建筑幕墻在我國的應用及存在的問題

陳華晉

（上海市節能減排中心有限公司，上海 200001）

建筑幕墻是當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點而在世界眾多國家被廣泛推廣并取得了突飛猛進的發展[1-3]。以鋁合金玻璃幕墻為起點，已擴展到鋁面板、鋁塑復合板、石板和全玻璃結構以及上述幾種幕墻混合運用的多種形式的建筑幕墻，在技術和工藝上也日趨完善和成熟[4]。現代建筑幕墻已經將建筑美學、建筑功能、建筑結構和節能、環保等因素有機結合起來，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，給人們以動態的美感，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成為我們這個時代最流行的建筑語言之一。

1 廣泛應用的建筑幕墻

過去的建筑空間，由于受到建造結構技術和材料的限制，幾乎是完全隔絕于外部自然環境的。人們生活在昏暗的室內環境中，只有通過小而深的窗洞內透過的一絲光亮來感受外界的春夏秋冬、陰晴雨雪。人類社會發展到現代，鋼鐵和鋼筋混凝土的結構技術及生產的工業化，使支撐結構縮減為纖細的骨架，從而為實現開放界面提供了現實條件。由于屋內外的墻體界面不再起靜力學的承重作用，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，采光屋面、大面積玻璃幕墻、可以自由開啟的天棚等結構的實現，更使室內空間各方面的界面開放成為可能，傳統的靜態空間布局過渡到了靈活、開放、可變的現代建筑的流動空間布局。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揮和最大程度的實現。

1.1 高層建筑

坐落在上海陸家嘴的金茂大廈一度是國內建筑幕墻在高層建筑領域應用的典范，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密檐寶塔的造型特點，逐層遞進，階梯狀向上聚合，在挺拔剛勁的外輪廓線中附以優雅曲線，以高科技材料和工藝造就了蘊含民族意味的現代化大樓。該結構在設計施工中采用了大量的國際先進的技術和材料，石幕墻的設計施工就是其中之一。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生產，整個金茂大廈裙房幕墻工程總面積為20200m2。

1.2 公共建筑

在我國建設迅猛的階段，以玻璃造型的公共建筑也出現在眾多大中小城市，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誼大廈，為鍍膜玻璃明框架幕墻。北京亞運體育館是國內第一座全部采用國產鋁合金框架、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的上海大劇院建成于1998年，總建筑面積達6.2萬平方米、高38米。劇場主體是一個大玻璃方盒子，反向圓弧形屋頂由6個電梯井筒體頂托在盒子之上，屋頂利用凹形空間設露天音樂廳，露天音樂廳上設可移動玻璃蓬蓋，必要時可用玻璃篷蓋遮風擋雨。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95%，可以反射30%的紫外線，減少了光污染和暖房效應。

上海科技城的幕墻工程也是其中的一個典范。項目占地近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、兩側外墻玻璃和石材幕墻等幾部分組成。科技城中央大堂的卵型大球體是一個三軸長度分別為68m、50m和42m的空間橢球體，全部由空間鋁鈦合金網殼結構和通透大玻璃構成，形成一個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構，使加工、安裝精度高，施工速度快；鋁板幕墻采用結構式防水，干法式施工結構，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構無法固定幕墻的受力桿件，且玻璃分格很大，為解決鋼結構施工誤差大的問題，采用鋼鋁結合式結構，將鋁框與鋼框之間設計成螺接方式，通過鋸齒形鋁型材斷面將鋁框進行多方位的調整固定，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結構是再合適不過的了。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 幕墻工程中的技術問題

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

目前，我國建筑幕墻產品已經實現了從金屬框格—平板玻璃的單一平面結構玻璃幕墻（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、復合飾面材料幕墻及采光玻璃屋面等多品種結構體系的過渡；實現了平面結構體系向平面組合單元結構體系和三維結構體系的過渡；實現了從鋁合金單一金屬結構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構體系的過渡。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結構使用功能、建筑物理性能以及建筑外墻裝飾效果的需要。但不可否認，我國的幕墻工程尚存在著很多技術問題。

2.1 防災問題[5]

從幕墻建筑開始應用以來，世界各地都有玻璃幕墻受災的慘痛記錄。其中，較嚴重的災害是震災、火災、雷災，其次是風災、水災等。

玻璃幕墻在建筑物立面的應用，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，并且在屋頂部位設有金屬壓頂板。這些大量的鋁合金構件，雖然表面有不導電的陽極氧化膜，但是由于較薄，抵擋不住直擊雷或側擊雷的雷擊。一旦遭到雷擊，將會使氧化膜擊穿，就又可能引起火災。另外玻璃的聚焦性強、耐火性差，玻璃幕墻又容易因為幕墻和樓板之間的縫隙而產生煙囪效應，這些因素導致火災成為幕墻受災的最主要災情之一。針對玻璃幕墻火災和玻璃幕墻的特點，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：幕墻金屬框架系統應與主體防雷體系可靠連接，形成閉合網狀環路，并經檢測接地導通；進行豎向防火分隔：在每層樓板外沿設置耐火極限不低于1h，高度不低于0.8m的不燃燒實體裙墻；幕墻與樓板、隔墻處的間隙采用不燃燒材料嚴密填實，以阻止和控制火災垂直方向的蔓延；完善救災措施：在建筑內設置排煙系統和自動噴淋系統，提高消防滅火救援裝備的先進性。

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，當直射日光和天空光照射到玻璃表面上時由于玻璃的鏡面反射（即正反射）而產生的反射眩光，因此在設計中應選用具有減少眩光性能的玻璃。通過新型玻璃材料的研究、開發和使用，或對現有玻璃加以處理能夠有效控制有害反射光，同時又不增加室內的熱效應（即節能效果更佳），這是一種最為簡捷有效的解決光反射問題的構造技術方法。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 節能問題[7-8]

建筑幕墻特別是玻璃幕墻是建筑圍護結構中熱交換最活躍、最敏感的部位，因此節能技術也一直伴隨幕墻發展的始終。現階段提高幕墻保溫性能的主要措施是降低結構傳熱系數（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、消除結構體系“熱橋”、減少開啟窗扇面積、提高其密封性等，尚停留在消極設防的設計思想階段。未來幕墻的設計應該是主動的，積極的，由被動設防調節冷熱變主動利用能源。主要的幾個發展方向是通風式幕墻、智能幕墻以及光電幕墻。

通風式幕墻（也被稱為呼吸幕墻、雙層幕墻、熱通道換氣幕墻）是一個節能幕墻的典型范例，它是利用熱空氣的煙囪效應自然地將熱緩沖層的熱空氣排到室外，并可根據需要在熱通道內設置可調控的鋁合金百葉窗簾或者電動卷簾，有效地調節陽光的照射，從而達到良好的隔熱節能效果。法蘭克福商業銀行總部大廈，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，可適時調節百葉的角度，以最佳狀態達到節能的目的。通風式幕墻的最大特點是有通風換氣、環保、節能的功能，比傳統幕墻節能可達30%以上。

智能幕墻則是通風式幕墻的延伸。它將玻璃幕墻飾面材料的光敏、熱敏特性與室內供熱、制冷系統形成計算機自控網絡，達到幕墻熱工效應智能化，幕墻結構體系和太陽能利用體系的結合一體化。智能幕墻廣義上包括玻璃幕墻、通風系統、遮陽系統、空調系統、環境監測系統、智能化控制系統等。智能幕墻是一個跨行業、多學科、高技術的新產品，是一種比較理想的玻璃幕墻。

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

圖1 德國的光電幕墻

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

2.4 防滲問題[9]

幕墻應具備防空氣滲漏、防雨水滲漏等功能。背栓式石材幕墻防水設計運用雨幕原理進行防雨水滲漏。新的單元組合式幕墻的防水設計，采用了等壓系統，將內層和外層之間的空間設計成相同的壓力，在等壓的情況下，水比空氣重，靠重力水自動排出。同時在石材幕墻框格型材上應設通暢的排水孔道系統，并設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計上采用開放式鋁板幕墻體系。開放式鋁板幕墻的設計原理是將鋁板的固定形式改為開放式，取消傳統安裝方式中的固定螺釘，用鋁板掛件來代替；同時將原來的鋁板表面硅膠的密封形式，改為鋁板內層增加防水層的方式。這種鋁板幕墻主要由鋼結構龍骨，內層板（包括保溫面），鋁板掛件和外層鋁板這四部分組成。

2.5 結構分析和設計問題[10-12]

目前我國高層鋼結構和大跨鋼結構體系增加明顯，與之相適應的幕墻結構體系發展潛力很大。而幕墻設計最主要的部分就是支承體系的設計，支承鋼結構通常用得最多的平面支承系統有單根構件、桁架及空腹桁架、拉索和拉桿系統以及自平衡系統等；空間支承結構常用空間桁架，網架和網殼，索網體系等。

1997年國內開始出現點支式玻璃幕墻，如汕頭科技館、上海兆豐大廈、上海大劇院等，是當前幕墻領域內應用較多一種幕墻體系，它綜合運用了建筑學、結構力學、材料學、美學、光學等多種學科的知識、使玻璃的應用得到充分發揮，人們可以透過玻璃清楚地看到支撐玻璃的整個結構系統，使這種結構系統從單純的支撐作用轉向為充分表現其可觀性，從而達到整體通透.簡潔明快的效果。圖2為某雙層點式玻璃采光頂，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，主體結構為鋼管結構+拉桿支撐系統。點式玻璃幕墻建筑體系需解決的結構理論問題：帶孔玻璃承載性能的計算分析與設計，要考慮支承點采用的連接方式對連接孔的應力集中的影響；金屬連接件承載性能的計算分析與設計，要求能采用有限元法對實際模型進行材料非線性分析，從而使連接件設計更經濟更輕巧；輕型化和柔性化的支撐結構的研究，由于柔性結構會產生較大的彈性變形，在工作狀態下呈非線性，不但對結構的變形適應儲力提出了新的要求，傳統的線彈性分析理論也難以滿足結構分析的需求。

圖2 雙層點式玻璃采光頂

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

國內從一開始摸著石頭過河，借鑒國外先進理論，形成企業標準，到2001年《點支式玻璃幕墻工程技術規程》CECS127：2001的出臺，使點支式玻璃幕墻的材料應用、設計、制作和安裝有章可循，提供了非常有利的理論支持。不過按規范提供的小撓度理論公式計算出的玻璃應力和撓度實際并非準確值，偏于保守。但由于實際工程中某些不利因素尚未加以考慮，因而計算結果仍是可以接受的。

另外，還有一些其他設計和分析問題如對風荷載的取值問題、地震作用問題、結構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計問題等還有待于人們去研究和探討。

3 方興未艾的建筑幕墻

建筑幕墻在我國的發展有近20年的歷史，接下來的十年中，傳統結構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合幕墻和采光屋面的增長速度將加快。各種新型的生態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、空調玻璃、全息玻璃、調溫玻璃、調光玻璃、天線玻璃、生態玻璃、泡沫玻璃、信息玻璃等等）將紛紛問世，彩鋼幕墻、陶瓷幕墻將各領風騷。基于仿真材料技術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、仿真復合材料，前景十分看好。

據預測，今后十年建筑幕墻業將在幕墻材料、結構技術、抗災技術、節能技術、測試技術、仿真技術、膠接技術、加工技術、施工技術、成套技術等十個領域不斷創新，加速發展。建筑幕墻工程將更具有時代特征，并向個性化發展。節能型、智能型、仿真型、生態型幕墻將會出現并逐步增長。幕墻產品將更加多元化、多層次。一個充滿生機的方興未艾的建筑幕墻時代正向我們走來。

[1]張芹.新世紀我國建筑幕墻發展戰略[J].鋁門窗幕墻，2005，（3）:21-23.

[2]鄭金峰.應客觀認識玻璃幕墻的作用、優勢和發展[J].鋁門窗幕墻，2005，（10）:10.

[3]班廣生.建筑幕墻技術發展探討[J].新型建筑材料，2005，（3）:60-63.

[4]彭政國.鋁門窗與玻璃幕墻現狀與發展[J].中國建材科技，2000，（4）:17-19.

[5]韋卓運.玻璃幕墻安裝的防雷要求安裝[M].2005，（11）:31-32.

[6]謝浩，劉曉帆.玻璃幕墻的“光污染”問題及對策[M].房材與應用，2004，（6）:17-22.

[7]建筑節能引發玻璃幕墻變革[J].建筑裝飾材料世界，2005，（4）.

[8]鄭金峰.公共建筑節能設計標準與玻璃幕墻[J].建設科技，2005:37-38.

[9]關榮立.雙固定雙防滲漏的雙雙保險全隱玻璃幕墻的設計與施工[J].廣東建材，2000，（8）:25-26.

[10]童麗萍.高層建筑玻璃幕墻的結構分析[J].西安建筑科技大學學報，2000，（6）32:119-122.

[11]童麗萍，王廣國.高層建筑中空玻璃幕墻的結構分析[J].應用力學學報，18:134-138.

[12]王元清，孫芬，石永久等.北京土城電話局點支式玻璃幕墻柔性支承體系的設計分析[J].工業建筑，2005，35，（2）:29-39.