超高层幕墙工程动态解析

   
赵西安2017版：超高层幕墙工程动态解析
来源：幕墙网 查看原文  时间：2016-12-22
本篇文章内容由[中国幕墙网]编辑部整理发布：
　　1. 中国是超高层建筑最多的国家
　　近二十年来，随着中国经济实力的高速增长，城市化进程加快，基建投资也急剧增多，超大规模、超高度的建筑如雨后春笋在各城市拔地而起。中国迅速超过美国，成为世界上超高层建筑最多的国家。
　　2011年1月，美国《新闻周刊》发表了如下的统计数字：
　　世界总人口：68.96 亿; 已建成200m以上的建筑：634座
　　其中一些国家和地区的人口和超高层建筑的分布见表一。

　　笔者根据手头资料的不完全统计，截至2016年10月，包括已经立项、设计中、施工中和已经建成的超高层建筑，数量分布见表2。

　　由表2可见，在300m以上的超高层建筑中，无论哪一个高度，我国均占全部数量的一半以上。高层建筑的迅速发展，直接带动了我国建筑幕墙行业的迅速发展。
　　2. 中国是建筑幕墙生产和使用大国
　　建筑幕墙的应用始于19世纪末，当时只用于建筑的局部，且规模较小。1851年英国伦敦工业博览会建造的“水晶宫”是最早出现的初级建筑幕墙;到20世纪50年代，随着建筑技术的发展，玻璃幕墙开始大规模应用于建筑外围护结构，宣告建筑幕墙时代的到来;到20世纪80年代，随着建筑幕墙技术的发展和玻璃生产工艺、加工工艺的进步，玻璃幕墙得到更广泛的应用。
　　1981年，我国内地第一片玻璃幕墙出现在广交会的正立面;1984年，北京长城饭店成为第一座采用玻璃幕墙的高层建筑。30多年以来，伴随着我国国民经济的持续快速发展和城市化进程的加快，我国建筑幕墙行业实现了从无到有、从外资一统天下到国内企业主导、从模仿引进到自主创新的跨越式发展，到 21世纪初我国已经成为建筑幕墙世界第一生产大国和使用大国。
　　从 2012年起，我国建筑幕墙生产量已达10000万㎡，占全世界建筑幕墙总产量的85%。
　　我国现存建筑幕墙总量超过10亿㎡，其中玻璃幕墙的数量超过5亿㎡。这5亿㎡ 的玻璃幕墙中，有相当大的一部分用于超高层建筑。
　　3. 玻璃是超高层建筑不可代替的墙体材料
　　玻璃同时具备四大特点
　　玻璃门窗用于建筑的历史非常久远，甚至于难以考据。玻璃幕墙的应用，则开始于1951年建成的纽约利华大厦，此后迅速成为高层建筑，特别是超高层建筑首选的墙体材料。
　　玻璃作为建筑材料，同时具备四大特点：透明、高强、轻质、耐久。而其他墙体材料，都不能同时具备这些特点(表3)。

　　玻璃的透明性
　　玻璃是透明材料。普通浮法玻璃的可见光透过率为80%。超白玻璃是降低了玻璃中的铁元素，更加晶莹透亮，可见光透过率提升到85%以上。
　　聚碳酸酯板(PVC板)的透光率可达75%~80%。
　　薄膜材料(如ETFE)只能透过漫射光，透光不透明。
　　玻璃是高强轻质材料
　　玻璃是脆性材料，但具有很高的抗拉强度。在常用墙体材料中，其抗拉强度仅次于钢材，远高于其他材料(表4)。

　　玻璃板的抗弯强度很高，特别是钢化玻璃板。因此玻璃幕墙的玻璃面板很薄，通常为6mm~10mm。即使采用中空玻璃或夹胶中空玻璃，面板由2层或3层玻璃组成，单位面积的重量也不过是 0.3 KN/㎡ ~ 0.7KN/㎡，远小于混凝土墙体的 3.5KN/㎡ ~ 5.0KN/㎡。
　　玻璃幕墙的重量大概相当于砖墙、混凝土墙的1/8 ~ 1/5，玻璃幕墙的轻质，使得它成为高层建筑和超高层建筑墙体材料的首选。
　　金属板(不锈钢板、铝板)虽然也符合轻质墙体的要求，但是金属板不透明，不具备通透、晶莹、飘逸的质感，因而在超高层建筑中不受建筑师的青睐，很少使用。
　　没有玻璃幕墙，就没有500m以上的超高摩天大楼
　　由于重量太大，强度较低，石材幕墙很少会在400m以上的建筑中采用。同样，400m以上的超高层建筑，由于建筑艺术功能要求的因素，建筑师也不会选择采用金属板材。到了500m以上,几乎清一色玻璃幕墙。可以说，没有玻璃幕墙，就没有500m以上的超高摩天大楼。
　　采用玻璃幕墙，外墙的重量大约为建筑物总重量的1/100。这为建筑物高度的向上延伸创造了必要的条件。例如，上海环球金融中心，高度495m，建筑物总重量约为80万t，玻璃幕墙的重量为5000t，只占建筑物总重量的1/160，如果换成传统材料的外墙，墙的重量将增大至8倍，连带梁、柱、基础结构都要增大，建筑物总重量将增加10万t以上。不仅建筑造价增高，而且基础和桩的设计施工都带来更多的困难。
　　上海中心总重量76 万t，玻璃幕墙重量为总重量的1/100。
　　目前已建成的世界最高建筑是迪拜哈利法塔，828m;正在施工的最高建筑为沙特王国塔，1007m;国内已建成最高建筑是上海中心，632m;国内正在施工最高的建筑是武汉绿地，636m;正基础施工的最高建筑是苏州中南中心，729m。这些最高建筑无一例外，全部采用玻璃幕墙。
　　4. 超白玻璃的应用
　　4.1采用超白玻璃是减少自爆的有效途径
　　钢化玻璃存在自爆的可能性，超高层建筑玻璃自爆会带来很大的风险，而且建筑物很高，自爆后更换玻璃极其困难。因此必须采取有效措施降低超高层建筑采用钢化玻璃的自爆率。
　　减少自爆发生的途径可以有:
　　(1) 采用半钢化玻璃，半钢化玻璃比钢化玻璃表面应力较低，基本上不会发生自爆;
　　(2) 采用钢化超白玻璃，超白玻璃所含杂质少，自爆很少发生。
　　减低自爆概率，又符合目前相关规定的最有效的途径还是采用钢化超白玻璃
　　超白玻璃，即低铁玻璃。为了超白，减低绿颜色，就得采用降铁工艺。降铁的同时，镍也降了下去。这样一来，硫化镍的杂质也大大减少，钢化以后，自爆率大大降低。超白玻璃钢化后的自爆率可降低到万分之一，甚至更低。
　　自爆后更换玻璃代价太高昂。虽然超白玻璃要比普通玻璃价格高一些(大概30%~50%)，但是折合到幕墙上，每平米也就贵百十来块钱。不爆玻璃比什么都好。
　　玻璃一旦破裂，虽然玻璃只值几百几千元，但在几百米高空换玻璃，可能要花几十万元。特别是现在兴建大量海外工程，万里之遥去换一块玻璃，实在是难以办到的。
　　4.2 钢化超白玻璃在高层建筑中的应用
　　世界最高建筑—迪拜哈里法塔，高度为828m，采用夹层中空超白玻璃，10 万㎡玻璃幕墙的超白玻璃由中国供应(图1)。
　　现在国外许多高层建筑的超白玻璃都是中国供应的(图2)。

　　5. 离子性中间膜夹层玻璃
　　5. 1 常规的PVB 夹层玻璃
　　目前，玻璃幕墙夹层玻璃广泛采用的中间膜是聚乙烯醇缩丁醛，简称 PVB 。PVB使用已经有多年历史，也为幕墙行业普遍熟悉。但是，这种夹胶膜最初是为汽车玻璃而开发的，不是针对建筑幕墙开发的，所以它富于弹性，比较柔软，剪切模量小，两块玻璃间受力后会有显著的相对滑移，承载力较小，弯曲变形较大。PVB夹层玻璃可以用于一般玻璃幕墙，不适宜用于有高性能要求的玻璃幕墙。
　　同时，PVB夹层玻璃的外露边容易受潮开胶，PVB胶膜夹层玻璃使用时间长以后容易发黄变色，这些都是应该加以注意的。

　　5.2 离子性中间膜的特性
　　现在，能满足建筑幕墙夹层玻璃上述性能要求的夹胶膜 — 离子性中间膜已经开发出来，并批量生产，商品名称为 SGP 。这种夹胶膜具有许多优良的性能。
　　SGP 的剪切模量是 PVB 的50倍以上，撕裂强度比 PVB 高 5 倍。SGP 夹胶后，玻璃受力时两片玻璃之间的胶层基本上不会产生滑动，两片玻璃如同一片等厚度的单片玻璃整体工作。这样一来，承载力就是等厚度的 PVB 夹层玻璃承载力的2倍;同时，在相等荷载、相等厚度的情况下，SGP夹层玻璃的弯曲挠度只有 PVB 夹层玻璃的 1 / 4 。
　　由于承载力提高，挠度减小，玻璃厚度会相应减小。有可能减少玻璃的用量约40% ，相应也减轻了幕墙的自重。
　　SGP 间膜夹层玻璃整体性好，SGP夹胶膜的撕裂强度是PVB夹胶膜的5倍，即使玻璃万一破碎，SGP膜还可以粘结碎玻璃形成破坏后的一个临时结构，其弯曲变形小，还可以承受一定量的荷载而不会整片下坠。这就大大提高了玻璃的安全性(图4)。

　　5.3 SGP夹层玻璃在超高层建筑中的应用
　　超高层建筑要承受大的风力、地震力和温度变化的影响，要求玻璃面板有高的承载力和刚度，而且万一破损还要有一定的剩余承载力而不会坠落。SGP中间膜夹层玻璃可以很好地满足这些要求。
　　上海中心是目前在建最高的建筑，123层，632m高，共采用SGP夹层玻璃150000㎡。上海中心采用双层通风幕墙，外幕墙为单夹层玻璃，配置为 12mm超白+1.52 SGP+12mm超白(图5)。
　　广州塔是我国已经建成最高的建筑，高度为 600 m，全部56000㎡玻璃幕墙均采用SGP双夹层中空玻璃，配置为(8mm+1.52 SGP+8mm)+12A+(8mm+1.52 SGP+8mm)。三角形玻璃板块最大尺寸为1.5mX3.5m(图6)。

　　深圳京基大厦是深圳目前已建成的最高建筑，高度441m，其顶部为超大共享空间，整个超高拱形大厅由SGP夹层超白玻璃覆盖(图7)，非常通透。
　　目前国内高层建筑玻璃幕墙配置最高档的要数广州利通广场大厦，其高度为303m，63000㎡的玻璃幕墙为锯齿形，别具一格(图6)。玻璃面板为超白半钢化玻璃，SGP夹胶膜，组成为(8mm+1.52 SGP+8mm)+12A+8mm 。采用这样高档的配置主要是考虑：高承载力和安全性;通透洁白;锯齿形玻璃不用封边。
　　6. 超高摩天大楼的玻璃幕墙
　　6.1 迪拜哈利法塔
　　哈利法塔的高度为828m，是目前世界上最高的建筑幕墙。建筑幕墙总面积为13.5万㎡，其中塔楼部分为12万㎡。在塔楼幕墙中，玻璃10.5万㎡，不锈钢板1.5万㎡。采用单元式明框幕墙，共有23566个单元板块(图9 ~图15)。本工程由中国承建，玻璃、铝型材、五金件和密封胶均采用中国产品。
　　采用中空玻璃，16 mm空气层，两片超白玻。外片镀银灰反射膜;内片镀Low-E膜。两膜均朝空气层，可见光透射率 20%;综合热透射率 16%。
　　单元板块有 21 种主要板型，尺寸由1.3m*3.2 m到2.25m*8m。

　　6.2 深圳平安金融中心
　　深圳平安金融中心高度600m，玻璃幕墙高度590m(图16、图17)。明框，单元式。玻璃为超白、Low-E，中空，外片夹胶，内片钢化(图18)。

　　6.3 上海中心大厦
　　上海中心127层，高度632m，外形为螺旋上升的中国龙。玻璃幕墙由内幕墙和外幕墙组成(图19~图21)。

　　内幕墙与外幕墙之间形成12~15 层高的内庭，按防火要求，内幕墙必须为防火幕墙。内幕墙直接支承在楼面结构上，外幕墙每12层~15层为一组，通过水平钢管和竖向吊杆悬挂在上端外挑的楼面结构上(图22、图23)。

　　外幕墙采用超白半钢化SGP夹胶玻璃。12mm超白+1.52mmSGP+12mm超白。由于外幕墙有螺旋上升的造型，为复杂的双曲面，为此平面板块单元错缝锯齿形安装，拟合造型曲面(图24、图25)。

　　内幕墙为防火幕墙，采用(8mm超白+0.89mmSGP+8mm超白)+12A+8mm铯钾防火玻璃。支承结构均采用冷弯薄壁型钢，梁壁厚3mm，柱壁厚4mm。钢结构外包铝型材(图27~图29)。

　　6.4 武汉国际金融中心(绿地中心)
　　武汉国际金融中心，即武汉绿地中心，高度636m，125层。平面为圆角三叉形，竖向逐渐内收呈圆滑曲线(图30)。立面上开有喇叭形洞口，可以减少主体结构和幕墙所受的风力(图31)。
　　采用12mm半钢化玻璃，中空，Low-E，外夹层，内单片。

　　6.5 广州塔
　　广州塔高度600m，玻璃幕墙高度460m(图32、图33)。明框玻璃幕墙采用三角形单元板块，尺寸为1500mm X 3500mm。双夹层半钢化中空玻璃，(8mm+1.52mmSGP+8mm)+12mmA+(8mm+1.52mmSGP+8mm)(图34~图37)。

　　6.6 广州东塔(周大福中心)
　　广州东塔高度540m，玻璃幕墙，带竖向陶板装饰条(图38)。单元式板块。玻璃超白、夹层中空(图39~图44)。

　　6.7 天津高银117
　　天津高银117高度为592m，117层。32、63、94和115~116层为高层大堂，顶部设有钻石型玻璃顶(图45)。

　　幕墙总面积14.7万㎡，分为2万单元板块。标准层单元4.3m X 1.5m，1.4万单元板块;屋顶钻石幕墙板块约为 2m X 2m。玻璃配置为外玻璃PVB夹层，超白Low-E半钢化;12mm中空;内层玻璃钢化。
　　大面幕墙： (8mm+1.52PVB+8mm)+ 12A + 8mm
　　高空大堂： (8mm+1.52PVB+8mm)+ 12A + 12mm / 10mm
　　钻石幕墙： (10mm+1.52PVB+10mm)+ 12A +10mm (倒挂)
　　10mm + 12A +(10mm+1.52PVB+10mm) (正放)
　　典型大样和节点见图46。


　　6.8 中国尊
　　中国尊位于北京，是8度抗震设防世界最高的建筑，地上108层，高度528m(图48)。明框幕墙，玻璃配置为超白双银、钢化、外玻璃SGP夹胶、中空。

　　6.9 天津周大福
　　天津周大福高度530m，外形如同发射台上竖立的火箭(图49)。采用超白钢化、夹胶中空玻璃，明框幕墙。

　　7. 结 语
　　高度500m 以上的超高摩天大楼，外维护结构的选择就是采用玻璃幕墙。
　　超高玻璃幕墙的基本选择是：明框，单元式，双夹胶中空或外夹胶内钢化中空。夹胶的玻璃
　　可以考虑采用半钢化。优先采用超白玻璃，钢化玻璃应采用超白玻璃。
　　高度500m以上超高层摩天大楼的夹胶玻璃，其中间层胶片宜考虑采用离子型胶片SGP。以提高玻璃幕墙的安全性。
注:作者...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