建谈我筑国幕的墙技时术的尚发展装点

2012-08-26中国建筑科学研究院赵西安

中国建筑金属结构 2012年2期

关键词：索网玻璃幕墙大厦

中国建筑科学研究院赵西安

上一个世纪九十年代，我国全面改革开放，城市建设迅猛发展，办公楼、酒店、大型公共建筑大量兴建，给幕墙行业带来了空前广阔的机遇，幕墙工程进入高速发展的新十年。

一、我国幕墙发展辉煌的三十年

1. 诞生和成长的第一个十年（1981～1991）

幕墙最初出现在美国，1931年就建成了381米高的摩天大楼—纽约帝国大厦，采用了石材幕墙。1951年纽约利华大厦首次向人们展示了一座全新的玻璃方盒子，这座由玻璃和金属组成的玻璃幕墙建筑宣告现代主义建筑时代的开始。

30年之后，作为现代主义建筑代表元素的玻璃幕墙终于出现在东方地平线。1981年，广州广交会展馆的正面出现了一片令人惊奇的玻璃外墙，当时人们还不知道“幕墙”这个称呼，但它已经具有玻璃面板和金属支承框架这两大特征，也许可以作为我国幕墙时代开始的标志（图1）。

图1 广交会展馆—第一片玻璃幕墙

图2 北京长城饭店—第一座玻璃幕墙建筑

图3 深圳国际贸易中心1985

图4 深圳发展中心1988

图5 北京国贸中心1988

真正具有代表性的幕墙工程是1984年建成的北京长城饭店，这座银光闪闪的划时代建筑让看惯了无光泽材料实墙面建筑的人们眼前一亮，了解了什么是现代主义的建筑（图2）。不过由于是第一步，这座单元式中空玻璃明框幕墙的板块是在比利时制作的，国内负责安装。通过这个工程的实践，我们第一次接触到幕墙的设计施工技术。

幕墙一旦出现，就迅速在国内各大工程中得到应用，其发展之迅猛超出了人们的想象。1988～1991年间，采用玻璃和铝板幕墙的高层建筑如同雨后春笋在各地出现（图3～图8）。

其中，深圳国际贸易中心是国内第一个超过50层、超160米的工程，首次采用了茶色玻璃和铝板。

北京国贸中心则全部为茶色中空玻璃明框幕墙。1988年建成的深圳发展中心是国内第一个隐框玻璃幕墙。

2．波澜壮阔的第二个十年（1991～2001）

图6 广东国际大厦208米，1990

图7 北京京广大厦210米，1990

图8 上海国贸中心139米，1991

图9 广州市长大厦金色反射玻璃

图10 深圳地王大厦325米，1995

图11 广州中信大厦322米，1996

新的玻璃面料使幕墙更加多姿多彩（图9），玻璃幕墙在1995年突破了300米的高度（图10、图 11）。

1995年第一个点支幕墙工程—多大型公共建筑的玻璃幕墙应用打开了技术之门（图12～图15）。

1997年，深圳新时代广场建成，石材幕墙达到了175米的空前高度（图16）。而上海的东方明珠电视塔则将双曲铝板和玻璃板幕墙应用于超高特种构筑物（图17）。1998年上海金茂大厦将玻璃幕墙的高度提升至420米（图18）。

3．技术水平迅速提高的第三个十年（2001～2011）

第三个十年，幕墙年生产量已超过5000万平方米，而且逐年增长的势头正旺，占世界幕墙年产量80%以上，成为世界幕墙生产大国。

更重要的是，在第二个十年大量工程实践经验积累的基础上，第三个十年我国幕墙技术水平有了质的飞跃，不仅保持幕墙大国的地位，更向幕墙强国迈进。

近十年幕墙技术水平提高主要表现在：

（1）幕墙做法新颖特别：许多工程采用不规则分块幕墙、非光滑表面幕墙、大曲率双弯板材、特殊外饰和遮阳板、复杂表面形状和新奇构思的幕墙等。

图12 康佳展览馆钢桁架点支玻璃幕墙

图13 南宁国际会展中心，采用了大面积明框幕墙和张拉膜采光顶

图14 北京天文馆大量双弯中空夹胶点支承玻璃

图15 深圳机场航站楼六点支承钢化玻璃

（2）新型材料的应用：特种玻璃、不锈钢和钛铜锌等非铝金属板、砂岩洞石等非花岗岩石板、陶板、PVC板和ETFE膜材已在工程中大量应用。

（3）柔性和刚柔结合的支承结构系统应用：张拉索杆结构支承和索网支承幕墙广泛采用。

（4）双层通风幕墙。

（5）光伏幕墙和光伏—视频幕墙。

（6）幕墙的研究工作广泛开展。

（7）高精尖幕墙的设计与施工，超高和超大规模幕墙建造技术提高。

（8）承接海外工程的能力大大增强。

下面将介绍三十年来，特别是第三个十年中我国幕墙技术的进步。

二、幕墙的新表现形式

1．非常规划分板块的幕墙

大多数幕墙采用四边形板块，

图16 深圳新时代广场花岗岩幕墙175米

图17 上海东方明珠430米

图18 上海金茂大厦420米

图19 广州塔双曲抛物面塔身第108层

图20 上海航务局办公楼

图21 成都博物馆墙面三角形划分

图22 上海逸仙大厦蜂窝形划分

图23 深圳湾体育中心变异菱形划分

图24 深圳华侨城美术馆六边形分格

图25 上海自然博物馆细胞组织形玻璃幕墙

图22～图25为采用各种不同类型板块的一些工程近年来幕墙形状日趋复杂，采用三角形板块更能适应复杂的曲面（图19～图21）。

2. 非光滑表面的幕墙

幕墙的板块是立体的盒子或者簸箕，形成凹凸进出的立体墙面，得到特殊的艺术效果（图26～图30）。

当幕墙为复杂的双曲面时，采用立体板块单元能方便调节，容易拟合预定的曲面。北京凤凰传媒中心为轮胎形墙面，由簸箕型玻璃板块拼合而成（图31）。

3. 形式多样的新颖遮阳装置

图26 深圳新世界中心点支玻璃盒子，钢爪有7个支承头

图27 北京第一商城，铝板和玻璃的立体盒子

图28 广东图书馆凹凸花岗岩幕墙和幕墙的细部

图29 南京紫峰大厦，450米立体玻璃簸箕组成阶梯形墙面

图30 深圳机场三号航站楼25万平米（左）采用菠萝皮形的立体铝板，空档是玻璃板（右）

图31 北京凤凰传媒中心轮胎形玻璃幕墙（左）和簸箕形玻璃板块布置（右）

图32 杭州某会所夹胶玻璃圆盘点支幕墙

图33 青岛某银行波浪形幕墙

图34 天津中钢大厦立体蜂窝形外墙

新型遮阳板也是组成幕墙新颖手法的一部分。图35～图37是几个典型的实例。

图32是杭州某会所的圆盘玻璃板点支幕墙，采用蓝色夹胶玻璃。还有许多幕墙采用了更为时尚的新颖作法（图33、图34）。

三、新型材料的应用

1．各种新型玻璃

超大尺寸玻璃

图35 深圳波浪形不锈钢管遮阳装置

图36 北京百度总部大波浪遮阳

图37 成都西部金融，10mm铝板冲孔

图38 苏州文化中心，三层不同图案铝板叠加

目前国外生产的热弯钢化夹胶玻璃的最大长度为6米。2010年我国已经生产了12.6米X2.6米的热弯钢化三夹胶超大规模的玻璃，用于上海苹果专卖店，每块超大玻璃的售价达RMB100万元（图39）。2011年已经生产15.0米X3.6米的三块12毫米夹胶玻璃（图41、图42）。不久，长度达18米的产品将供货。

离子性和反射型中间膜新型夹胶玻璃

图39 上海苹果店，圆形玻璃墙12片12.6mX2.6m超大热弯三夹胶

现在大多数幕墙用夹胶玻璃采用PVB中间膜，这种中间膜剪切模量G 较低，而且随温度升高而急剧降低，所以在进行夹胶玻璃承载力设计时不考虑其整体作用，按两片单片玻璃计算。而离子性中间膜（商品名称SGP）剪切模量G比PVB 高得多，对温度敏感度较低，可以考虑夹胶玻璃的部分整体作用，因而可以提高夹胶玻璃的承载力，满足大风力下大尺寸玻璃的受力要求。上海苹果店玻璃的尺寸达12.6米；广州塔玻璃幕墙高度达460米，它们的夹胶玻璃都采用了SGP 中间膜（图42、图 43）。

图40 13.8mX2.85m超大夹胶热弯钢化玻璃，厚度12mm，三片

图41 15.0mX3.65mx19mm超大超白玻璃原片

图42 上海苹果店（左）和SGP五夹胶玻璃（右）

图43 广州塔（左）和SGP 双夹胶中空玻璃（右）

我国海南、广东南部和广西南部等夏热冬暖地区，冬季不取暖而无保温要求；夏季以防太阳辐射为主。采用反射型中间膜（商品名称XIR）的夹胶玻璃即可满足节能要求，无须做成夹胶中空玻璃。单夹胶与夹胶中空相比可节省玻璃30%～50%，而且自重减轻后使支承结构用材相应也减少，节材也就是节能和减排。深圳证券交易中心的采光顶和大运会体育馆的玻璃幕墙都用XIR单夹胶玻璃代替了原设计的夹胶中空玻璃（图44、图 45）。

真空玻璃

与中空玻璃不同，真空玻璃中间层只有2mm厚，抽成真空。其保温隔热性能可以满足要求。北京天恒大厦采用了8000平方米的真空玻璃，这也是目前世界上最大的真空玻璃幕墙工程（图46）。

2. 各种金属板

图44 深圳证交所采光顶XIR夹胶玻璃

图45 深圳大运会体育馆XIR 夹胶玻璃幕墙

图46 北京天恒大厦真空玻璃幕墙

图47 电视文化中心钛锌板幕墙

图48 北京新保利大厦红铜板幕墙

图49 北京首都博物馆仿古青铜板幕墙

图50 中国科技馆不锈钢圆球

图51 国家大剧院钛复合板幕墙

金属幕墙常规采用铝板。现在，根据建筑设计的各种要求，不锈钢板、铜板、钛板和钛锌板已在多个大型工程中采用（图47～图51）。

3. 陶板

陶板风格古朴，防火、耐久和容易维护。尺寸通常宽150mm～300mm，长450mm～900mm，厚15mm～30mm ，开有纵向通孔。通过背槽、挂件连接到横梁。板边有企口，开缝不打胶（图52）。目前已经在许多工程应用（图53）。

4．非花岗岩石板

花岗岩石板幕墙已广泛应用，目前最高的花岗岩幕墙为广州广晟大厦，建筑高度330米，石材幕墙高280米（图55）。

近年来，砂岩、大理石、洞石等强度较低的非花岗岩石材普遍应用于公共建筑和高层建筑的幕墙。

非花岗岩石材要求表面防水处理，背面加贴玻璃布，并宜采用背部连接（图56～图59）。

四、新的幕墙系统

1．索网点支玻璃幕墙

图52 中国建研院办公楼陶板幕墙在施工

图53 北京饭店新楼采用陶板幕墙

图54 清华大学校史馆陶板幕墙，钻石形墙面（左）和水平线墙面（右）

图55 最高的花岗岩幕墙—广州广晟大厦，280米

图56 最高的石灰岩幕墙—青岛财富大厦，240米

图57 最高的洞石幕墙—天津地铁大厦，175米

图58 最高的砂岩幕墙—广东发展中心，150米

图59 最大面积的红砂岩公共建筑— 广州白云国际会议中心，红砂岩幕墙及屋面 60000平方米

图60 哈尔滨会展中心，竖向单索

图61 北京新保利大厦，三棱面索网

图63 上海中国航海博物馆，船帆高78米（左），马鞍形索网高54米（右）

图62 90mX70m超大索网内观

图64 马鞍形索网采光顶屋面

索网结构通常是双向布置张拉钢索。当跨度不超过15米时，幕墙也可以沿竖向单向布索，采光顶可以沿短向布索。索网是技术含量较高的结构系统，其设计涉及大挠度下的非线性结构分析，而且要考虑温度和初拉力的影响；其施工则要考虑预拉力的合理张拉分级和顺序，复杂程度较高。国内最早的拉索幕墙是哈尔滨国际会展中心（图60）。目前最大的单张索网是北京新保利大厦，90米X70米，三棱面（图61、图62）。上海中国航海博物馆采用了两张54米高的马鞍形索网（图63），张拉在高度为78米的钢骨混凝土“船帆”上。马鞍形索网还用于采光顶屋面（图 64）。

图65 鄂尔多斯90米竖索

图66 昆明机场屋盖用金色“飘带”支承，索网穿过“飘带”中间。

图67 深圳北站总面积超过20000平方米的索网幕墙

图68 防止地震时被拉断，钢索设置弹簧保险装置

最近，超大规模的索网在大型公共建筑广泛使用，其规模和技术难度在世界上都是前所未有的。图65为鄂尔多斯赛马场的超大单向索幕墙，高度达90米。昆明新机场索网幕墙面积达20000平方米，更困难的是钢索都必须从弯曲的钢“飘带”的中间穿过（图66）。京深港高铁深圳北站的索网幕墙总面积也超过了20000平方米，为此还进行了整片实大幕墙的施工模拟试验（图67）。

北京是抗震8度设防地区，国家网管中心和土城移动电话局都在两座独立的建筑之间布置索网，地震时两座建筑的相对位移将会拉断钢索，为此开发、安装了世界首个水平索端部弹簧保险装置（图68）。

2．双层通风幕墙

双层通风幕墙由外幕墙、内幕墙或门窗以及它们之间的热通道构成。用自然通风或机械通风在热通道形成稳定的气流，改善室内环境，有时还可以降低取暖和空调的能耗。我国最早的双层通风幕墙是北京会计师培训中心（图69）。此后各地陆续建造了许多工程，同时也在探索这项新技术的合理应用途径（图69～图74）。

图70 热通道：北京旺座大厦

图71 热通道：武汉精纶办公楼

图72 深圳电视中心，透镜形点支式双层通风幕墙（左）和热通道（右）

图73 热通道：南京人寿保险公司

五、光伏幕墙和光伏屋面

现在新的理念是：幕墙不仅要节能，而且要产能。这就是所谓“能量平方”的概念。光伏幕墙利用光伏电池将太阳的光能转变为电能，这是一种清洁能源，特别是日本福岛核电站发生事故后，我国发展光伏能源的势头更猛。

六、幕墙技术的研究工作

1．幕墙设计方法的研究

玻璃面板的设计方法

近年来，对玻璃面板的受力性能作了许多工作，主要是点支承面板支承点周边应力分布的研究、玻璃板大挠度状态下的性能和设计中对几何非线性的考虑方法等。

夹层玻璃的设计方法引起很大的关注，常规设计方法是不考虑中间层的作用，将夹层玻璃按两片玻璃叠加计算。由于离子性中间膜SGP的应用，中间层对整体受力的贡献已经不能忽略，考虑中间层作用的设计方法已经进行了许多工作，并将在规范修订时予以考虑。

支承结构设计方法的研究

索网体系的结构设计计算是研究的重点方向。柔索的工作特点是大挠度、几何非线性。而且除了常规的重力荷载、风荷载以及地震作用外，索网还要考虑预拉力和温度作用，预拉力要能确保钢索在高温下不松弛，在低温下不拉断，这都需要总结工程经验，要进行理论分析。现在已经形成了一套较完善的索网设计方法。

图74 江西新余，500kW 光伏屋面

图75 上海世博会中国馆，3000平方米光伏物面

图76 世博会主题馆，30000平方米光伏板

双层幕墙的应用对结构设计提出了新的问题，内外幕墙结构的共同工作问题已经开始做工作，内幕墙支承结构风荷载取值问题已经提到议事日程。

幕墙节能和热工计算

由于幕墙节能设计是一票否决的大事，这几年各种形式幕墙的节能和热工计算成为集中研究的课题。目前多个版本的计算软件都在工程中应用。

图79 浙江建研院薄膜电池墙面

图78 薄膜电池光伏幕墙办公楼

图77 汕头金刚公司关伏屋顶

图80 保定电谷酒店，窗口光伏元件

图81 SGP高性能夹胶玻璃性能试验

图82 CCTV大楼防爆玻璃试验

图83 18米X24米大型试验箱（左）和CCTV玻璃幕墙分区的四性试验（右）

图84 深圳北站索网幕墙区段样板

热通道气流状况和热工性能的研究

双层通风幕墙虽然已经在工程中应用，但是对热量在其中的传递过程和热通道空间的气流状况还是不够了解的。利用计算软件，进行数值模拟是当前最主要的研究手段。

2．新型材料性能试验

近年来进行了许多新材料的性能试验，为三新（新材料、新技术、新工艺）核准提供技术依据，为新材料在工程中实际应用创造条件（图81～图82）。

3．大型工程的性能试验

常规四性试验已经普遍在幕墙工程中采用。对于一些大型工程还进行了专门的试验研究工作。

中央电视台工程项目技术复杂，难度很大，为此专门建造了18米X24米的超大试验箱，18米高的幕墙菱形区域整体进行多项测试（图83）。深圳北站有20000平方米的索网幕墙，设计施工难度较大，为此专门建造了实大样板，进行设计校核和施工过程的研究（图84）。

4．幕墙振动台试验

振动台试验是研究幕墙抗震性能最直观、最真实的试验方法。我国最大的振动台台面已经达到6米X 6米，载重60吨。进行过很多幕墙的振动台试验，其中包括幕墙的形式实验和对特定工程项目的幕墙试验（图85～图87）。

图85 铝板和石材幕墙试验

图 86 陶板幕墙试验

图87 CCTV大楼玻璃幕墙试验

七、幕墙标准规范

我国在九十年代初着手进行我国建筑幕墙标准规范的编制工作。在总结我国幕墙工程经验和科学研究成果的基础上，先后颁布施行《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ 102-96和《金属与石材幕墙工程技术规范》JGJ 133-2001，大大提高了我国幕墙工程的设计施工水平。2003年，修订后的《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ 102-2003颁布施行，JGJ 133规范的修订工作也在进行中。2008年汶川大地震和2010年玉树大地震的震害调查表明：我国的幕墙规范经受了地震的考验，按照规范进行设计施工的幕墙工程，达到了设防烈度下保持完好或基本完好的要求，甚至在超烈度的强震下，也还能保持完整（图88～图92）。