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(zhǎng),卻因其眾多突出的優(yōu)點(diǎn)而在世界眾多國(guó)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(lái),使建筑物的觀感隨陽(yáng)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(kāi)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(yǔ)言之一。
過(guò)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(guò)小而深的窗洞內(nèi)透過(guò)的一絲光亮來(lái)感受外界的春夏秋冬、陰晴雨雪。人類社會(huì)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(kāi)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(kāi)闊。同時(shí),采光屋面、大面積玻璃幕墻、可以自由開(kāi)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(kāi)放成為可能,傳統(tǒng)的靜態(tài)空間布局過(guò)渡到了靈活、開(kāi)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(yáng)光和輕盈開(kāi)放的建筑形式引入到我們的生活中的建筑夢(mèng)想,也將通過(guò)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)。
坐落在上海陸家嘴的金茂大廈一度是國(guó)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(guó)古塔的形狀,大廈外形吸取了中國(guó)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(guó)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(guó)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。
在我國(guó)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(guó)較早采用玻璃幕墻的實(shí)例,為22層高的北京長(zhǎng)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(guó)內(nèi)第一座全部采用國(guó)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(chǎng)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(wàn)平方米、高38米。劇場(chǎng)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(lè)廳,露天音樂(lè)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(wàn)平方米,總建筑面積9萬(wàn)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(zhǎng)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??萍汲堑钠渌糠值哪粔t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(méi)有結(jié)構(gòu)無(wú)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(wèn)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(guò)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。
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(guò)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(huì)營(yíng)造出一種精致輕盈、賞心悅目的效果。
我國(guó)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(wàn)平米的速度生產(chǎn)各種幕墻,在世界各國(guó)是從來(lái)沒(méi)有的。我國(guó)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(guó)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(guó)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(guò)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(guò)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(guò)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(duì)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(guó)的幕墻工程尚存在著很多技術(shù)問(wèn)題。
從幕墻建筑開(kāi)始應(yīng)用以來(lái),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(yáng)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(huì)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(duì)玻璃幕墻火災(zāi)和玻璃幕墻的特點(diǎn),可以采取的防火對(duì)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(cè)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。
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(guò)新型玻璃材料的研究、開(kāi)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(jiǎn)捷有效的解決光反射問(wèn)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(guò)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(wèn)題。
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?,F(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(kāi)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(lái)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(yáng)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(yáng)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(yáng)系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測(cè)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(lái)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(yáng)光,轉(zhuǎn)化為能被人們利用的電能。凈化能源在發(fā)電過(guò)程中無(wú)廢氣,無(wú)噪聲,也不污染環(huán)境。
圖1 德國(guó)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。
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(lái)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(kāi)放式鋁板幕墻體系。開(kāi)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(kāi)放式,取消傳統(tǒng)安裝方式中的固定螺釘,用鋁板掛件來(lái)代替;同時(shí)將原來(lái)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。
目前我國(guó)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(guó)內(nèi)開(kāi)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(shí)、使玻璃的應(yīng)用得到充分發(fā)揮,人們可以透過(guò)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(jiǎn)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(wèn)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(duì)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(duì)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(huì)產(chǎn)生較大的彈性變形,在工作狀態(tài)下呈非線性,不但對(duì)結(jié)構(gòu)的變形適應(yīng)儲(chǔ)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(guó)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(guó)內(nèi)從一開(kāi)始摸著石頭過(guò)河,借鑒國(guó)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(tái),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(guò)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(wèn)題如對(duì)風(fēng)荷載的取值問(wèn)題、地震作用問(wèn)題、結(jié)構(gòu)硅酮膠的二階受力問(wèn)題以及基于可靠度理論的玻璃幕墻設(shè)計(jì)問(wèn)題等還有待于人們?nèi)パ芯亢吞接憽?/p>
建筑幕墻在我國(guó)的發(fā)展有近20年的歷史,接下來(lái)的十年中,傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的玻璃幕墻增長(zhǎng)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(zhǎng)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(wèn)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(cè),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(cè)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(huì)出現(xiàn)并逐步增長(zhǎng)。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(lái)。
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