建筑創(chuàng)作中玻璃幕墻的應用研究

孟 欣

(現(xiàn)代設(shè)計集團華東建筑設(shè)計研究院有限公司，上海 200002)

2012年2月1日上海市正式出臺《上海市建筑玻璃幕墻管理辦法》，該管理辦法對上海市建筑玻璃幕墻的使用提出了各項具體要求，其產(chǎn)生的背景在于“為加強對本市建筑玻璃幕墻建設(shè)和使用的管理、保障社會公共安全和公民人身財產(chǎn)安全，促進環(huán)境保護和建筑節(jié)能，提供規(guī)章依據(jù)?！睂τ诖斯芾磙k法社會各界人士產(chǎn)生了各自不同的看法，有鑒于此，本文試圖從建筑設(shè)計角度對玻璃幕墻的各項要點進行簡述，以供建筑設(shè)計人員理解建筑玻璃幕墻的特性和更加科學、合理地使用建筑玻璃幕墻。

1 玻璃幕墻概述

1.1 玻璃幕墻的歷史概述

據(jù)記載玻璃最早起源于兩河流域和埃及。1687年，法國人發(fā)明了澆筑玻璃法，這種辦法使玻璃面積變大，并且大大節(jié)省了人力，提高了質(zhì)量，也降低了造價。進入19世紀，工業(yè)革命改變了世界，鐵和玻璃改變了傳統(tǒng)建筑的樣貌。1851年P(guān)axton的水晶宮設(shè)計方案從競賽中脫穎而出預示著新時代建筑表皮設(shè)計的新方向。其后玻璃幕墻迅速發(fā)展，密斯的西格拉姆大廈及SOM的利華大廈使玻璃幕墻在世界各地迅速被大量復制[1]。

1.2 玻璃幕墻在中國

我國從1983年前后開始使用大型建筑玻璃幕墻，北京的長城飯店和上海的聯(lián)誼大廈首開大廈玻璃幕墻的先河(見圖1)。1983年～1996年中國大陸建筑幕墻平均年產(chǎn)量約800萬m2，1997年以后平均年產(chǎn)量約2000萬m2，到21世紀初，我國已發(fā)展成世界第一幕墻生產(chǎn)大國和使用大國。

1.3 玻璃幕墻與建筑創(chuàng)作

現(xiàn)代建筑大師賴特這樣評價玻璃:“這種我們使用的超級材料玻璃就是一項神跡:空氣中的空氣，既能導入又能隔絕空氣。光中的光，漫射、反射、折射自身”[2]。玻璃幕墻由于其有效地減輕了主體結(jié)構(gòu)的荷載，新穎、通透的外觀，超強的可塑性，使其成為現(xiàn)代建筑創(chuàng)作中舉足輕重的新型材料。

2 玻璃幕墻在建筑創(chuàng)作中的幾個要點

2.1 節(jié)能

近幾年我國建筑業(yè)發(fā)展迅猛，建筑能耗已接近社會總能耗的1/3。在上海市浦東新區(qū)陸家嘴地區(qū)約1.7 km2的區(qū)域里，集中了大約100多萬平方米的玻璃辦公樓。這些辦公樓僅空調(diào)用電負荷一項就已經(jīng)占到了整個浦東新區(qū)總用電負荷的1/10，而其面積僅為整個新區(qū)的0.33%(見圖2)[3]。按照規(guī)劃，“十二五”期間，上海市節(jié)能將確保18%，到2015年年末本市民用建筑總能耗相比2010年的凈增量力爭控制在800萬t標煤以下。要實現(xiàn)這一目標，包括玻璃幕墻在內(nèi)的建筑節(jié)能設(shè)計就顯得尤為重要了。

2.1.1 玻璃的節(jié)能要求

玻璃的熱工性能是通過兩個參數(shù)來表征的:傳熱系數(shù)和遮陽系數(shù)。通過表1可以看出，建筑外幕墻采用中空玻璃是毋庸置疑的，即使是6+12A+6的中空玻璃，其隔熱能力也不亞于100mm厚的混凝土墻，而低輻射玻璃乃至充惰性氣體的中空玻璃對玻璃幕墻的保溫性能會有更明顯的提高。根據(jù)GB50189-2005公共建筑節(jié)能設(shè)計標準規(guī)定，普通中空玻璃的遮陽系數(shù)和傳熱系數(shù)都不能滿足規(guī)范要求，只有采用Low-E中空玻璃才能滿足。因此，從節(jié)能角度考慮，Low-E中空玻璃是建筑幕墻目前階段的最佳選擇。當然，建筑設(shè)計中還要具體考慮建筑物的地理方位、朝向、使用功能等來對玻璃的遮陽系數(shù)進行選擇。此外，通過暖邊系統(tǒng)等構(gòu)造做法也可以進一步提高其隔熱性能。

表1 典型玻璃系統(tǒng)的光學熱工參數(shù)

2.1.2 框料型材的節(jié)能要求

早期的玻璃幕墻框料主要采用無斷熱鋁型材(基本傳熱系數(shù)k=6.66)，目前建筑項目基本采用鋁和塑料復合的斷熱型材。鋁塑復合斷熱型材基本傳熱系數(shù)k均不大于4.0[4]，能夠很好地滿足節(jié)能保溫的要求，其整體強度和剛度也能夠滿足使用要求。

2.2 安全性

隨著國內(nèi)早期建設(shè)的玻璃幕墻建筑逐漸老化，玻璃幕墻墜落傷人案一再發(fā)生，其安全性也引起了政府相關(guān)部門和社會的廣泛關(guān)注，似乎一夜之間玻璃幕墻成為了吃人的魔鬼。事實上，通過對玻璃幕墻的深入了解可知這類事件還是可控可防的。

2.2.1 來自玻璃的原因

由于雜質(zhì)硫化鎳與熱應力共同作用是幕墻玻璃產(chǎn)生自爆的主要原因。硫化鎳是玻璃生產(chǎn)過程中不可避免的有害雜質(zhì)，當外界溫度升高，硫化鎳體積會產(chǎn)生微小的變化在玻璃內(nèi)部產(chǎn)生微小的裂縫，這些裂縫通過鋼化玻璃的張力層后將內(nèi)部的能量釋放出來，造成玻璃破碎。應該說自爆是鋼化玻璃的固有特性，無可避免。因此，在設(shè)計建筑玻璃幕墻時應該根據(jù)實際情況合理地選用“安全玻璃”，底層可以采用鋼化中空玻璃，上部則采用夾膠中空玻璃或半鋼化夾膠中空玻璃，即外層夾膠內(nèi)層鋼化，在計算通過的前提下應優(yōu)先選用夾膠玻璃。

2.2.2 來自幕墻玻璃結(jié)構(gòu)膠的原因

現(xiàn)在用于玻璃幕墻的結(jié)構(gòu)膠主要是硅酮密封膠。1987年后的10年間，我國結(jié)構(gòu)膠全部依賴進口。1997年我國開始對結(jié)構(gòu)膠實行市場準入管理制度，2004年國產(chǎn)化率達到90%。20多年以來，結(jié)構(gòu)膠市場也出現(xiàn)了保質(zhì)期較短、質(zhì)量參差不齊等問題。因此，對于完全依靠結(jié)構(gòu)膠的隱框玻璃幕墻項目，應借鑒日本經(jīng)驗加設(shè)裙房。其他新建項目應盡量采用明框、半隱框玻璃幕墻，這類結(jié)構(gòu)形式玻璃墜落的幾率大大降低。

2.2.3 玻璃幕墻主體結(jié)構(gòu)以及扣件固定裝置

支撐玻璃的框架結(jié)構(gòu)失效也會引起玻璃幕墻問題，解決的辦法是在設(shè)計過程中對框架結(jié)構(gòu)進行抗疲勞試驗。另外，扣件固定裝置無法預見的瑕疵也可能導致嚴重的結(jié)構(gòu)問題，其解決辦法是在安裝前對固定扣件進行必要的檢驗[5]。同時在建筑設(shè)計方面，這兩項都對建筑師合理設(shè)計構(gòu)造節(jié)點提出要求，只有好的構(gòu)造節(jié)點設(shè)計才能夠有效地發(fā)揮各種構(gòu)件的效力來確保安全性。

2.3 立面觀感

縱觀國內(nèi)的幕墻，遠近不同的建筑在玻璃幕墻上的映像都是扭曲變形的，絲毫也感覺不到美感(見圖3)。鋼化和熱強化玻璃由于受熱引起的波紋被稱為應力斑，可以說映像扭曲變形是鋼化玻璃給玻璃幕墻帶來的副產(chǎn)品。相對而言，我們看到很多國外的幕墻建筑，幕墻玻璃平滑如鏡對周圍環(huán)境的映像沒有絲毫的變形，其實是因為幕墻玻璃沒有采用鋼化玻璃，而是采用了夾膠玻璃或半鋼化夾膠玻璃。目前，我國的一些超高層項目在設(shè)計施工中也采用了此種選擇來實現(xiàn)建筑師最初的構(gòu)想。

3 國內(nèi)外玻璃幕墻規(guī)范簡述

中國的玻璃幕墻規(guī)范自1991年首批三個標準誕生，至今已經(jīng)二十多年過去了，其數(shù)量也由三個擴充到二十個左右(見表2)。了解和熟悉國內(nèi)外標準的異同，無論對于制定規(guī)范還是使用規(guī)范，都有了更加深刻而積極的意義。以下僅對國內(nèi)外玻璃幕墻相關(guān)規(guī)范的異同進行簡單的陳述，以供大家探討:1)中外標準之間最明顯的差異在于框架體系的構(gòu)建不同。例如，國內(nèi)標準對玻璃的計算是用一系列復雜的公式得出玻璃在當前荷載下的強度和撓度，再與玻璃的強度與撓度進行比較;而ASTM標準E1300是根據(jù)玻璃的相關(guān)參數(shù)，對照圖表查詢出一些數(shù)值，然后進行簡單的運算得出當前玻璃所能承受的最大荷載，再與加載在玻璃上的荷載進行比較，得出校核結(jié)果，這與國標計算方法的思路是恰恰相反的。2)從規(guī)范、標注的內(nèi)容而言，國標往往規(guī)定得很嚴、很具體，但部分數(shù)據(jù)比較粗糙和僵化。這種保守和僵化固然更加“保險”，但除了對設(shè)計人員造成了束縛和約束外，一些不必要的浪費也相應地產(chǎn)生。相對而言，國外標準更加復雜、細致，同時也更加合理一些，使設(shè)計的選擇余地也更大些，所以也更加受到專業(yè)設(shè)計人員的歡迎。3)中國的標準條文中除了推薦性條文之外，也采用了很多強制性條文，在歐洲等西方國家的標準體系中，標準的根本原則之一就是“非強制”，只有當標準升格為技術(shù)法規(guī)時才具有強制執(zhí)行的法律效力。而在中國，由于相關(guān)部門的“保險”意識，很多推薦性條文也被“強制”執(zhí)行，再加上部分設(shè)計人員對規(guī)范的不深刻理解就更加容易造成設(shè)計人員拿著規(guī)范做設(shè)計，做出來的設(shè)計千篇一律，而得不到精心推敲。以上幾個方面的異同不是說孰優(yōu)孰劣，只是希望隨著行業(yè)的發(fā)展，標準規(guī)范也要不斷地成熟、完善。學習和了解各個地方不同的標準，有助于我們更加深刻地了解標準的制定原委，把標準真正作為設(shè)計的工具，而不應該將其視作設(shè)計的依據(jù)。同時，對于規(guī)范的制定也要更加有利于引導設(shè)計，而不是橫加干預設(shè)計，更不能替代設(shè)計。

表2 現(xiàn)行玻璃幕墻相關(guān)規(guī)范、標準

4 結(jié)語

隨著玻璃幕墻在國內(nèi)使用量的飛速發(fā)展，幕墻問題已經(jīng)成為了不可忽視的社會問題。而建筑師在這些社會問題上將承擔更多的責任，如何合理使用玻璃幕墻也已經(jīng)成為建筑創(chuàng)作不可分割的一個部分。合理科學地使用玻璃幕墻，其關(guān)鍵在于:建筑設(shè)計思想先進;計算和施工質(zhì)量控制嚴密;規(guī)范和相關(guān)標準嚴謹科學。建筑師普遍不歡迎過于僵化的地方規(guī)定和條例，但是面對玻璃幕墻無節(jié)制地、符號化地濫用，只有每一個建筑設(shè)計師都能夠了解和掌握玻璃幕墻的相關(guān)知識，相關(guān)規(guī)范能夠正確引導設(shè)計、施工，才能全面提高我國玻璃幕墻的設(shè)計和使用水平，使我國從玻璃幕墻大國進而轉(zhuǎn)變?yōu)椴Ａ粔妵?/p>

[1]李保峰，譙華芬.窗戶的革命[J].建筑學報，2003(8):41-42.

[2]弗蘭克·勞埃德·賴特.賴特論美國建筑[M].姜 涌，李振濤，譯.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[3]茅佩云.玻璃幕墻之都·上海在行動[N].第一財經(jīng)日報，2006-12-01.

[4]住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部工程質(zhì)量安全監(jiān)管司，中國建筑標準設(shè)計研究院.全國民用建筑工程設(shè)計技術(shù)措施規(guī)劃·建筑·景觀[Z].

[5]馬 寧.淺談建筑設(shè)計中的玻璃幕墻設(shè)計[J].技術(shù)與市場，2011(7):30-31.

[6]JGJ/T151-2008，建筑門窗玻璃幕墻熱工計算規(guī)程[S].