建筑幕墻在我國的應(yīng)用及存在的問題

陳華晉

（上海市節(jié)能減排中心有限公司，上海 200001）

建筑幕墻是當(dāng)代的一種新型建筑外墻形式，雖然其使用歷史不長，卻因其眾多突出的優(yōu)點(diǎn)而在世界眾多國家被廣泛推廣并取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展[1-3]。以鋁合金玻璃幕墻為起點(diǎn)，已擴(kuò)展到鋁面板、鋁塑復(fù)合板、石板和全玻璃結(jié)構(gòu)以及上述幾種幕墻混合運(yùn)用的多種形式的建筑幕墻，在技術(shù)和工藝上也日趨完善和成熟[4]?，F(xiàn)代建筑幕墻已經(jīng)將建筑美學(xué)、建筑功能、建筑結(jié)構(gòu)和節(jié)能、環(huán)保等因素有機(jī)結(jié)合起來，使建筑物的觀感隨陽光、月色、燈光和外部景色的變化而變化，給人們以動(dòng)態(tài)的美感，使沉悶灰暗的建筑變得明亮開闊、通透晶瑩。而各種各樣的建筑幕墻已經(jīng)成為我們這個(gè)時(shí)代最流行的建筑語言之一。

1 廣泛應(yīng)用的建筑幕墻

過去的建筑空間，由于受到建造結(jié)構(gòu)技術(shù)和材料的限制，幾乎是完全隔絕于外部自然環(huán)境的。人們生活在昏暗的室內(nèi)環(huán)境中，只有通過小而深的窗洞內(nèi)透過的一絲光亮來感受外界的春夏秋冬、陰晴雨雪。人類社會發(fā)展到現(xiàn)代，鋼鐵和鋼筋混凝土的結(jié)構(gòu)技術(shù)及生產(chǎn)的工業(yè)化，使支撐結(jié)構(gòu)縮減為纖細(xì)的骨架，從而為實(shí)現(xiàn)開放界面提供了現(xiàn)實(shí)條件。由于屋內(nèi)外的墻體界面不再起靜力學(xué)的承重作用，所以可以采用輕薄以至透明的墻體，使人的視野更加開闊。同時(shí)，采光屋面、大面積玻璃幕墻、可以自由開啟的天棚等結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)，更使室內(nèi)空間各方面的界面開放成為可能，傳統(tǒng)的靜態(tài)空間布局過渡到了靈活、開放、可變的現(xiàn)代建筑的流動(dòng)空間布局。而我們拋棄歷史上沉重和封閉的磚石建筑，把充沛的陽光和輕盈開放的建筑形式引入到我們的生活中的建筑夢想，也將通過建筑幕墻這種外墻形式得以淋漓盡致的發(fā)揮和最大程度的實(shí)現(xiàn)。

1.1 高層建筑

坐落在上海陸家嘴的金茂大廈一度是國內(nèi)建筑幕墻在高層建筑領(lǐng)域應(yīng)用的典范，它以鋁、玻璃和不銹鋼組成的外墻處理成中國古塔的形狀，大廈外形吸取了中國傳統(tǒng)密檐寶塔的造型特點(diǎn)，逐層遞進(jìn)，階梯狀向上聚合，在挺拔剛勁的外輪廓線中附以優(yōu)雅曲線，以高科技材料和工藝造就了蘊(yùn)含民族意味的現(xiàn)代化大樓。該結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)施工中采用了大量的國際先進(jìn)的技術(shù)和材料，石幕墻的設(shè)計(jì)施工就是其中之一。金茂大廈樓高420.5m，共88層，裙房高46m，共6層，其中塔樓一至三層為石幕墻，裙房大部分為石材幕墻。幕墻所有墻材料均由國際知名企業(yè)生產(chǎn)，整個(gè)金茂大廈裙房幕墻工程總面積為20200m2。

1.2 公共建筑

在我國建設(shè)迅猛的階段，以玻璃造型的公共建筑也出現(xiàn)在眾多大中小城市，其鮮亮的外形，變幻不定的景象為城市市容增色不少。我國較早采用玻璃幕墻的實(shí)例，為22層高的北京長城飯店。該樓采用銀灰色全反射8mm厚的鋼化玻璃幕墻。上海最早采用玻璃幕墻的為聯(lián)誼大廈，為鍍膜玻璃明框架幕墻。北京亞運(yùn)體育館是國內(nèi)第一座全部采用國產(chǎn)鋁合金框架、茶色中空玻璃安裝成的玻璃幕墻體育館。

坐落在人民廣場市府大廈西側(cè)的上海大劇院建成于1998年，總建筑面積達(dá)6.2萬平方米、高38米。劇場主體是一個(gè)大玻璃方盒子，反向圓弧形屋頂由6個(gè)電梯井筒體頂托在盒子之上，屋頂利用凹形空間設(shè)露天音樂廳，露天音樂廳上設(shè)可移動(dòng)玻璃蓬蓋，必要時(shí)可用玻璃篷蓋遮風(fēng)擋雨。上海大劇院的玻璃幕墻選用的是第三代玻璃幕墻一鋼索玻璃幕墻，它的特點(diǎn)是不需要用金屬框架固定，而是采用不銹鋼索和不銹鋼爪組成玻璃懸掛體系，懸掛749塊厚度為15mm的純白幕墻玻璃組成玻璃整體幕墻，使大劇院達(dá)到白天朦朧、夜晚在燈光下通體透明似水晶般宮殿的效果。幕墻玻璃還采用了歐洲高科技的彩釉印刷工藝，即自上而下，由疏到密地印了淡淡的白小方格花紋，白小格花紋覆蓋率達(dá)95%，可以反射30%的紫外線，減少了光污染和暖房效應(yīng)。

上?？萍汲堑哪粔こ桃彩瞧渲械囊粋€(gè)典范。項(xiàng)目占地近7萬平方米，總建筑面積9萬平方米，該建筑的幕墻工程主要由金屬板屋面、玻璃大堂球體、兩側(cè)外墻玻璃和石材幕墻等幾部分組成?？萍汲侵醒氪筇玫穆研痛笄蝮w是一個(gè)三軸長度分別為68m、50m和42m的空間橢球體，全部由空間鋁鈦合金網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)和通透大玻璃構(gòu)成，形成一個(gè)巨型門洞式的通透空間。科技城的其它部分的幕墻則充分利用了玻璃、鋁板和石材這三種材料。其中石材幕墻采用了背栓式干掛結(jié)構(gòu)，使加工、安裝精度高，施工速度快；鋁板幕墻采用結(jié)構(gòu)式防水，干法式施工結(jié)構(gòu)，使幕墻表面不易污染、裝飾效果好；玻璃幕墻由于大部分部位沒有結(jié)構(gòu)無法固定幕墻的受力桿件，且玻璃分格很大，為解決鋼結(jié)構(gòu)施工誤差大的問題，采用鋼鋁結(jié)合式結(jié)構(gòu)，將鋁框與鋼框之間設(shè)計(jì)成螺接方式，通過鋸齒形鋁型材斷面將鋁框進(jìn)行多方位的調(diào)整固定，保證了幕墻的施工精度。

1.3 汽車展廳

汽車展廳使用幕墻作為外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)是再合適不過的了。不管是玻璃幕墻還是彩鋼幕墻，或者是其二者的組合都會營造出一種精致輕盈、賞心悅目的效果。

2 幕墻工程中的技術(shù)問題

我國幕墻業(yè)的發(fā)展速度是世界之最，產(chǎn)量是世界之最，幕墻種類之多也為世界之最，每年以500萬平米的速度生產(chǎn)各種幕墻，在世界各國是從來沒有的。我國幕墻業(yè)的發(fā)展正由小到大，由不正規(guī)向比較正規(guī)的方向發(fā)展。我國幕墻在大城市以發(fā)展單元式幕墻為主，單元式幕墻的優(yōu)點(diǎn)多，施工快，精度高；在中等城市仍以隱框玻璃幕墻為主要發(fā)展方向。

目前，我國建筑幕墻產(chǎn)品已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了從金屬框格—平板玻璃的單一平面結(jié)構(gòu)玻璃幕墻（包括明框、半隱框、隱框玻璃幕墻）向金屬壁扳幕墻、石材壁扳幕墻、全玻幕墻、復(fù)合飾面材料幕墻及采光玻璃屋面等多品種結(jié)構(gòu)體系的過渡；實(shí)現(xiàn)了平面結(jié)構(gòu)體系向平面組合單元結(jié)構(gòu)體系和三維結(jié)構(gòu)體系的過渡；實(shí)現(xiàn)了從鋁合金單一金屬結(jié)構(gòu)體系向彩色涂層異型鋼管材、不銹鋼異型管材等多元金屬結(jié)構(gòu)體系的過渡。建筑幕墻品種和性能基本滿足了新型高層建筑和特種公共建筑對圍護(hù)結(jié)構(gòu)使用功能、建筑物理性能以及建筑外墻裝飾效果的需要。但不可否認(rèn)，我國的幕墻工程尚存在著很多技術(shù)問題。

2.1 防災(zāi)問題[5]

從幕墻建筑開始應(yīng)用以來，世界各地都有玻璃幕墻受災(zāi)的慘痛記錄。其中，較嚴(yán)重的災(zāi)害是震災(zāi)、火災(zāi)、雷災(zāi)，其次是風(fēng)災(zāi)、水災(zāi)等。

玻璃幕墻在建筑物立面的應(yīng)用，使得建筑的外表圍上一層金屬骨架，有些玻璃幕墻一通到頂，并且在屋頂部位設(shè)有金屬壓頂板。這些大量的鋁合金構(gòu)件，雖然表面有不導(dǎo)電的陽極氧化膜，但是由于較薄，抵擋不住直擊雷或側(cè)擊雷的雷擊。一旦遭到雷擊，將會使氧化膜擊穿，就又可能引起火災(zāi)。另外玻璃的聚焦性強(qiáng)、耐火性差，玻璃幕墻又容易因?yàn)槟粔蜆前逯g的縫隙而產(chǎn)生煙囪效應(yīng)，這些因素導(dǎo)致火災(zāi)成為幕墻受災(zāi)的最主要災(zāi)情之一。針對玻璃幕墻火災(zāi)和玻璃幕墻的特點(diǎn)，可以采取的防火對策有：使用安全材料：從玻璃的選材上盡量選擇防火玻璃；盡量減少雷擊：幕墻金屬框架系統(tǒng)應(yīng)與主體防雷體系可靠連接，形成閉合網(wǎng)狀環(huán)路，并經(jīng)檢測接地導(dǎo)通；進(jìn)行豎向防火分隔：在每層樓板外沿設(shè)置耐火極限不低于1h，高度不低于0.8m的不燃燒實(shí)體裙墻；幕墻與樓板、隔墻處的間隙采用不燃燒材料嚴(yán)密填實(shí)，以阻止和控制火災(zāi)垂直方向的蔓延；完善救災(zāi)措施：在建筑內(nèi)設(shè)置排煙系統(tǒng)和自動(dòng)噴淋系統(tǒng)，提高消防滅火救援裝備的先進(jìn)性。

2.2 光污染問題[6]

玻璃幕墻的光污染（或稱為噪光），是指高層建筑的幕墻上采用了涂膜玻璃或鍍膜玻璃，當(dāng)直射日光和天空光照射到玻璃表面上時(shí)由于玻璃的鏡面反射（即正反射）而產(chǎn)生的反射眩光，因此在設(shè)計(jì)中應(yīng)選用具有減少眩光性能的玻璃。通過新型玻璃材料的研究、開發(fā)和使用，或?qū)ΜF(xiàn)有玻璃加以處理能夠有效控制有害反射光，同時(shí)又不增加室內(nèi)的熱效應(yīng)（即節(jié)能效果更佳），這是一種最為簡捷有效的解決光反射問題的構(gòu)造技術(shù)方法。這類材料主要有：吸熱玻璃、回反射玻璃和貼漫反射膜玻璃等。另外還可以通過改革幕墻形體、改善飾面材料組合等措施加以解決光污染問題。

2.3 節(jié)能問題[7-8]

建筑幕墻特別是玻璃幕墻是建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中熱交換最活躍、最敏感的部位，因此節(jié)能技術(shù)也一直伴隨幕墻發(fā)展的始終。現(xiàn)階段提高幕墻保溫性能的主要措施是降低結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)（如采用鍍膜玻璃、LOW—E玻璃、熱反射玻璃、中空玻璃及隔熱斷橋鋁型材等措施）、降低空氣滲透熱損失、消除結(jié)構(gòu)體系“熱橋”、減少開啟窗扇面積、提高其密封性等，尚停留在消極設(shè)防的設(shè)計(jì)思想階段。未來幕墻的設(shè)計(jì)應(yīng)該是主動(dòng)的，積極的，由被動(dòng)設(shè)防調(diào)節(jié)冷熱變主動(dòng)利用能源。主要的幾個(gè)發(fā)展方向是通風(fēng)式幕墻、智能幕墻以及光電幕墻。

通風(fēng)式幕墻（也被稱為呼吸幕墻、雙層幕墻、熱通道換氣幕墻）是一個(gè)節(jié)能幕墻的典型范例，它是利用熱空氣的煙囪效應(yīng)自然地將熱緩沖層的熱空氣排到室外，并可根據(jù)需要在熱通道內(nèi)設(shè)置可調(diào)控的鋁合金百葉窗簾或者電動(dòng)卷簾，有效地調(diào)節(jié)陽光的照射，從而達(dá)到良好的隔熱節(jié)能效果。法蘭克福商業(yè)銀行總部大廈，是使用玻璃中掛窗簾較好的例子，這種百葉幕墻具有可控性，可適時(shí)調(diào)節(jié)百葉的角度，以最佳狀態(tài)達(dá)到節(jié)能的目的。通風(fēng)式幕墻的最大特點(diǎn)是有通風(fēng)換氣、環(huán)保、節(jié)能的功能，比傳統(tǒng)幕墻節(jié)能可達(dá)30%以上。

智能幕墻則是通風(fēng)式幕墻的延伸。它將玻璃幕墻飾面材料的光敏、熱敏特性與室內(nèi)供熱、制冷系統(tǒng)形成計(jì)算機(jī)自控網(wǎng)絡(luò)，達(dá)到幕墻熱工效應(yīng)智能化，幕墻結(jié)構(gòu)體系和太陽能利用體系的結(jié)合一體化。智能幕墻廣義上包括玻璃幕墻、通風(fēng)系統(tǒng)、遮陽系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、智能化控制系統(tǒng)等。智能幕墻是一個(gè)跨行業(yè)、多學(xué)科、高技術(shù)的新產(chǎn)品，是一種比較理想的玻璃幕墻。

光電幕墻（如圖1）是一種集發(fā)電、隔音、隔熱、安全、裝飾功能于一身的新型建材，充分體現(xiàn)了建筑的智能化與人性化特點(diǎn)，它突破了傳統(tǒng)幕墻消極的隔熱、斷熱、密封等以減少能量損失來實(shí)現(xiàn)節(jié)能的思維定式，采用光電池、光電板技術(shù)，把以前被當(dāng)作有害的因素而屏蔽在建筑物表面的太陽光，轉(zhuǎn)化為能被人們利用的電能。凈化能源在發(fā)電過程中無廢氣，無噪聲，也不污染環(huán)境。

圖1 德國的光電幕墻

還有其他幾種新型的生態(tài)建材，如TIM（Transparent Insulation Material）透明絕熱材料和復(fù)合保溫玻璃，在生態(tài)建筑中也得到了一定規(guī)模的應(yīng)用。

2.4 防滲問題[9]

幕墻應(yīng)具備防空氣滲漏、防雨水滲漏等功能。背栓式石材幕墻防水設(shè)計(jì)運(yùn)用雨幕原理進(jìn)行防雨水滲漏。新的單元組合式幕墻的防水設(shè)計(jì)，采用了等壓系統(tǒng)，將內(nèi)層和外層之間的空間設(shè)計(jì)成相同的壓力，在等壓的情況下，水比空氣重，靠重力水自動(dòng)排出。同時(shí)在石材幕墻框格型材上應(yīng)設(shè)通暢的排水孔道系統(tǒng)，并設(shè)立層間保溫層來提高石材幕墻密封性。

有些在鋁板幕墻防滲設(shè)計(jì)上采用開放式鋁板幕墻體系。開放式鋁板幕墻的設(shè)計(jì)原理是將鋁板的固定形式改為開放式，取消傳統(tǒng)安裝方式中的固定螺釘，用鋁板掛件來代替；同時(shí)將原來的鋁板表面硅膠的密封形式，改為鋁板內(nèi)層增加防水層的方式。這種鋁板幕墻主要由鋼結(jié)構(gòu)龍骨，內(nèi)層板（包括保溫面），鋁板掛件和外層鋁板這四部分組成。

2.5 結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)問題[10-12]

目前我國高層鋼結(jié)構(gòu)和大跨鋼結(jié)構(gòu)體系增加明顯，與之相適應(yīng)的幕墻結(jié)構(gòu)體系發(fā)展?jié)摿艽?。而幕墻設(shè)計(jì)最主要的部分就是支承體系的設(shè)計(jì)，支承鋼結(jié)構(gòu)通常用得最多的平面支承系統(tǒng)有單根構(gòu)件、桁架及空腹桁架、拉索和拉桿系統(tǒng)以及自平衡系統(tǒng)等；空間支承結(jié)構(gòu)常用空間桁架，網(wǎng)架和網(wǎng)殼，索網(wǎng)體系等。

1997年國內(nèi)開始出現(xiàn)點(diǎn)支式玻璃幕墻，如汕頭科技館、上海兆豐大廈、上海大劇院等，是當(dāng)前幕墻領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用較多一種幕墻體系，它綜合運(yùn)用了建筑學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、材料學(xué)、美學(xué)、光學(xué)等多種學(xué)科的知識、使玻璃的應(yīng)用得到充分發(fā)揮，人們可以透過玻璃清楚地看到支撐玻璃的整個(gè)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，使這種結(jié)構(gòu)系統(tǒng)從單純的支撐作用轉(zhuǎn)向?yàn)槌浞直憩F(xiàn)其可觀性，從而達(dá)到整體通透.簡潔明快的效果。圖2為某雙層點(diǎn)式玻璃采光頂，上層為銀色鍍膜+鋼化白片夾膠玻璃，下層為金色彩繪+鋼化白片夾膠玻璃，主體結(jié)構(gòu)為鋼管結(jié)構(gòu)+拉桿支撐系統(tǒng)。點(diǎn)式玻璃幕墻建筑體系需解決的結(jié)構(gòu)理論問題：帶孔玻璃承載性能的計(jì)算分析與設(shè)計(jì)，要考慮支承點(diǎn)采用的連接方式對連接孔的應(yīng)力集中的影響；金屬連接件承載性能的計(jì)算分析與設(shè)計(jì)，要求能采用有限元法對實(shí)際模型進(jìn)行材料非線性分析，從而使連接件設(shè)計(jì)更經(jīng)濟(jì)更輕巧；輕型化和柔性化的支撐結(jié)構(gòu)的研究，由于柔性結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生較大的彈性變形，在工作狀態(tài)下呈非線性，不但對結(jié)構(gòu)的變形適應(yīng)儲力提出了新的要求，傳統(tǒng)的線彈性分析理論也難以滿足結(jié)構(gòu)分析的需求。

圖2 雙層點(diǎn)式玻璃采光頂

從設(shè)計(jì)方法上看，國外的玻璃幕墻設(shè)計(jì)方法主要有：1）圖表設(shè)計(jì)法：該法是指根據(jù)風(fēng)壓（或體型系數(shù)，風(fēng)速）及玻璃面積，直接由設(shè)計(jì)圖表查出某一類玻璃厚度的設(shè)計(jì)方法；2）最大應(yīng)力理論設(shè)計(jì)法：該法以薄板的大變形理論應(yīng)力分析為依據(jù)，假定玻璃表面任何一處達(dá)到極限效應(yīng)力時(shí)即達(dá)破壞；3）斷裂理論設(shè)計(jì)法：由于斷裂理論設(shè)計(jì)法的復(fù)雜性，使其在實(shí)際工程中并未能廣泛應(yīng)用4）實(shí)用公式設(shè)計(jì)法：日本不采取建立玻璃容許應(yīng)力與風(fēng)壓之間的關(guān)系式的方法而采用風(fēng)壓與玻璃安全厚度之間關(guān)系提出了一個(gè)實(shí)用的關(guān)系式。

國內(nèi)從一開始摸著石頭過河，借鑒國外先進(jìn)理論，形成企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，到2001年《點(diǎn)支式玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)程》CECS127：2001的出臺，使點(diǎn)支式玻璃幕墻的材料應(yīng)用、設(shè)計(jì)、制作和安裝有章可循，提供了非常有利的理論支持。不過按規(guī)范提供的小撓度理論公式計(jì)算出的玻璃應(yīng)力和撓度實(shí)際并非準(zhǔn)確值，偏于保守。但由于實(shí)際工程中某些不利因素尚未加以考慮，因而計(jì)算結(jié)果仍是可以接受的。

另外，還有一些其他設(shè)計(jì)和分析問題如對風(fēng)荷載的取值問題、地震作用問題、結(jié)構(gòu)硅酮膠的二階受力問題以及基于可靠度理論的玻璃幕墻設(shè)計(jì)問題等還有待于人們?nèi)パ芯亢吞接憽?/p>

3 方興未艾的建筑幕墻

建筑幕墻在我國的發(fā)展有近20年的歷史，接下來的十年中，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的玻璃幕墻增長速度將逐步減慢，代之以石材壁板幕墻、組合單元幕墻、全玻幕墻、金屬壁板幕墻以及上述材料的復(fù)合幕墻和采光屋面的增長速度將加快。各種新型的生態(tài)建材以及功能各異的各種玻璃（打不碎玻璃、不反光玻璃、防盜玻璃、隔音玻璃、空調(diào)玻璃、全息玻璃、調(diào)溫玻璃、調(diào)光玻璃、天線玻璃、生態(tài)玻璃、泡沫玻璃、信息玻璃等等）將紛紛問世，彩鋼幕墻、陶瓷幕墻將各領(lǐng)風(fēng)騷?；诜抡娌牧霞夹g(shù)的各種各樣的仿真石材、仿真玻璃、仿真木材、仿真耐火材料、仿真金屬、仿真復(fù)合材料，前景十分看好。

據(jù)預(yù)測，今后十年建筑幕墻業(yè)將在幕墻材料、結(jié)構(gòu)技術(shù)、抗災(zāi)技術(shù)、節(jié)能技術(shù)、測試技術(shù)、仿真技術(shù)、膠接技術(shù)、加工技術(shù)、施工技術(shù)、成套技術(shù)等十個(gè)領(lǐng)域不斷創(chuàng)新，加速發(fā)展。建筑幕墻工程將更具有時(shí)代特征，并向個(gè)性化發(fā)展。節(jié)能型、智能型、仿真型、生態(tài)型幕墻將會出現(xiàn)并逐步增長。幕墻產(chǎn)品將更加多元化、多層次。一個(gè)充滿生機(jī)的方興未艾的建筑幕墻時(shí)代正向我們走來。

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