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我国幕墙技术迅猛发展的四十年

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我国幕墙技术迅猛发展的四十年

发表于 2021-4-17 10:08:20 阅读模式 倒序浏览
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钢结构设计

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  摘要:2020年是我国幕墙行业三十九周年,本文从工程和技术的角度回顾了我国幕墙技术发展近四十年的光辉历程,叙述了我国高层建筑和大型公共建筑中幕墙的应用,新型幕墙的发展,新材料和新做法,幕墙科研工作和技术水平的提高等方面的情况。

  关键词:建筑幕墙、幕墙行业、新型幕墙、新材料、幕墙新做法、幕墙研究

  三十年河东,三十年河西。三十九年前,中国幕墙看国外;三十九年后,世界幕墙看中国。

  自1981年,中国的大地上出现了第一片玻璃幕墙,出现了建筑幕墙这一个全新的行业,到今年已经整整三十九年了。如今,中国不仅已经成为世界幕墙的大国,也已经成为世界幕墙的强国。

  一、辉煌的三十九年

  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)。

  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)

  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。

  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——深圳康佳展览馆建成,为许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。

  在这十年中,我们把建筑幕墙应用到一批高度400米以上的超高层建筑中(图19)

  这十年,我们建成了许多大体量、高技术的公共建筑,采用了新型的建筑幕墙(图20~图22)。

  这十年,我国的幕墙走出了国门,迈向了世界。中国幕墙公司从加工出口、分包安装到承包幕墙工程,到现在境外工程年总合同额超过百亿元。我们不仅完成了国外许多高层建筑和公共建筑的幕墙工程(图23、图24),而且像迪拜哈里法塔这样高度达828米,幕墙工程量达8 亿人民币的世界第一高玻璃幕墙,也是由中国公司完成。

  4. 迈向幕墙技术强国的第四个十年(2011—2019)

  更重要的是,在第三个十年大量工程实践经验积累的基础上,第四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。

  这十年,一批更高的建筑已经建成或正在施工中,这些建筑均采用各种形式的玻璃幕墙(图25~图31)。

  这十年中,我们还建成或在建大批大型公共建筑,其金属屋面面积往往超过10万平方米,玻璃幕墙和采光顶的面积往往超过8万平方米,规模之宏大,技术难度之高,世界上也是少有的(图32~图39)。

  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。

  (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。

  下面将介绍三十九年来,特别是第四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,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40~图42)。

  图43~图46为采用各种不同类型板块的一些工程。

  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47~图57)。

  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51)。

  图52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53~图62)。

  3. 形式多样的新颖遮阳装置

  新型遮阳板也是组成幕墙新颖手法的一部分。图63`~图68是几个典型的实例。

  三、新型材料的应用

  1.各种新型玻璃

  超大尺寸玻璃

  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。2011年已经生产15.0米X3.6米的三块12毫米夹胶玻璃,2018年已经制造出世界最大的、长度达18米的产品已供货香港苹果店(图69~图73)。

  离子性和反射型中间膜新型夹胶玻璃

  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74、图75)。

  SGP夹胶玻璃优良的受力性能为玻璃结构开创了广阔的可能性,玻璃框架、无柱玻璃墙已经广泛应用。

  高度6m~10m的无柱玻璃墙为保证其面外稳定性,常用5片12mm钢化玻璃SGP夹胶。在寒冷地区,再加上2片12mm钢化玻璃SGP夹胶, 16mm~25mm中空层(图76)。

  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77、图78)。

  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79)。

  彩釉玻璃

  现在除了传统的丝网印刷彩釉玻璃外,大尺寸数码印刷彩釉玻璃已经生产并供应国内外市场(图80),许多工程大面积采用色彩艳丽的彩釉玻璃(图81、图82)。

  2. 各种金属板

  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83~图86)。

  铜板和铜合金板

  不锈钢板

  生锈钢板幕墙

  钢板防锈是幕墙工程一个难题,最近建筑师反其道,采用生锈钢板作为幕墙面料,取得新颖的效果(图85)。

  钛板和钛锌板

  开孔金属板

  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88)。目前已经在许多工程应用(图89、图90)。

  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91)。

  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92~图95)。

  四、新的幕墙系统

  1.索网点支玻璃幕墙

  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96)。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97、图98)。上海中国航海博物馆采用了两张54米高的马鞍形索网(图99),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100)。

  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101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102)。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103)。

  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104)。

  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105)。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106~图109)。

  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。

  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。

  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117,图118)。

  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119)。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120)。

  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121~图123)。

  5. 幕墙风洞试验

  风洞试验是确定幕墙风荷载的一个重要手段,许多大型和复杂的幕墙都进行了风洞试验(图124)

  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。2012年,新版本JGJ 133和JGJ 102 规范进入报批阶段。

  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125~图129)。

  按规范设计施工的幕墙,具有良好的抗风能力,可以有效地抵抗猛烈台风的冲击。2016年莫兰蒂台风在厦门登陆,风力达到17级,玻璃幕墙经受了考验(图130)。2018年,山竹台风在珠海深圳登陆,风力达到14级,大湾区深港珠的幕墙完好(图131)。这些经历说明,我国的幕墙规范是科学的,合理的。

  八、 小结

  回顾我国幕墙技术发展三十九的历程,我们感到无比的兴奋和自豪;展望未来,我们看到广阔的前景,同时也会感到任重而道远。我们承担着将我国从产量高的幕墙大国转变为技术高的幕墙强国的历史重任。让我们为此而共同努力。

作者单位:中国建筑科学研究院

专家介绍

赵西安 
铝门窗幕墙委员会专家组 
工作单位:中国建筑科学研究院
技术职称:研究员
专业:建筑结构,建筑幕墙
专长:建筑结构,建筑幕墙

 

来源:2020分析报告、中国幕墙网,作者:赵西安,如有侵权请联系我们。



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