建筑幕墙在我国的应用及存在的问题
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摘 要：建筑幕墙是当代的一种新型建筑外墙形式，本文介绍了一些典型的幕墙工程实例，并从建筑和结构的角度阐述了存在于幕墙系统工程中的一些技术问题、解决方法。力图全面地介绍幕墙工程中的新材料，新体系，新技术，以及未来的发展趋势。
关键词：建筑幕墙；工程实例；技术问题；发展趋势
中图分类号：TU227 文献标识码：A 文章编号：1671-3362（2013）03-0011-03
建筑幕墙是当代的一种新型建筑外墙形式，虽然其使用历史不长，却因其众多突出的优点而在世界众多国家被广泛推广并取得了突飞猛进的发展[1-3]。以铝合金玻璃幕墙为起点，已扩展到铝面板、铝塑复合板、石板和全玻璃结构以及上述几种幕墙混合运用的多种形式的建筑幕墙，在技术和工艺上也日趋完善和成熟[4]。现代建筑幕墙已经将建筑美学、建筑功能、建筑结构和节能、环保等因素有机结合起来，使建筑物的观感随阳光、月色、灯光和外部景色的变化而变化，给人们以动态的美感，使沉闷灰暗的建筑变得明亮开阔、通透晶莹。而各种各样的建筑幕墙已经成为我们这个时代最流行的建筑语言之一。
1 广泛应用的建筑幕墙
过去的建筑空间，由于受到建造结构技术和材料的限制，几乎是完全隔绝于外部自然环境的。人们生活在昏暗的室内环境中，只有通过小而深的窗洞内透过的一丝光亮来感受外界的春夏秋冬、阴晴雨雪。人类社会发展到现代，钢铁和钢筋混凝土的结构技术及生产的工业化，使支撑结构缩减为纤细的骨架，从而为实现开放界面提供了现实条件。由于屋内外的墙体界面不再起静力学的承重作用，所以可以采用轻薄以至透明的墙体，使人的视野更加开阔。同时，采光屋面、大面积玻璃幕墙、可以自由开启的天棚等结构的实现，更使室内空间各方面的界面开放成为可能，传统的静态空间布局过渡到了灵活、开放、可变的现代建筑的流动空间布局。而我们抛弃历史上沉重和封闭的砖石建筑， 把充沛的阳光和轻盈开放的建筑形式引入到我们的生活中的建筑梦想，也将通过建筑幕墙这种外墙形式得以淋漓尽致的发挥和最大程度的实现。
1.1 高层建筑
坐落在上海陆家嘴的金茂大厦一度是国内建筑幕墙在高层建筑领域应用的典范，它以铝、玻璃和不锈钢组成的外墙处理成中国古塔的形状，大厦外形吸取了中国传统密檐宝塔的造型特点，逐层递进，阶梯状向上聚合，在挺拔刚劲的外轮廓线中附以优雅曲线，以高科技材料和工艺造就了蕴含民族意味的现代化大楼。该结构在设计施工中采用了大量的国际先进的技术和材料，石幕墙的设计施工就是其中之一。金茂大厦楼高420.5m，共88层，裙房高46m，共6层，其中塔楼一至三层为石幕墙，裙房大部分为石材幕墙。幕墙所有墙材料均由国际知名企业生产，整个金茂大厦裙房幕墙工程总面积为20200m2。
1.2 公共建筑
在我国建设迅猛的阶段，以玻璃造型的公共建筑也出现在众多大中小城市，其鲜亮的外形，变幻不定的景象为城市市容增色不少。我国较早采用玻璃幕墙的实例，为22层高的北京长城饭店。该楼采用银灰色全反射8mm厚的钢化玻璃幕墙。上海最早采用玻璃幕墙的为联谊大厦，为镀膜玻璃明框架幕墙。北京亚运体育馆是国内第一座全部采用国产铝合金框架、茶色中空玻璃安装成的玻璃幕墙体育馆。
坐落在人民广场市府大厦西侧的上海大剧院建成于1998年，总建筑面积达6.2万平方米、高38米。剧场主体是一个大玻璃方盒子，反向圆弧形屋顶由6个电梯井筒体顶托在盒子之上，屋顶利用凹形空间设露天音乐厅，露天音乐厅上设可移动玻璃蓬盖，必要时可用玻璃篷盖遮风挡雨。上海大剧院的玻璃幕墙选用的是第三代玻璃幕墙一钢索玻璃幕墙，它的特点是不需要用金属框架固定，而是采用不锈钢索和不锈钢爪组成玻璃悬挂体系，悬挂749块厚度为15mm的纯白幕墙玻璃组成玻璃整体幕墙，使大剧院达到白天朦胧、夜晚在灯光下通体透明似水晶般宫殿的效果。幕墙玻璃还采用了欧洲高科技的彩釉印刷工艺，即自上而下，由疏到密地印了淡淡的白小方格花纹，白小格花纹覆盖率达95%，可以反射30%的紫外线，减少了光污染和暖房效应。
上海科技城的幕墙工程也是其中的一个典范。项目占地近7万平方米，总建筑面积9万平方米，该建筑的幕墙工程主要由金属板屋面、玻璃大堂球体、两侧外墙玻璃和石材幕墙等几部分组成。科技城中央大堂的卵型大球体是一个三轴长度分别为68m、50m和42m的空间椭球体，全部由空间铝钛合金网壳结构和通透大玻璃构成，形成一个巨型门洞式的通透空间。科技城的其它部分的幕墙则充分利用了玻璃、铝板和石材这三种材料。其中石材幕墙采用了背栓式干挂结构，使加工、安装精度高，施工速度快；铝板幕墙采用结构式防水，干法式施工结构，使幕墙表面不易污染、装饰效果好；玻璃幕墙由于大部分部位没有结构无法固定幕墙的受力杆件，且玻璃分格很大，为解决钢结构施工误差大的问题，采用钢铝结合式结构，将铝框与钢框之间设计成螺接方式，通过锯齿形铝型材断面将铝框进行多方位的调整固定，保证了幕墙的施工精度。
1.3 汽车展厅
汽车展厅使用幕墙作为外墙围护结构是再合适不过的了。不管是玻璃幕墙还是彩钢幕墙，或者是其二者的组合都会营造出一种精致轻盈、赏心悦目的效果。
2 幕墙工程中的技术问题
我国幕墙业的发展速度是世界之最，产量是世界之最，幕墙种类之多也为世界之最，每年以500万平米的速度生产各种幕墙，在世界各国是从来没有的。我国幕墙业的发展正由小到大，由不正规向比较正规的方向发展。我国幕墙在大城市以发展单元式幕墙为主，单元式幕墙的优点多，施工快，精度高；在中等城市仍以隐框玻璃幕墙为主要发展方向。
目前，我国建筑幕墙产品已经实现了从金属框格—平板玻璃的单一平面结构玻璃幕墙（包括明框、半隐框、隐框玻璃幕墙）向金属壁扳幕墙、石材壁扳幕墙、全玻幕墙、复合饰面材料幕墙及采光玻璃屋面等多品种结构体系的过渡；实现了平面结构体系向平面组合单元结构体系和三维结构体系的过渡；实现了从铝合金单一金属结构体系向彩色涂层异型钢管材、不锈钢异型管材等多元金属结构体系的过渡。建筑幕墙品种和性能基本满足了新型高层建筑和特种公共建筑对围护结构使用功能、建筑物理性能以及建筑外墙装饰效果的需要。但不可否认，我国的幕墙工程尚存在着很多技术问题。
2.1 防灾问题[5]
从幕墙建筑开始应用以来，世界各地都有玻璃幕墙受灾的惨痛记录。其中，较严重的灾害是震灾、火灾、雷灾，其次是风灾、水灾等。
玻璃幕墙在建筑物立面的应用，使得建筑的外表围上一层金属骨架，有些玻璃幕墙一通到顶，并且在屋顶部位设有金属压顶板。这些大量的铝合金构件，虽然表面有不导电的阳极氧化膜，但是由于较薄，抵挡不住直击雷或侧击雷的雷击。一旦遭到雷击，将会使氧化膜击穿，就又可能引起火灾。另外玻璃的聚焦性强、耐火性差，玻璃幕墙又容易因为幕墙和楼板之间的缝隙而产生烟囱效应，这些因素导致火灾成为幕墙受灾的最主要灾情之一。针对玻璃幕墙火灾和玻璃幕墙的特点，可以采取的防火对策有：使用安全材料：从玻璃的选材上尽量选择防火玻璃；尽量减少雷击：幕墙金属框架系统应与主体防雷体系可靠连接，形成闭合网状环路，并经检测接地导通；进行竖向防火分隔：在每层楼板外沿设置耐火极限不低于1h，高度不低于0.8m的不燃烧实体裙墙；幕墙与楼板、隔墙处的间隙采用不燃烧材料严密填实，以阻止和控制火灾垂直方向的蔓延；完善救灾措施：在建筑内设置排烟系统和自动喷淋系统，提高消防灭火救援装备的先进性。
2.2 光污染问题[6]
玻璃幕墙的光污染（或称为噪光），是指高层建筑的幕墙上采用了涂膜玻璃或镀膜玻璃，当直射日光和天空光照射到玻璃表面上时由于玻璃的镜面反射（即正反射）而产生的反射眩光，因此在设计中应选用具有减少眩光性能的玻璃。通过新型玻璃材料的研究、开发和使用，或对现有玻璃加以处理能够有效控制有害反射光，同时又不增加室内的热效应（即节能效果更佳），这是一种最为简捷有效的解决光反射问题的构造技术方法。这类材料主要有：吸热玻璃、回反射玻璃和贴漫反射膜玻璃等。另外还可以通过改革幕墙形体、改善饰面材料组合等措施加以解决光污染问题。
2.3节能问题[7-8]
建筑幕墙特别是玻璃幕墙是建筑围护结构中热交换最活跃、最敏感的部位，因此节能技术也一直伴随幕墙发展的始终。现阶段提高幕墙保温性能的主要措施是降低结构传热系数（如采用镀膜玻璃、LOW—E玻璃、热反射玻璃、中空玻璃及隔热断桥铝型材等措施）、降低空气渗透热损失、消除结构体系“热桥”、减少开启窗扇面积、提高其密封性等，尚停留在消极设防的设计思想阶段。未来幕墙的设计应该是主动的，积极的，由被动设防调节冷热变主动利用能源。主要的几个发展方向是通风式幕墙、智能幕墙以及光电幕墙。
通风式幕墙（也被称为呼吸幕墙、双层幕墙、热通道换气幕墙）是一个节能幕墙的典型范例，它是利用热空气的烟囱效应自然地将热缓冲层的热空气排到室外，并可根据需要在热通道内设置可调控的铝合金百叶窗帘或者电动卷帘，有效地调节阳光的照射，从而达到良好的隔热节能效果。法兰克福商业银行总部大厦，是使用玻璃中挂窗帘较好的例子，这种百叶幕墙具有可控性，可适时调节百叶的角度，以最佳状态达到节能的目的。通风式幕墙的最大特点是有通风换气、环保、节能的功能，比传统幕墙节能可达30%以上。
智能幕墙则是通风式幕墙的延伸。它将玻璃幕墙饰面材料的光敏、热敏特性与室内供热、制冷系统形成计算机自控网络，达到幕墙热工效应智能化，幕墙结构体系和太阳能利用体系的结合一体化。智能幕墙广义上包括玻璃幕墙、通风系统、遮阳系统、空调系统、环境监测系统、智能化控制系统等。智能幕墙是一个跨行业、多学科、高技术的新产品，是一种比较理想的玻璃幕墙。
光电幕墙（如图1）是一种集发电、隔音、隔热、安全、装饰功能于一身的新型建材，充分体现了建筑的智能化与人性化特点，它突破了传统幕墙消极的隔热、断热、密封等以减少能量损失来实现节能的思维定式，采用光电池、光电板技术，把以前被当作有害的因素而屏蔽在建筑物表面的太阳光，转化为能被人们利用的电能。净化能源在发电过程中无废气，无噪声，也不污染环境。
还有其他几种新型的生态建材，如TIM（Transparent Insulation Material）透明绝热材料和复合保温玻璃，在生态建筑中也得到了一定规模的应用。
2.4 防渗问题[9]
幕墙应具备防空气渗漏、防雨水渗漏等功能。背栓式石材幕墙防水设计运用雨幕原理进行防雨水渗漏。新的单元组合式幕墙的防水设计，采用了等压系统，将内层和外层之间的空间设计成相同的压力，在等压的情况下，水比空气重，靠重力水自动排出。同时在石材幕墙框格型材上应设通畅的排水孔道系统，并设立层间保温层来提高石材幕墙密封性。
有些在铝板幕墙防渗设计上采用开放式铝板幕墙体系。开放式铝板幕墙的设计原理是将铝板的固定形式改为开放式，取消传统安装方式中的固定螺钉，用铝板挂件来代替；同时将原来的铝板表面硅胶的密封形式，改为铝板内层增加防水层的方式。这种铝板幕墙主要由钢结构龙骨，内层板（包括保温面），铝板挂件和外层铝板这四部分组成。
2.5 结构分析和设计问题[10-12]
目前我国高层钢结构和大跨钢结构体系增加明显，与之相适应的幕墙结构体系发展潜力很大。而幕墙设计最主要的部分就是支承体系的设计，支承钢结构通常用得最多的平面支承系统有单根构件、桁架及空腹桁架、拉索和拉杆系统以及自平衡系统等；空间支承结构常用空间桁架，网架和网壳，索网体系等。
1997年国内开始出现点支式玻璃幕墙，如汕头科技馆、上海兆丰大厦、上海大剧院等，是当前幕墙领域内应用较多一种幕墙体系，它综合运用了建筑学、结构力学、材料学、美学、光学等多种学科的知识、使玻璃的应用得到充分发挥，人们可以透过玻璃清楚地看到支撑玻璃的整个结构系统，使这种结构系统从单纯的支撑作用转向为充分表现其可观性，从而达到整体通透.简洁明快的效果。图2为某双层点式玻璃采光顶，上层为银色镀膜+钢化白片夹胶玻璃，下层为金色彩绘+钢化白片夹胶玻璃，主体结构为钢管结构+拉杆支撑系统。点式玻璃幕墙建筑体系需解决的结构理论问题：带孔玻璃承载性能的计算分析与设计，要考虑支承点采用的连接方式对连接孔的应力集中的影响；金属连接件承载性能的计算分析与设计，要求能采用有限元法对实际模型进行材料非线性分析，从而使连接件设计更经济更轻巧；轻型化和柔性化的支撑结构的研究，由于柔性结构会产生较大的弹性变形，在工作状态下呈非线性，不但对结构的变形适应储力提出了新的要求，传统的线弹性分析理论也难以满足结构分析的需求。
从设计方法上看，国外的玻璃幕墙设计方法主要有：1）图表设计法：该法是指根据风压（或体型系数，风速）及玻璃面积，直接由设计图表查出某一类玻璃厚度的设计方法；2）最大应力理论设计法：该法以薄板的大变形理论应力分析为依据，假定玻璃表面任何一处达到极限效应力时即达破坏；3）断裂理论设计法：由于断裂理论设计法的复杂性，使其在实际工程中并未能广泛应用4）实用公式设计法：日本不采取建立玻璃容许应力与风压之间的关系式的方法而采用风压与玻璃安全厚度之间关系提出了一个实用的关系式。
国内从一开始摸着石头过河，借鉴国外先进理论，形成企业标准，到2001年《点支式玻璃幕墙工程技术规程》CECS127：2001的出台，使点支式玻璃幕墙的材料应用、设计、制作和安装有章可循，提供了非常有利的理论支持。不过按规范提供的小挠度理论公式计算出的玻璃应力和挠度实际并非准确值，偏于保守。但由于实际工程中某些不利因素尚未加以考虑，因而计算结果仍是可以接受的。
另外，还有一些其他设计和分析问题如对风荷载的取值问题、地震作用问题、结构硅酮胶的二阶受力问题以及基于可靠度理论的玻璃幕墙设计问题等还有待于人们去研究和探讨。
3 方兴未艾的建筑幕墙
建筑幕墙在我国的发展有近20年的历史，接下来的十年中，传统结构的玻璃幕墙增长速度将逐步减慢，代之以石材壁板幕墙、组合单元幕墙、全玻幕墙、金属壁板幕墙以及上述材料的复合幕墙和采光屋面的增长速度将加快。各种新型的生态建材以及功能各异的各种玻璃（打不碎玻璃、不反光玻璃、防盗玻璃、隔音玻璃、空调玻璃、全息玻璃、调温玻璃、调光玻璃、天线玻璃、生态玻璃、泡沫玻璃、信息玻璃等等）将纷纷问世，彩钢幕墙、陶瓷幕墙将各领风骚。基于仿真材料技术的各种各样的仿真石材、仿真玻璃、仿真木材、仿真耐火材料、仿真金属、仿真复合材料，前景十分看好。
据预测，今后十年建筑幕墙业将在幕墙材料、结构技术、抗灾技术、节能技术、测试技术、仿真技术、胶接技术、加工技术、施工技术、成套技术等十个领域不断创新，加速发展。建筑幕墙工程将更具有时代特征，并向个性化发展。节能型、智能型、仿真型、生态型幕墙将会出现并逐步增长。幕墙产品将更加多元化、多层次。一个充满生机的方兴未艾的建筑幕墙时代正向我们走来。
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