高層建筑玻璃幕墻的新結(jié)構(gòu)和新系統(tǒng)

目前，高層建筑的幕墻高度向上延伸，承受更大的風(fēng)壓、地震力和溫度作用，因而采用多種多樣的面板材料和新的構(gòu)成形式；為適應(yīng)綠色低碳的要求，新的幕墻體系如雙層幕墻和光伏幕墻在超高層建筑中得到應(yīng)用。本文主要介紹一些新型高層建筑幕墻。

　　1高度400m以上的建筑全部采用玻璃幕墻

　　據(jù)筆者不完全統(tǒng)計(jì)，目前已立項(xiàng)、設(shè)計(jì)、在建和建成高度400m以上的超高層建筑的數(shù)量大約為：

　　這些工程，如同國內(nèi)外所有超過400米的建筑一樣，都采用玻璃幕墻作為外圍護(hù)結(jié)構(gòu)。玻璃是一種無可代替的建筑材料，它同時(shí)具備四大特點(diǎn)：透光，高強(qiáng)，輕質(zhì)，耐久。而其他常用建筑材料并不同時(shí)具有這些特點(diǎn)，這就決定了超高層建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)必須采用玻璃。玻璃透明，玻璃幕墻可以滿足建筑采光和建筑藝術(shù)的要求；玻璃的抗壓強(qiáng)度可達(dá)300N/mm2，抗拉強(qiáng)度可達(dá)150N/mm2，除鋼材外，其他建筑材料難以相比；玻璃幾乎不受大氣的腐蝕，無須任何防腐措施。更為可貴的是幕墻玻璃的厚度很小，超高層建筑中所用的玻璃通常單片厚度不超過10mm，中空玻璃兩片總厚度不超過20mm，雙夾膠中空玻璃的總厚度不超過40mm。這樣一來，幕墻結(jié)構(gòu)包括玻璃和金屬支承結(jié)構(gòu)的總重量約為35kg/m2~120kg/m2，遠(yuǎn)小于普通填充墻的重量。超高層建筑玻璃幕墻的重量，通常只占建筑總重量的1/100~1/120。上海環(huán)球金融中心（高度495m）的總重量為80萬t，玻璃幕墻重量為5000t，占1/160。如改為其他更重的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)，就會使得墻、梁、柱、樁截面隨之加大，不僅重量將增加10萬t以上，地基設(shè)計(jì)施工更為困難。

　　目前正在設(shè)計(jì)的沙特王國大廈（高度1600m），玻璃幕墻的重量為建筑總重量的1/100�？梢哉f如果不采用玻璃幕墻，這樣的超高層建筑是難以實(shí)現(xiàn)的。

　　2幕墻新結(jié)構(gòu)

　　2.1網(wǎng)格體系

　　通常高層建筑幕墻的支承結(jié)構(gòu)采用正交梁柱金屬框架系統(tǒng)。隨著建筑功能和建筑藝術(shù)要求的多樣化，新的結(jié)構(gòu)形式得到更多的應(yīng)用。三向斜交網(wǎng)格系統(tǒng)應(yīng)用相當(dāng)廣泛。六邊形是可以填滿平面的幾何圖形之一，因此六邊形網(wǎng)格鋼結(jié)構(gòu)也常用于幕墻。

　　2.2剛架體系

　　由鋼筋混凝土或鋼構(gòu)件剛性連接成為平面剛架或空間剛架可作為幕墻的支承結(jié)構(gòu)體系。

　　2.3索網(wǎng)結(jié)構(gòu)

　　索網(wǎng)結(jié)構(gòu)是有預(yù)拉力的拉索體系，對玻璃幕墻遮擋最小，深受建筑師歡迎。索網(wǎng)的拉力要作用在主體結(jié)構(gòu)上，主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)預(yù)加考慮。索網(wǎng)在大撓度下工作，通�？刂茡隙葹榭缍鹊�1/40~1/60。北京新保利大廈高度160m，索網(wǎng)晶面形，90mX70m，是目前世界最大的單片索網(wǎng)玻璃幕墻，兩根主索由150根15.2mm的鋼絞線組成，拉力達(dá)39000kN。

　　3各種面板材料廣泛應(yīng)用

　　由于玻璃同時(shí)具有透光性、高強(qiáng)度、重量輕、耐久性這四大特點(diǎn)，別的建筑材料無可代替。因此400m以上超高層建筑幕墻的面板采用玻璃，這種趨勢短期內(nèi)不會改變，但同時(shí)金屬板也得到局部應(yīng)用，以滿足不同建筑風(fēng)格和建筑藝術(shù)的要求。400m以下的高層建筑，除大量采用玻璃幕墻外，金屬和石材幕墻也得到較多應(yīng)用。金屬板也是常用的材料之一。吉隆坡石油雙塔高480m，幕墻中造型復(fù)雜的非透光部分采用了容易天津鋼鐵大廈的鋼板幕墻充分反映了鋼鐵材料的特色，不同規(guī)格的六邊形窗孔在墻面上自然形成明暗相間的條紋。幕墻鋼板與外圍主體結(jié)構(gòu)合二為一，整個(gè)外墻既是承重，又作圍護(hù)。不銹鋼板在超高層建筑中常常非常規(guī)使用。1930年紐約洛克菲勒大廈建成，花崗巖幕墻一舉突破300m的高度。此后陸續(xù)建成了大量300m以上的石材幕墻工程，1931年建成的紐約帝國大廈石材幕墻高達(dá)381m，穩(wěn)居世界最高已經(jīng)80年�？仆�特ALHAMBRO大廈，主要為玻璃幕墻，兩側(cè)采用石灰石幕墻，高達(dá)412m。突破了帝國大廈381m石材幕墻高度的記錄。歷次地震，尤其是2008年汶川大地震表明，按照規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工的石材幕墻都經(jīng)受了地震的考驗(yàn)，抗震性能良好。日本橫濱的里程碑大廈（298m）和東京市政廳（260m）曾經(jīng)歷1995年阪神大地震，2011年3月11日又經(jīng)受東日本大地震，但其花崗巖復(fù)合幕墻無任何震害。我國臺灣高雄東帝士大廈378m，采用花崗巖幕墻，也經(jīng)歷了1999年9月21日大地震的考驗(yàn)。我國內(nèi)地目前最高的花崗巖幕墻是廣州廣晟大廈，建筑高度313m，石材幕墻高度280m，采用鋁合金梁柱（圖22），其次是260m高的廣州銀行大廈，采用焊接鋼結(jié)構(gòu)支承（圖23）。廣西北海北部灣一號工程的石材幕墻模擬廣西的山水，輪廓起伏，帶有溶洞。酒店幕墻最高達(dá)200m。迪拜帆船酒店高達(dá)321米，采用張拉膜作為外幕墻，半透明的外圍護(hù)材料使室內(nèi)光線柔和、

　　4雙層通風(fēng)幕墻和光伏幕墻

　　雙層通風(fēng)幕墻在超高層建筑中已得到應(yīng)用。632m高的上海中心采用了間距很大的兩道玻璃幕墻，外幕墻由鋼管吊桿懸掛在水平鋼結(jié)構(gòu)上。日本名古屋站前大廈為螺旋形外玻璃幕墻，采用內(nèi)循環(huán)通風(fēng)系統(tǒng)。

　　廣州珠江城高度303米，同時(shí)具有雙層通風(fēng)幕墻、光伏采光頂、光伏遮陽板和風(fēng)力發(fā)電裝置，是一座典型的綠色建筑。幕墻立面分為三段，各段之間的空間安裝了兩組軸流式風(fēng)力發(fā)電機(jī)。內(nèi)外幕墻之間的空間為內(nèi)循環(huán)的熱通道，空氣由架空地板抽出，經(jīng)過熱通道進(jìn)入吊頂內(nèi)的回風(fēng)管，再返回架空地板，如此循環(huán)不已，大大改善室內(nèi)的工作環(huán)境。珠江城山墻各層水平遮陽板均為光伏玻璃，頂部拱形部分也安裝了光伏組件。

　　廣州塔玻璃幕墻最高部分（440米~450米）為光伏幕墻，這是目前世界最高的光伏幕墻。由于光伏組件360度布置，且幕墻位于鋼立柱之內(nèi)，遮擋較多，為適應(yīng)弱光下的發(fā)電要求，采用了薄膜發(fā)電組件。

　　目前中東采用光伏幕墻最高的建筑是阿聯(lián)酋阿布扎比CMA塔樓，76層，385m，在塔樓屋面和朝陽墻面上安裝了光伏組件，年發(fā)電量達(dá)30萬kWh。

　　5小結(jié)

　　經(jīng)過三十年的高速發(fā)展，我國已經(jīng)成為世界上幕墻產(chǎn)量最大的幕墻大國。目前正努力提高技術(shù)水平，加強(qiáng)自主創(chuàng)新能力，推廣新技術(shù)應(yīng)用，力爭由幕墻大國發(fā)展成為幕墻強(qiáng)國�，F(xiàn)在，高層建筑的幕墻各種新技術(shù)，我國都已經(jīng)占有一席之地，在工程中得到廣泛應(yīng)用并且技術(shù)水平正在快速提高�？偨Y(jié)`已有的經(jīng)驗(yàn)，上升到規(guī)范的內(nèi)容，將對今后我國幕墻技術(shù)的發(fā)展起推動(dòng)作用。