的建筑造型和建筑设计理念完美实现，采用BIM技术对大鸟屋面幕墙结构系统进行建模分析。
建筑信息模型（BIM）是基于三维数字技术，整合建设项目设计、施工、管理、运营等各项相关信息的工程数据模型，是对项目相关信息的详细表达。利用BIM技术对大鸟屋面三维模型玻璃面板数据链进行分析，进行数据统计，结合钢结构应力、变形计算分析结果，为实体模型的修改提供理论依据。
由于屋面为双曲面，板的四个角并不共面，若采用三点定平面的方法对屋面板进行拟合，可以分析出各板角点偏离原理论位置的大小，即步差，步差的极值及分配比例对于屋面系统节点方案的选择有重要的指导意义。
根据统计数据并结合钢结构应力、变形计算分析结果，在保证建筑外观的基础上，利用玻璃冷弯技术，将玻璃面板做成更多的弧形，实现由平面到平面的平滑过渡（图8）。
图8 模型成型过程
应用BIM技术进行建模，可以分析玻璃板的特性，并按照相邻板之间的差异顺序进行板数统计：0-10、10-20、20-40、40-60、60以上。
由于面板材质不同，其节点结构和对台阶差的吸收能力也不同，因此通过玻璃和百叶的台阶差分析，可以清晰直观地展现不同区域的台阶差分布情况，研究不同区域节点的结构形态。根据对鸟巢钢结构现场测量、放样后得到的关键控制点数据链，对鸟巢屋顶模型的最终BIM建筑模型进行修正。同时利用BIM技术对幕墙面板进行深化设计，设计出全部加工图（图9）。
图9 BIM数据表
对于造型复杂的建筑，当存在大量同体系不同面板时，常规的CAD放样方式速度非常慢且容易出错，效率非常低。但利用BIM建模，对于同体系的类似面板，基于BIM的自动生成可以大大减少设计师的重复性工作，并且可以通过参数从模型中导出不同的数据，包括玻璃面板、型材框架等。这样不仅大大提高了工作效率，也避免了重复操作失误带来的损失。
2.大鸟型屋面系统结构体系选择
通过运用BIM技术对建筑模型进行系统分析，对大鸟屋面BIM建筑模型进行修改，共有三种形式的幕墙施工体系可供选择：热弯单弯玻璃体系、平板玻璃施工体系、冷弯单弯玻璃体系。
第一种：热弯单曲面玻璃系统
该类玻璃幕墙结构体系需要玻璃热弯，玻璃框架及铝合金型材也需进行热弯（图10）。热弯单曲面玻璃系统，包括热弯玻璃加工简化图（见图3.2.2）。大鸟型屋面玻璃板共有6554块，每块玻璃的半径大小不同，见BIM模型导出的数据表（图11）。
图10 热弯玻璃节点
图11 热弯玻璃加工示意图
图12 数据表
第二种：平板玻璃结构体系
平面玻璃结构体系采用平板玻璃实现，为贴合建筑外轮廓，我公司采用三点定位法贴合建筑造型，贴合后的建筑造型有台阶差效果（图13），台阶差分析（图14）可知，将板1、板2的角点A、B、C、D、E、F分别标记为研究点，以板的三点为参考点，确定贴合平面与实际表面的位置关系，平面第四点C'(F')与实际平面角点C(F)之间的距离即为台阶差值；通过对大鸟屋面幕墙的BIM模型分析。
通过BIM分析及模型修改发现，最大步差为140mm，不同颜色的区域代表不同的步差值，不同步差值对应的幕墙系统也不同。
通过BIM得出的台阶差数据如下表所示：BIM模型台阶差数据表（如图3.2.6所示）。对数据表进行分类归类后，利用BIM将模型划分为网格和面板，统计不同台阶差值的面板数量，得到如下汇总表（图16）。
图13 建筑三维模型
图14 建筑物三维台阶差图
图15 数据表
基于以上分析，通过BIM模型对平板玻璃结构系统进行分析，相邻玻璃板的夹角大约在174°~182°之间变化，如节点图所示（图17）。
图 16 摘要表
图17 节点图
第三种：冷弯单曲面玻璃系统
对于该类幕墙系统而言，该类玻璃幕墙结构体系的玻璃采用平板玻璃，玻璃无需经过热弯，玻璃框架也无需经过折弯。
大鸟大厦外墙采用冷弯单曲面玻璃体系，无台阶差，能达到良好的立面效果。
冷弯玻璃幕墙系统是为实现玻璃幕墙曲面效果而采用的一种措施，是由水平龙骨和垂直龙骨组装而成的龙骨框架单元，在本工程中均为菱形面板。龙骨单元板的水平龙骨或垂直龙骨为圆弧形，使龙骨单元板形成近似的空间四边形。将安装在龙骨单元板内的平面半钢化玻璃与龙骨单元板曲面贴合，再用玻璃框将玻璃压紧。为防止半钢化玻璃回弹，在结构中设置不锈钢安全扣板。冷弯玻璃幕墙系统实现了曲面玻璃幕墙平整美观的要求。
玻璃冷弯的原理是利用平板玻璃本身的弹性、可弯曲的特性，使工厂加工好的平板玻璃板在施工现场安装时，人工弯曲安装到位，通过多块平板玻璃板的弯曲、扭转，达到贴合幕墙面的效果。安装好的面板内部，包括玻璃和型材，都存在允许的内应力。在设计过程中，应利用BIM系统对所有面板及连接点进行精确模拟，并将数据系统化，施工时应准确定位所有连接点，使玻璃板冷弯压合。
3.结构位移幕墙适应钢结构变形分析与选择
Ansys计算软件对主体钢结构变形进行极限校核，经计算，钢结构最大变形处在整个模型的中心轴线处，最大变形量为336.249mm（图18）。钢结构位移对结构胶拉伸的影响将直接影响屋面系统的安全及其防水安全。
分析钢结构位移对结构胶压缩的影响后发现，受主钢结构角位移、弧位移及温度等综合影响，幕墙系统密封胶胶缝宽度需承受最大拉伸13.21mm、最大压缩10.61mm，密封胶的位移极限为-50%~100%，原胶缝宽度为50mm，满足结构胶位移要求（图19）。
图18 结构位移图1
图19 结构位移图2
图20 节点位移图
对三种结构体系进行分析对比后，分别对三种结构体系进行有限元分析，并通过玻璃面板极限实验、区域目视样品试验，结合国内外类似案例经验，确定屋面玻璃台阶差小于60mm的玻璃面板采用冷弯技术，玻璃占比为88%，大于60mm的玻璃面板采用热弯技术，玻璃占比为12%。
4、屋顶玻璃幕墙标准结构体系
大鸟屋面结构玻璃幕墙采用全隐框结构体系，玻璃面板采用10HS+2.28PVB+10HS夹胶半钢化玻璃。在四块相邻玻璃面板交接处安装有不锈钢球铰压板，并通过不锈钢螺栓与幕墙支撑钢龙骨连接，避免隐框玻璃结构胶长期受拉，确保结构体系的安全性。玻璃胶缝宽50mm，采用硅酮密封胶密封，确保屋面结构在位移条件下的受力安全性和防水可靠性。
图21
5、曲面屋面玻璃冷弯的理论基础及技术措施
薄板脆性玻璃材料采用冷弯技术，不仅需要对整体结构受力分析、玻璃边缘强度、应力等进行全面细致的分析，还需对玻璃材料、加工工艺、材料检测、安装工艺等进行详细的研究论证，并通过理论计算、实验验证、实施标准等进行全方位的安全管控，确保该技术得以实施且运行过程中安全可靠。
第一部分：冷弯玻璃冷弯理论研究
通过运用BIM模型分析，大鸟屋面玻璃面层呈双曲面造型，每片玻璃均有不同程度的翘曲。整个大鸟屋面共有6815片（21912平方米），玻璃翘曲范围在0~141mm之间。根据设计，面层材料为10mm+2.28PVB+10mm夹胶半钢化玻璃，尺寸网格约为Ba*Bb=2400*1750，大小不一。
图 22
根据冷弯玻璃的理论计算原理和玻璃系统结构的设计要求，在玻璃的四条边缘处各布置两个夹具，夹具在玻璃边线上的位置按设计的间距布置。
采用Ansys计算软件对玻璃翘曲承载力进行极限校核（图23）。半钢化玻璃强度依据《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ102-2003的要求（图24），半钢化玻璃冷弯边缘强度控制在22MP。整体建模后对每片玻璃进行荷载组合计算（图25）。通过对鸟巢顶棚全部6815片玻璃（面积21912㎡）进行冷弯计算，计算结果显示钢结构 氟碳喷涂，符合要求的玻璃板数为6037片（面积19046㎡，占比89%），不符合要求的玻璃板数为778片（面积2866㎡，占比11%）。 其中，符合要求的6037玻璃板中面翘曲台阶差范围覆盖0-140mm（图26）。
图23
图24
为确保工程安全可靠使用，对计算不合格的778块玻璃全部采用热弯工艺进行折弯，达到玻璃弧形效果。
对于满足计算要求的玻璃，由于玻璃板平面翘曲台阶差覆盖0-140mm范围，考虑到目前国内外冷弯技术实施案例、使用安全要求及效益最大化原则，经过安全性、经济性价比综合分析后（如图3.5.4所示），确定采用大鸟顶冷弯玻璃。对于满足计算要求，但平面翘曲值大于60mm的玻璃板，采用热弯技术实现曲面造型。
本项目最终应用到玻璃冷弯的原则是：凡平面翘曲值大于60mm的玻璃及翘曲值小于60mm但计算不能满足要求的玻璃板均采用热弯技术，其余玻璃全部为冷弯技术（占80%）。
图25
图26 玻璃强度设计值表
第2部分：冷弯玻璃边缘加工要求及玻璃应力检测
所有玻璃均采用优质原片加工而成，玻璃四边需经过机械磨边，砂轮目数不小于200目。
在安装过程中，对冷弯玻璃进行应力测试，确保安装过程符合玻璃安全要求。对安装好的玻璃应进行应力测试（图27），确保玻璃应力在安全使用范围内。
第三部分：实验样本验证
为了更好地验证冷弯技术理论，本项目进行了大量的实验，在工厂实验室对多组不同规格的玻璃进行了冷弯模拟实验，实验结果证明样品实验达到了理论结果的要求（图28）。
图27 玻璃应力检测
图28 玻璃厂冷弯试验
根据大鸟屋面建筑BIM模型分析数据，在翘曲值30-120mm范围内选取样品，严格按照冷弯工艺及安装要求制作实物样品（如图3.5.8所示），样品制作完成后经过一年全天候测试，玻璃样品未出现破碎、爆炸现象。
a.冷弯玻璃现场安装过程 b.现场测试样品
4.大鸟型屋面排水设计要点
大鸟屋面总面积35710平方米，其中玻璃屋面面积22561平方米，铝百叶面积13149平方米。由于大鸟屋面为异形屋面系统，屋面标高呈丘陵状排列，标高从56米到46米不规则变化。在屋面防水设计过程中，按照《建筑给水排水设计规范》和《室外排水设计规范》进行设计。屋面排水采用有组织的内排水系统，屋面最大排水坡度为24%，最小排水坡度为3%。雨水根据排水路径通过屋面设置的300mm不锈钢高位挡水堰有组织地排出。 雨水经挡水堰（图32、图33）拦蓄后，排入深500mm、宽1000mm的截水沟（图34），收集于2000×1500×1000（高）mm集水池内。最后通过虹吸雨水系统排出，与集水池连接的雨水管沿钢结构V型支架设置。大鸟屋面采用虹吸排水系统，设计重现期50年。
大鸟屋面整体排水路线布置（如图4.1.1、图4.1.2所示）。红色箭头表示屋面排水路线，红色锯齿线为屋面300mm高挡水板（如图4.1.3、图4.1.4所示），蓝色线为屋面集水沟及集水井。300mm高挡水堰从标高45.8米处向标高45.2米处斜向布置，形成有组织的挡水围堰。
图 30 屋面排水总体布局
图31 屋面整体排水路径详图
大鸟屋顶的檐口设计采用弧形铝合金单板组成（如图4.1.5所示），弧形铝板沿建筑边缘呈流线型排列，形成完美的建筑曲线。
图33 截水沟节点
图34 屋面铝板边缘节点
5.鸟瞰楼顶玻璃幕墙施工设计要点
1. 大鸟形屋顶的测量与布置
由于鸟形屋面为半壳体钢结构体系（图35），为整体连贯流线型双曲面，施工现场情况复杂，整个屋面共有14.4万个测量数据，1万多个异形网格，大小不一的玻璃板6947块，钢结构施工偏差及自身的柔性变形对幕墙安全影响极大。
如何保证钢结构的精准定位至关重要。本项目采用全BIM技术对屋面系统进行建模，利用BIM模型对大鸟型屋面钢结构进行测量放样，并将测量数据反馈到BIM模型中进行实时验证。大鸟型屋面的现场测量放样是基于最终的BIM模型进行的，测量时将所有控制点从BIM模型中调出，同时将测量数据直接输入BIM模型进行验证分析，整个过程通过BIM模型进行数字化控制和管理，确保本项目测量定位质量。
图35 屋面钢结构测量及布置
2.大鸟型屋顶隔墙对称施工设计要求
由于大鸟型屋面造型新颖，其幕墙面积达35800余平方米，建筑面积庞大，实际施工过程中不可能一次性完成施工。施工过程中，根据大鸟型屋面造型及其钢结构隔断，将项目划分为两个大施工区域，同时细分为十个小施工区域钢结构 氟碳喷涂，十个子区域分别为1区、2区、3A区、3B区、4A区、4B区、
5A区、5B区、6区、7区（图36）；施工过程中进行对称分区施工，保证屋面钢结构均衡受力。
图36 屋顶施工区域分布图
3.大鸟型屋面幕墙安装设计要点
大鸟型屋顶的安装主要分为两个阶段：第一阶段为T型件、龙骨等支撑结构阶段（图37）；第二阶段为玻璃板、铝合金格栅的安装、注胶阶段（如图38、39所示）。
图37 屋面铝龙骨示意图
图38 屋面钢龙骨示意图
转接器安装到整体网架找正后，根据施工图及测得的支撑定位点，将加工好的钢转接器焊接到网架上，并根据水平网架线进行调整，调整完毕后即可满焊固定。
龙骨体系施工安装时，根据钢梁上的中心线确定龙骨的中心位置，根据相邻两交叉点的标高数据确定龙骨的高度。施工时用水平仪检查施工，确保龙骨施工的准确性。调整好龙骨位置后，将龙骨固定。
由于本项目鸟型屋面为曲面，实际安装过程中玻璃板不会水平，玻璃格栅间存在高低差，需要通过冷弯工艺进行现场安装调整。现场采用不锈钢矩形球铰玻璃夹通过加长螺栓对玻璃板加压，将玻璃板压至安装位置，用玻璃压块将玻璃板固定，玻璃板固定后拆除不锈钢矩形球铰玻璃夹进行安装。
图39 顶棚玻璃安装节点
安装过程中，玻璃在同一平面上的平整度应控制在3mm以内，填缝宽度误差应控制在2mm以内。玻璃板安装调整好后，玻璃幕墙四周缝隙进行衔接，内外表面用密封胶密封，确保接缝严密、不漏气。此道工序是防止雨水渗漏和空气渗透的关键工序。
图40 大鸟型屋顶施工过程照片
五、结论
由于该项目是世界上最大的单层薄壳天窗和苏州的地标建筑，因此在建筑形式和结构形式方面，它都是前所未有的，并且在设计，处理，处理，上场构造中遇到了前所未有的技术困难。
创新的窗帘技术为实现现代地标建筑的设计理想的基础是连续探索和实践的精神。当问题不再存在时，弯曲的窗帘墙，双曲线窗帘墙和复杂的窗帘墙系统的结构将被颠覆和解决。
随着这座世界独特的天窗建设的成功完成，这座举世闻名的建筑还将在世界窗帘墙的历史上创造一个新的奇迹。
