超高層建筑幕墻疑難問題解惑

　　一、概述：

　　未來建筑正朝著個(gè)性化、集成化和智能化的方向發(fā)展，建筑形態(tài)也越來越藝術(shù)化、多元化，造型日趨復(fù)雜，也不斷創(chuàng)造新的高度。如下工程均為近年來完成的超高層建筑(詞條“超高層建筑”由行業(yè)大百科提供)典范。

　　根據(jù)《民用建筑設(shè)計(jì)通則》GB50352—2005規(guī)定：建筑高度超過100m時(shí)，不論住宅及公共建筑均為超高層建筑。而按照國(guó)際慣例，超過150m的建筑為超高層(詞條“超高層”由行業(yè)大百科提供)建筑，顧本文重點(diǎn)討論150m以上的超高層建筑。

　　超高層建筑的顯著特點(diǎn)是高度超高、特超高。高度本身就是一種標(biāo)志、一種形象、一種特殊的意義。超高層建筑除了太陽的光照和輻射沒有變化之外，所有的建筑環(huán)境參數(shù)都有變化，因而必須針對(duì)外圍護(hù)“高”帶來的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)以及建筑自身參數(shù)的相關(guān)變化來進(jìn)行設(shè)計(jì)。在安全、防災(zāi)、質(zhì)量方面要針對(duì)性地考慮。

　　超高層建筑主要結(jié)構(gòu)形式：超高層建筑多設(shè)計(jì)為框架核心筒結(jié)構(gòu)，內(nèi)筒為鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)+外筒巨柱，巨柱與核心筒之間鋼梁連接或者鋼筋混凝土梁連接，樓板為組合樓板或者普通的鋼筋混凝土樓板。

　　超高層建筑一般選用幕墻裝飾，富于變化，工程量大，技術(shù)含量高、精度(詞條“精度”由行業(yè)大百科提供)要求高。超高層建筑的幕墻工程的安全性功能尤其重要，抗風(fēng)壓，風(fēng)、水、氣的密閉性等使用功能要求高。請(qǐng)?jiān)斠娨韵聝?nèi)容。

　　二、超高層建筑幕墻設(shè)計(jì)中的疑難問題解惑

　　目前超高層建筑幕墻工程，基本上都屬于地標(biāo)建筑及高端幕墻，在要求方面會(huì)非常的嚴(yán)格，甚至苛刻，所以在設(shè)計(jì)的初始階段，需要全面掌握及了解目標(biāo)工程的主要指標(biāo)，對(duì)設(shè)計(jì)中會(huì)出現(xiàn)的疑難問題進(jìn)行分析，尤其是幕墻的使用功能要求，應(yīng)編制《某超高層幕墻工程技術(shù)條件》作為設(shè)計(jì)依據(jù)，提高效率，避免漏項(xiàng)。本文將圍繞設(shè)計(jì)依據(jù)對(duì)實(shí)現(xiàn)各功能要求的難點(diǎn)與解惑分析如下。

　　1、超高建筑主體結(jié)構(gòu)變形及板塊間縫隙設(shè)計(jì)

　　1.1 超高層建筑主體結(jié)構(gòu)變形與幕墻自身變形

　　從施工開始到建筑物使用壽命期結(jié)束,建筑結(jié)構(gòu)的變形始終影響著建筑的效果和使用功能。幕墻作為建筑的外皮，受主體結(jié)構(gòu)的變化影響大，從而波及建筑幕墻的實(shí)用功能甚至是安全性。超高層建筑的結(jié)構(gòu)變形主要有下幾部分構(gòu)成：框架核心筒的剪切(詞條“剪切”由行業(yè)大百科提供)和彎曲變形以及混凝土收縮變形等形式。主要有以下幾部分構(gòu)成：

　　如左圖所示，變形均隨著建筑高度的增高而變形增加。因?yàn)楦叨鹊脑黾油瑫r(shí)建筑的自重也隨之增加，剛度下降，從而增加了側(cè)向的變形。

　　除此之外，建筑結(jié)構(gòu)本身構(gòu)造如鋼結(jié)構(gòu)的溫度變形、混凝土的收縮變形、框架結(jié)構(gòu)(詞條“框架結(jié)構(gòu)”由行業(yè)大百科提供)的剪切變形和彎曲變形等均會(huì)對(duì)整個(gè)建筑產(chǎn)生不利的影響。這些變形均會(huì)對(duì)外幕墻的構(gòu)造、功能產(chǎn)生不利影響。除了受建筑主體結(jié)構(gòu)變化的影響外，幕墻本身的各種材料受熱變形系數(shù)不同和幕墻構(gòu)件的加工誤差也會(huì)造成幕墻功能下降以致影響安全。

　　1.2 超高層建筑幕墻抵消結(jié)構(gòu)變形和吸收為變形采取的措施

　　1.2.1 做好設(shè)計(jì)前的準(zhǔn)備工作

　　在幕墻設(shè)計(jì)工作開始前，幕墻設(shè)計(jì)者需要與建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師溝通，整理好建筑結(jié)構(gòu)相關(guān)信息及設(shè)計(jì)參數(shù)。如因混凝土收縮和蠕變?cè)斐芍�子縮短值，經(jīng)實(shí)踐表明一般0.5-2mm毫米。

　　1.2.2 選擇合理的幕墻結(jié)構(gòu)

　　根據(jù)結(jié)構(gòu)師提供的參數(shù)，選擇合理的幕墻系統(tǒng)進(jìn)行深化設(shè)計(jì)可有效地吸收結(jié)構(gòu)變形和誤差。超高層建筑多選用單元式幕墻(詞條“單元式幕墻”由行業(yè)大百科提供)，將整個(gè)建筑外皮劃分成若干個(gè)小板塊，橫向分格以建筑效果為參考，豎向風(fēng)格以層間高為單位，這樣每個(gè)單元板塊的上、下、左、右均可設(shè)計(jì)構(gòu)造有足夠的間隙，來吸收變形和誤差。以上海中心工程為例，經(jīng)過各種方案的對(duì)比后，將分體掛式單元優(yōu)化成整體單元。

　　1.2.2 幕墻自身系統(tǒng)構(gòu)造吸收變形

　　幕墻設(shè)計(jì)過程中，通過單元幕墻公母框的插接設(shè)計(jì)，能夠很好的吸收建筑平面內(nèi)和平面外變形。

　　單元板塊間的插接變位量的確定應(yīng)考慮建筑主體結(jié)構(gòu)的變位量、環(huán)境溫度變化引起的溫差變形、自重變形、地震影響及生產(chǎn)加工、組裝誤差、安裝的精度偏差等多方面因素的影響。幕墻設(shè)計(jì)時(shí)確定的板塊間插接預(yù)留尺寸應(yīng)大于單元板塊間的插接變位量至少1mm，并取整數(shù)。

　　橫框插接量限制尺寸設(shè)計(jì) H1~H5尺寸均應(yīng)大于或等于H。其中，H1、H2、H4為預(yù)留的單元變位空間，避免上下兩單元因變位而相互擠壓變形破壞;H3、H5為單元插接量，保證單元在產(chǎn)生變位時(shí)不會(huì)相互脫離，破壞插接。位而相互擠壓變形破壞;H3、H5為單元插接量，保證單元在產(chǎn)生變位時(shí)不會(huì)相互脫離，破壞插接。

　　豎框插接量包括上述各種變形因素，但由于單元板塊的橫向變位較豎向輕微，一般取H≥10mm。H1~H4尺寸均應(yīng)大于或等于H。其中，H2、H4為預(yù)留的單元變位空間，避免左右兩單元因變位而相互擠壓變形破壞;H1、H3為單元插接量，保證單元在產(chǎn)生變位時(shí)不會(huì)相互脫離，破壞插接。

　　單元體幕墻在安裝過程中，單元一側(cè)掛件與轉(zhuǎn)接件固定，另一側(cè)的豎框底部用插芯或者連接件做側(cè)向約束，這樣，發(fā)生形變的時(shí)候單元體通過框材變成平行四邊形來吸收變形。如上圖所示。

　　另外，因樓體在風(fēng)荷載和地震荷載作用下產(chǎn)生擺動(dòng)，每個(gè)區(qū)最下端幕墻開口部位將產(chǎn)生+80/-180mm的位移，幕墻通過滑移滾軸的機(jī)械裝置來吸收 。

　　1.2.3 參數(shù)化設(shè)計(jì)

　　應(yīng)用BIM技術(shù)，通過數(shù)字信息仿真模擬建筑物所具有的真實(shí)信息，再將建筑的真實(shí)信息傳遞到構(gòu)件的生產(chǎn)加工當(dāng)中。使整個(gè)設(shè)計(jì)、加工、安裝的過程變成一個(gè)不斷發(fā)現(xiàn)問題解決問題的優(yōu)化過程，這樣碰撞檢查所反映出來的誤差問題可提前得到解決，避免了幕墻加工完成后因誤差致使無法安裝或者無法滿足使用功能要求的現(xiàn)象發(fā)生。

　　1.3 構(gòu)造縫的設(shè)計(jì)要求

　　建筑結(jié)構(gòu)的施工縫分為沉降變形縫和地震縫兩種，他們的區(qū)別是前者基礎(chǔ)可以不分開，而地震縫必須貫穿整個(gè)建筑，基礎(chǔ)與主體的地震縫必須是一體的。對(duì)于超高層建筑由于變形大，施工縫的要求更加嚴(yán)格。無論是哪一種施工縫，幕墻均可以通過構(gòu)造節(jié)點(diǎn)滿足與主體同步的要求。

　　2、抗風(fēng)荷載設(shè)計(jì)

　　2.1超高層建筑的風(fēng)荷載及其危害

　　風(fēng)荷載也稱風(fēng)的動(dòng)壓力，是空氣流動(dòng)對(duì)工程結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的壓力。風(fēng)荷載與基本風(fēng)壓、地形、地面粗糙度、距離地面高度，及建筑體型等諸因素有關(guān)，如右圖所示。

　　作為維護(hù)結(jié)構(gòu)的外皮在抗風(fēng)跟抗震上的不同主要體現(xiàn)在收到風(fēng)荷載作用后，結(jié)構(gòu)還能夠彈性恢復(fù)。既在風(fēng)荷載作用下不發(fā)生永久變形，而在地震作用下，整個(gè)建筑物可能會(huì)發(fā)生局部及整體破壞。

　　超高層建筑所處的風(fēng)環(huán)境相對(duì)復(fù)雜，風(fēng)壓分布不均勻且風(fēng)速過大。風(fēng)速、風(fēng)壓會(huì)隨著建筑高度的增加。如城市市區(qū)C類地面粗糙度，高度為400、450米的風(fēng)壓高度變化系數(shù)Mz=3.12,100米時(shí)為1.70，150米時(shí)為2.03，200米時(shí)為2.30，300米時(shí)為2.75等。這點(diǎn)對(duì)于以風(fēng)荷載作為控制荷載的幕墻是極重要的。當(dāng)建筑造型布局不當(dāng)時(shí)，在建筑物外部往往造成局部不良的風(fēng)環(huán)境：掀起屋頂覆蓋物、破壞圍護(hù)結(jié)構(gòu)、幕墻玻璃、門窗等。超高層建筑采用玻璃幕墻作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，在風(fēng)荷載作用下外皮破壞或掉落對(duì)周圍街道及行人會(huì)造成重大傷害，容易出現(xiàn)安全隱患的部位主要集中在懸挑外裝飾構(gòu)件及外部遮陽結(jié)構(gòu)。例如：遭到龍卷風(fēng)襲擊的美國(guó)田納西某摩天大樓，玻璃幕墻嚴(yán)重破壞。

　　建筑幕墻結(jié)構(gòu)按受力系統(tǒng)可以分解為：面材，橫豎龍骨系統(tǒng)，幕墻轉(zhuǎn)接系統(tǒng)，連接主體結(jié)構(gòu)預(yù)埋系統(tǒng)。風(fēng)荷載傳力路徑：風(fēng)荷載作用直接作用在起圍護(hù)作用的建筑幕墻上，通過橫豎向龍骨及轉(zhuǎn)接系統(tǒng)將荷載傳遞給主體結(jié)構(gòu)，由主體結(jié)構(gòu)抵抗風(fēng)荷載效應(yīng)。然而幕墻系統(tǒng)與主體結(jié)構(gòu)間有一定的變位空間，幕墻系統(tǒng)的面板與龍骨在荷載作用下發(fā)生獨(dú)立變形。

　　2.2風(fēng)洞試驗(yàn)的解讀

　　國(guó)家的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JGJ102—2003，玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范5.3規(guī)定，200米以上的玻璃幕墻應(yīng)該進(jìn)行風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，來確定風(fēng)荷載，對(duì)于超高層建筑幕墻抗風(fēng)荷載設(shè)計(jì)主要及唯一依據(jù)還是《**工程風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)報(bào)告》。一般的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦x擇的比例：1:100;1:150;1:200。

　　以上海中心為例，由于上海中心大廈高達(dá)632米，屬于超高層建筑，甚至高度超出大多數(shù)普通超高層建筑，對(duì)于高度這么高的建筑物來說，完全找不到可供參考的資料。其氣流分布規(guī)律對(duì)設(shè)計(jì)者來說是個(gè)難題，設(shè)計(jì)中采取了風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)作為風(fēng)荷載設(shè)計(jì)依據(jù)。風(fēng)洞試驗(yàn)可以有效對(duì)高空氣流的分布特點(diǎn)進(jìn)行模擬，得出指導(dǎo)性的設(shè)計(jì)風(fēng)荷載。風(fēng)洞試驗(yàn)簡(jiǎn)圖如右圖所示。

　　通過風(fēng)洞試驗(yàn)，最終確定了 結(jié)構(gòu)造型，以旋轉(zhuǎn)、不對(duì)稱造型使風(fēng)荷載降低了24%,有效提高了結(jié)構(gòu)安全性。

　　2.3 如何合并風(fēng)壓分區(qū)

　　一般情況下，大部分的幕墻設(shè)計(jì)師及結(jié)構(gòu)計(jì)算師對(duì)每個(gè)風(fēng)壓區(qū)都進(jìn)行單獨(dú)的設(shè)計(jì)和計(jì)算，如果一個(gè)簡(jiǎn)單普通建筑(200米以下)的風(fēng)壓分區(qū)只有2~3個(gè)的情況下，或許可以，但對(duì)于200米、400米、甚至600米以上的超高層建筑幕墻來說，通�！�**工程風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)報(bào)告》會(huì)有幾百頁，同一類型的幕墻至少要有十幾個(gè)甚至幾十個(gè)風(fēng)壓分區(qū)的時(shí)候，那么就會(huì)給設(shè)計(jì)師們帶來極大的困惑和麻煩，那么就需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行合并風(fēng)壓分區(qū)到3個(gè)左右。在合并過程中要充分考慮工程組織、設(shè)計(jì)難度、生產(chǎn)管理、加工效率、組裝效率、運(yùn)輸難易、安裝難度等等環(huán)節(jié)綜合分析成本的情況下，主要使用以下兩種模式進(jìn)行分區(qū)合并：

　　模式一，同一類型的幕墻取風(fēng)壓最高值作為計(jì)算依據(jù)

　　模式二，同一類型的幕墻取風(fēng)壓區(qū)面積最大的風(fēng)壓值作為計(jì)算依據(jù)，其他高風(fēng)壓區(qū)(如角部位置)通過改變分割或加輔助結(jié)構(gòu)(如玻璃肋等)等手段來解決，前提是不能對(duì)建筑的整體效果產(chǎn)生明顯影響。例如很多工程在設(shè)計(jì)階段，將工程按照風(fēng)壓值大小分區(qū)，兩個(gè)區(qū)域的型材(詞條“型材”由行業(yè)大百科提供)外觀保持不變，風(fēng)壓大的區(qū)域?qū)⑿筒木植勘诤窦雍駚淼挚购奢d,或者用鋼插芯對(duì)風(fēng)壓大的區(qū)域型材局部加厚。如下圖所示。

　　2.4風(fēng)荷載與地震同時(shí)作用

　　目前，超高層建筑幕墻一般均選用單元式結(jié)構(gòu)，大部分的幕墻設(shè)計(jì)師認(rèn)為，就是單元體上下左右相互插接的，好像一塊單元板塊不會(huì)出來，所以在幕墻設(shè)計(jì)中，轉(zhuǎn)接系統(tǒng)只做了板塊左右限位的設(shè)計(jì)。

　　但是，在風(fēng)荷載和地震同時(shí)作用時(shí)，超高層建筑的變形會(huì)極大，風(fēng)阻儀(或阻尼器)失效，尤其是上端主體結(jié)構(gòu)，這時(shí)由于在設(shè)計(jì)幕墻是沒有上下限位，幕墻板塊是很容易脫落的，和幕墻窗發(fā)展前期，幕墻窗在受到一定程度的風(fēng)荷載作用下脫落的情況一樣，所以目前幕墻窗都帶有防脫設(shè)計(jì)，即上下限位。

　　同樣，對(duì)幕墻設(shè)計(jì)師來說，在超高層建筑幕墻設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮單元板塊的上下限位設(shè)計(jì)。

　　2.5 斷熱型材的抗風(fēng)荷載設(shè)計(jì)

　　常見的鋁型材斷熱形式包括穿條式斷熱鋁型材，隔熱墊條式以及注膠式斷熱。

　　首先，斷熱型材在抗風(fēng)荷載設(shè)計(jì)中，斷熱條并不是其中的最弱點(diǎn)，而是斷熱條的槽口，近年來，在擠壓斷熱條時(shí)，T5型材斷熱條的槽口很多都出現(xiàn)了裂痕，原因無非兩種，其一，型材廠家使用T6來代替T5;其二，T5型材本身就有質(zhì)量問題。即使各個(gè)環(huán)節(jié)的質(zhì)量保證非常好，斷熱條槽口的強(qiáng)度也只能通過實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)。

　　其次，斷熱條的形式與長(zhǎng)度完全取決于建筑物的節(jié)能要求和幕墻結(jié)構(gòu)要求。且幕墻設(shè)計(jì)師在做斷熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量將斷熱條的中心與中空玻璃的厚度中心保持在同一水平線上，以節(jié)省材料。

　　最后，在超高層的建筑中，超大的風(fēng)荷載對(duì)斷熱型材的要求會(huì)更加嚴(yán)格，因斷熱條槽口的強(qiáng)度不過關(guān)，會(huì)給工程帶來很大的安全隱患。所以，在超高層建筑幕墻中宜選用新型的斷熱鋁合金型材，如使用隔熱墊條式斷熱鋁型材或者注膠式鋁型材等。隔熱墊條具有承載力高、安全可靠、壽命長(zhǎng)、便于更換等特點(diǎn)。下面重點(diǎn)說說注膠式斷熱鋁型材的特點(diǎn)。

　　注膠式斷熱鋁型材，其基本原理是將鋁合金(詞條“鋁合金”由行業(yè)大百科提供)型材之間利用一種特殊配方的高分子絕緣聚合物一一斷熱膠進(jìn)行結(jié)合。從而，鋁合金型材的內(nèi)外部分之間形成有效斷熱層，使通過門窗框或扇型材散失熱量的途徑被阻斷，達(dá)到高能效的斷熱目的。該工藝目前主要的加工設(shè)備(詞條“設(shè)備”由行業(yè)大百科提供)供應(yīng)商為美國(guó)AZON公司。具體加工如下：

　　a，首先該工藝要有一個(gè)特殊設(shè)計(jì)的外表經(jīng)過陽極氧化或噴涂的鋁型材：

　　b，將型材送入雙組分計(jì)量混配器中，該機(jī)器將兩種特殊組分的液態(tài)斷熱膠精確地混配并澆注到斷熱槽中：

　　c，該雙組分在數(shù)分鐘內(nèi)反應(yīng)并形成十分堅(jiān)固的聚合物;

　　d，型材進(jìn)入切橋機(jī)，將澆注后的鋁型材槽底連接部分切除，使整個(gè)型材被固態(tài)的熱膠分成內(nèi)外兩部分，形成堅(jiān)固的斷熱冷橋。

　　3、防火與排煙系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　3.1 防火設(shè)計(jì)的必要性

　　作為現(xiàn)代建筑，尤其是高層建筑的外衣，幕墻越來越受到建筑師的青睞。我國(guó)建筑幕墻從20世紀(jì)70年代起步，現(xiàn)今已成為世界上最大的幕墻產(chǎn)品生產(chǎn)國(guó)也可以說是最大的消費(fèi)國(guó)。未來中國(guó)將會(huì)成為高層建筑之鄉(xiāng)，而高層建筑的防火問題無疑會(huì)成為安全問題的中心。

　　建筑幕墻因其他方法不可替代的外墻裝飾效果，廣泛應(yīng)用于大型的公共建筑、高層建筑等外墻，它給城市帶來了整潔美麗的同時(shí)，也留下了火災(zāi)的隱患。隱患一：一般建筑幕墻其材料組成為：玻璃、面材、復(fù)合鋁板、鋼架等，這些材料均不耐火、抗火性差，尤其是玻璃當(dāng)溫度達(dá)到250℃時(shí)即會(huì)炸裂，這時(shí)不僅會(huì)導(dǎo)致火災(zāi)的進(jìn)一步蔓延，而且可能會(huì)傷及旁人甚至消防隊(duì)員。隱患二：幕墻本身的結(jié)構(gòu)原因，有可能成為引火通道，有可能成為煙囪，從而釀成更大的火災(zāi)。

　　3.2 建筑幕墻火災(zāi)蔓延方式分析

　　幕墻一般幕墻玻璃均不耐火，在250℃即會(huì)炸裂，而且垂直幕墻與水平樓板之間往往存在縫隙，如果未經(jīng)處理或處理不合理，火災(zāi)初起時(shí)，濃煙即已通過該縫隙向上層擴(kuò)散，如圖一所示，竄煙;火焰也可通過這一層縫隙向上竄到上一層樓層，如圖二所示，竄火;當(dāng)幕墻玻璃開裂掉落后，火焰可從幕墻外側(cè)竄至上層墻面燒裂上層玻璃幕墻后，竄入上層室內(nèi)，如圖三所示，卷火。

　　A、火勢(shì)蔓延方式一

　　當(dāng)建筑物室內(nèi)起火，燃燒產(chǎn)生火焰、熱、氣和煙霧。起初階段熱氣流上升，形成溫差和壓差，使周圍的空氣源源不斷地補(bǔ)充進(jìn)來，燃燒溫度不斷提高，引燃附近可燃性物質(zhì)，火勢(shì)不斷地?cái)U(kuò)大。這樣的空氣循環(huán)過程會(huì)不會(huì)由于室內(nèi)氧氣的耗盡而終止呢?理論上是這樣，但現(xiàn)實(shí)中這樣的情況很少發(fā)生。燃燒室內(nèi)部各處的壓差是不同的，且是動(dòng)態(tài)變化的。室外和下面樓層的空氣通過幕墻中的間隙和樓板縫隙(如管道、樓梯間等)吸進(jìn)室內(nèi)。氣密性(詞條“氣密性”由行業(yè)大百科提供)好的幕墻可以延緩這個(gè)階段火勢(shì)的擴(kuò)大。

　　隨著室內(nèi)溫度的不斷提高，室內(nèi)外的壓差也在不斷增加。普通玻璃(非防火玻璃)在火焰的不斷沖擊下，往往會(huì)在15分鐘內(nèi)破碎。大量的熱量和煙霧瞬間沖出室外，導(dǎo)致火勢(shì)向上蔓延。

　　破碎窗口室內(nèi)側(cè)的溫度下降幾百度。同時(shí)大量的空氣進(jìn)入室內(nèi)參與燃燒，通過缺口常常將燃燒引到室外，形成對(duì)玻璃幕墻的內(nèi)外夾攻。層間非可視玻璃及上層可視玻璃直接暴露在火焰中，增加了火勢(shì)向上蔓延的可能性。如果由于窗間墻處防火材料或構(gòu)造上的缺陷造成防火系統(tǒng)提早失效，就有可能形成所謂的焰卷效應(yīng)。根據(jù)美國(guó)對(duì)高層幕墻建筑火災(zāi)的研究統(tǒng)計(jì)資料，約有百分之十的火勢(shì)是通過室外側(cè)向上蔓延的。

　　B、火勢(shì)蔓延方式二

　　混凝土樓板一般用于分隔防火分區(qū)， 它應(yīng)該具有一定的防火級(jí)別。根據(jù)《高層民用建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范 》GB 50045中規(guī)定，耐火等級(jí)為一級(jí)的建筑物樓板耐火時(shí)間為1.5個(gè)小時(shí)，耐火等級(jí)為二級(jí)的建筑物樓板耐火時(shí)間為1.0個(gè)小時(shí)。

　　在混凝土樓板外側(cè)與幕墻內(nèi)側(cè)之間存在一個(gè)空隙�？障兜拇笮〖扰c建筑設(shè)計(jì)和幕墻鋁合金系統(tǒng)的大小有關(guān)，也與混凝土結(jié)構(gòu)尺寸誤差、幕墻構(gòu)造及制作安裝誤差等因素有關(guān)。大部分建筑物其實(shí)際范圍在幾十毫米到200毫米之間。這個(gè)空隙也用來補(bǔ)償由于溫度、載荷、地震等引起的建筑物變形。

　　這個(gè)空隙應(yīng)該視為混凝土樓板的延伸，防火設(shè)計(jì)中它應(yīng)該可靠地填滿防火棉，設(shè)計(jì)合理的周邊水平防火帶必須能夠經(jīng)受住防火規(guī)范GB 50045所要求的耐火時(shí)間。

　　在實(shí)際失火狀態(tài)下，這個(gè)空隙有可能進(jìn)一步被擴(kuò)大。主要是由于鋁合金構(gòu)件和鍍鋅鐵板背板的變形，五金連接件、承重支撐構(gòu)件的松動(dòng)。如果防火棉、防煙層不能有效地補(bǔ)償這個(gè)變位。火焰和高溫氣流就會(huì)通過這些間隙、裂縫直接進(jìn)入上層樓面。如圖11.2.7所示。

　　C、火勢(shì)蔓延方式三

　　該種方式是通過熱量傳遞方式進(jìn)行的。熱量傳遞的方式有傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射。幕墻系統(tǒng)的鋁合金立柱是非常好的傳熱載體，而且立柱往往是跨越二個(gè)不同防火分區(qū)，火源層的熱量能通過立柱向上層傳遞。幕墻的這種構(gòu)造形式?jīng)Q定了它很難被界定為具有等級(jí)概念的“防火幕墻”。在短時(shí)間內(nèi)上層樓面鋁合金表面的溫度會(huì)高于紙張的自燃點(diǎn)。對(duì)流是由于空氣流動(dòng)傳遞熱量。開啟窗或玻璃破碎雖然對(duì)排煙有好處，但增加了空氣的流動(dòng)，也增加了氧氣的供給。輻射是溫度較高的物體以能量波的方式向溫度較低的物體傳熱的一種方式。

　　在火源層，當(dāng)溫度升高達(dá)到了某個(gè)臨界點(diǎn)，“轟燃現(xiàn)象”使得在短時(shí)間內(nèi)火勢(shì)由局部擴(kuò)散到整個(gè)空間。火源層的熱量通過樓板、金屬幕墻及周邊水平防火帶向上層傳遞。如果上一層樓面的溫度升高達(dá)到了某個(gè)臨界點(diǎn)，也可能會(huì)發(fā)生轟燃現(xiàn)象，火勢(shì)就以這樣的方式向上發(fā)展。

　　3.3 超高層建筑幕墻防火設(shè)計(jì)

　　3.3.1 建筑幕墻防火材料的選擇

　　●建筑高度小于24m時(shí)，保溫材料的燃燒性能應(yīng)為A級(jí)或B1級(jí)。其中,當(dāng)采用B1級(jí)保溫(詞條“保溫”由行業(yè)大百科提供)材料時(shí)，每層應(yīng)設(shè)置水平防火隔離帶。

　　●保溫材料應(yīng)采用不燃材料作防護(hù)層，防護(hù)層應(yīng)將保溫材料完全覆蓋，防護(hù)層厚度不應(yīng)小于3mm。

　　●采用金屬、石材等非透明幕墻結(jié)構(gòu)的建筑，應(yīng)設(shè)置基層墻體，其耐火極限應(yīng)符合現(xiàn)行防火規(guī)范關(guān)于外墻耐火極限的有關(guān)規(guī)定;玻璃幕墻的窗間墻、窗檻墻、裙墻的耐火極限和防火構(gòu)造應(yīng)符合現(xiàn)行防火規(guī)范關(guān)于建筑幕墻的有關(guān)規(guī)定。

　　●基層墻體內(nèi)部空腔及建筑幕墻與基層墻體、窗間墻、窗檻墻及裙墻之間的空間，應(yīng)在每層樓板處采用防火封堵材料封堵。

　　●鋁塑板的火災(zāi)要引起注意。

　　聚乙烯芯材的鋁塑板近年來多次發(fā)生火災(zāi)，因?yàn)榫垡蚁?0度失去黏著力，隨即燃燒、冒煙、熔滴，更高溫度下裂解(詞條“裂解”由行業(yè)大百科提供)為可燃?xì)怏w。2006年烏魯木齊某工程鋁塑板幕墻大火;2008年上海一座20層大樓發(fā)生火災(zāi)，30分鐘內(nèi)鋁塑板一樓燒到20樓;2011年2月3日凌晨，沈陽某五星級(jí)酒店發(fā)生大火，大火從3層裙樓燃燒到20層以上，如圖所示，不能不令人擔(dān)心鋁塑板幕墻的火災(zāi)安全性。作為鋁板幕墻的面板，應(yīng)優(yōu)先采用單層鋁板和蜂窩鋁板。

　　3.3.2 超高層建筑玻璃幕墻的防火

　　首先，普通的玻璃幕墻是不防火的，我國(guó)只對(duì)幕墻層間的防火有些規(guī)定，而對(duì)普通的幕墻沒有具體的規(guī)定，那么如何實(shí)現(xiàn)普通玻璃幕墻的防火呢，保障普通幕墻在一定時(shí)限內(nèi)的完整性有以下三種模式。

　　其一，普通幕墻+防火噴淋(由其他單位完成)

　　具體由防火設(shè)計(jì)、防火措施、試驗(yàn)方法及實(shí)驗(yàn)報(bào)告四部分組成,主要針對(duì)噴淋的選用、相鄰噴淋的距離及房間分布、噴淋的安裝角度、每秒的出水量等參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。

　　其二，普通幕墻+防火單向水幕(由其他單位完成)

　　具體由防火設(shè)計(jì)、防火措施、試驗(yàn)方法及實(shí)驗(yàn)報(bào)告四部分組成, 主要針對(duì)單向水幕的選用、單向水幕出水口的距離及房間分布、單向水幕的安裝角度、每秒的出水量等參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。

　　其三，普通幕墻+防火卷簾或帶有防火功能的感應(yīng)式遮陽窗簾(由其他單位完成)，卷簾或帶有防火功能的感應(yīng)式遮陽窗簾的耐火極限既是普通幕墻的耐火時(shí)限。

　　以上三種模式均與建筑主體的消防系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)。其次，對(duì)建筑的特殊部位(與幕墻相關(guān)聯(lián))有特殊要求時(shí)，如除完整性外，還要求限制熱傳導(dǎo)、熱輻射時(shí)，只能選用防火幕墻，即銫鉀玻璃+不銹鋼框+防火涂料。

　　3.3.3 超高層建筑玻璃幕墻防火分區(qū)的封堵

　　超高層建筑玻璃幕墻(同樣也適用其他形式的幕墻)層間的封堵是建筑主體樓板的延續(xù)，可以理解為樓板的防火、保溫、隔聲等要求，同樣也是對(duì)幕墻層間封堵的要求。其中，設(shè)計(jì)的主要難點(diǎn)集中在材料選擇、結(jié)構(gòu)的可伸縮式模式等，而側(cè)封修的防火設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，不做闡述。

　　●按本規(guī)定需要設(shè)置防火隔離帶時(shí)，應(yīng)沿樓板位置設(shè)置寬度不小于300mm的A級(jí)保溫材料。防火隔離帶與墻面應(yīng)進(jìn)行全面積粘貼。

　　●建筑外墻的裝飾層，除采用涂料外，應(yīng)采用不燃材料。當(dāng)建筑外墻采用可燃保溫材料時(shí)，不宜采用著火后易脫落的瓷磚等材料。

　　幕墻層間的封堵材料應(yīng)是不燃材料(防火等級(jí)A)

　　目前，從下到上，我國(guó)的規(guī)范是1.5mm鍍鋅鋼板+防火巖棉(厚度根據(jù)層間防火要求)+800mm裙墻，其結(jié)構(gòu)形式如下圖所示。

　　在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家，在幕墻單元板塊和封堵防火材料上，已經(jīng)放棄使用鍍鋅鋼板，其原因主要是成本很高、對(duì)大板塊來說平整度不好、防火性能不好、加工和組裝等工藝復(fù)雜、現(xiàn)場(chǎng)切割困難等因素。

　　新型的層間封堵主要有以下幾種模式：

　　模式一，普通幕墻：10mm厚的防火板(詞條“防火板”由行業(yè)大百科提供)(如硅酸鈣板、不含石棉的水泥纖維板等)+8mm厚的防火板(如硅酸鈣板、不含石棉的水泥纖維板等)+防火巖棉+防火安裝附件。

　　模式二，對(duì)隔聲要求高的幕墻：10mm厚的防火板(如硅酸鈣板、不含石棉的水泥纖維板等)+8mm厚的防火板(如硅酸鈣板、不含石棉的水泥纖維板等)+防火巖棉+6mm防火板+玻璃吸音棉+防火安裝附件。

　　模式三，對(duì)隔聲及保溫要求高的幕墻：10mm厚的防火板(如硅酸鈣板、不含石棉的水泥纖維板等)+8mm厚的防火板(如硅酸鈣板、不含石棉的水泥纖維板等)+防火巖棉+6mm防火板+玻璃吸音棉+6mm防火板+保溫巖棉+10mm厚的防火板+防火安裝附件。

　　3.3.4 結(jié)構(gòu)位移對(duì)層間封堵的影響

　　大部分幕墻設(shè)計(jì)師都忽視了一個(gè)層間封堵構(gòu)造形式問題，實(shí)際上大部分工程也沒有發(fā)生問題，畢竟火災(zāi)的概率比較低，但相對(duì)于超高層建筑幕墻來說，極大的結(jié)構(gòu)變形給層間封堵埋下了極大的隱患，可導(dǎo)致層間封堵的防火性能失效，一旦發(fā)生火災(zāi)，后果不堪設(shè)想，那么如何解決呢。

　　解決方案流程：

　　第一步，幕墻設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)層間封堵時(shí)，需綜合考慮超高層建筑特點(diǎn)，所有的層間封堵根據(jù)工程要求選用合理的防火模式(見上)

　　第二步，所有的封堵材料必須與建筑結(jié)構(gòu)主體固定,現(xiàn)有的工程絕大部分都沒有做到這一點(diǎn)，主要是安裝順序?qū)е隆?/p>

　　第三步，使用新的安裝模式來替代傳統(tǒng)模式。如先安裝層間封堵后再安裝幕墻板塊。

　　第四步，由幕墻設(shè)計(jì)師完成層間封堵的《安裝工藝卡》

　　第五步，根據(jù)工程結(jié)構(gòu)變形及其他非結(jié)構(gòu)變形，合理設(shè)計(jì)層間封堵與單元板塊之間縫隙設(shè)計(jì)

　　第六步，縫隙使用防火膠進(jìn)行密封，且滿足結(jié)構(gòu)變形。

　　3.3.5 超高層建筑幕墻的排煙設(shè)計(jì)

　　對(duì)整體的建筑主體來說，排煙的設(shè)計(jì)極為重要，卻也是個(gè)世界難題，至今也沒有世界上公認(rèn)的非常有效的方案，主要是室內(nèi)外的“風(fēng)”影響

　　但對(duì)幕墻設(shè)計(jì)師來說，只需做到在幕墻與結(jié)構(gòu)主體之間(主指構(gòu)造柱與墻體部位)不能形成排煙通道，要加設(shè)排煙隔斷(10mm厚的防火板)，杜絕煙囪效應(yīng)即可，主要的措施有兩點(diǎn)：

　　措施1，有自然排風(fēng)設(shè)施，如窗等，兩層加設(shè)一道排煙隔斷。

　　措施2，沒有自然排風(fēng)設(shè)施，如窗等，一層加設(shè)一道排煙隔斷并加設(shè)機(jī)械排煙設(shè)備。

　　4、防水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　超高層建筑幕墻形式均應(yīng)采用單元式幕墻的結(jié)構(gòu)形式，而單元式幕墻的主要缺陷還是集中在防水系統(tǒng)上，幕墻設(shè)計(jì)師在正常建筑的防水系統(tǒng)設(shè)計(jì)外，超高層建筑的特殊性，導(dǎo)致更高的防水要求，特別在十字區(qū)域。使防水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在超高層建筑中變成了關(guān)鍵性難點(diǎn)。

　　根據(jù)超高層建筑自身的結(jié)構(gòu)變形、溫差變形、加工組裝誤差、安裝偏差及單元結(jié)構(gòu)和防水材料的選用等等因素，綜合考慮并選擇防水系統(tǒng)的模式

　　4.1 單元幕墻防水構(gòu)造分析

　　單元幕墻的三道密封線

　　其一，塵密線。

　　為阻擋灰塵設(shè)計(jì)的一道密封線，一般由相鄰單元的膠條相互搭接實(shí)現(xiàn)， 起到阻擋灰塵和披水的作用。

　　其二，水密線。

　　它是單元幕墻的重要防線，通過幕墻表面的少量漏水可以越過這條線，進(jìn)入單元幕墻的等壓腔，通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，進(jìn)入等壓腔水將被有組織的排出，沒有繼續(xù)進(jìn)入室內(nèi)的能力，達(dá)到阻水的目的，有時(shí)為了提高幕墻的水密性(詞條“水密性”由行業(yè)大百科提供)能，也可能同時(shí)設(shè)置多道水密線。

　　其三，氣密線。

　　它也是單元幕墻的重要防線，由于水密線和氣密線之間的等壓腔和室外基本上是相通(有時(shí)在連通孔上放置防止灰塵的海棉)的，因此水密線不能阻止空氣的滲透，阻止空氣的滲透任務(wù)由最后一道防線 — 氣密線來完成。

　　4.2單元幕墻防水原理分析

　　單元幕墻漏水具備三個(gè)要素：①存在通道;②水;③動(dòng)力。設(shè)置“等壓”狀態(tài)下的“雨幕”是主動(dòng)防水的關(guān)鍵，也是提高防水可靠性和壽命的基本策略。通常被忽略的事實(shí)是：“室內(nèi)側(cè)密封不嚴(yán)密或漏氣”從而等壓難于實(shí)現(xiàn)。

　　在幕墻表面，為了運(yùn)用雨幕原理(詞條“雨幕原理”由行業(yè)大百科提供)進(jìn)行防水，設(shè)計(jì)上使等壓腔的壓力Pc等于或接近室外壓力Po，即水密線兩側(cè)的風(fēng)壓基本相等，消除或減輕了風(fēng)壓的作用，使水不通過或很少通過塵密線和水密線進(jìn)入等壓腔。

　　圖中，型材腔壁上的孔洞主要起排水作用，同時(shí)使不同的腔體間保持等壓。工程施工中，先在膠條1上切兩個(gè)豁口，使腔一、腔二與室外空氣連通，成為等壓腔，使水沿型材斜坡順利排出。膠條2使室內(nèi)與其他腔體均隔絕，雖然室內(nèi)與其他腔體有壓力差，但沒有水的通道，這樣就實(shí)現(xiàn)了幕墻的水密性。

　　氣密泡棉的功能是有效提高氣密，即“室內(nèi)側(cè)實(shí)現(xiàn)嚴(yán)密氣密是形成等壓原理的關(guān)鍵”。這是實(shí)際工程設(shè)計(jì)中往往被忽略的因素，從而出現(xiàn)氣密性低 氣體流動(dòng) 穩(wěn)定等壓難以實(shí)現(xiàn) 腔體內(nèi)水積累 發(fā)生滲漏現(xiàn)象。

　　氣密泡棉作為單元幕墻的最后一道密封線，對(duì)于整個(gè)幕墻系統(tǒng)的防水性能至關(guān)重要。尤其是超高層建筑，高度氣流相對(duì)穩(wěn)定，如果腔一腔二之間的氣壓稍有差別，就會(huì)有持續(xù)的水流進(jìn)入腔二，膠條二與氣密泡棉如果密封處理的不好，水就會(huì)流入室內(nèi)。所以超高層建筑幕墻單元系統(tǒng)的最后一道氣密泡棉需要通長(zhǎng)設(shè)計(jì)(常規(guī)單元幕墻只在十字交叉位置鋪設(shè)300mm左右的氣密泡棉即可)。

　　4.3 超高層幕墻防水設(shè)計(jì)難點(diǎn)

　　從大多數(shù)幕墻測(cè)試的過程來看，單元式幕墻在測(cè)試過程中存在不同程度這樣或那樣的問題。其中水密性、氣密性是比較突出的問題。說明幕墻在防水系統(tǒng)設(shè)計(jì)上存在一定缺陷。

　　單元式幕墻單元板塊是在廠房里制作、組裝完成的，能在現(xiàn)場(chǎng)直接安裝到建筑主體結(jié)構(gòu)上。無論是插接還是對(duì)接，單元板塊在上下左右以及單元板塊“十字”接口處均需要密封處理。

　　如何從系統(tǒng)設(shè)計(jì)中處理好這些自由縫是解決單元式幕墻水密性的關(guān)鍵。由于縫隙腔內(nèi)外的氣壓差是雨水滲漏的主要?jiǎng)恿�，因此要求縫隙空腔內(nèi)的氣壓與室外氣壓相等，以防止內(nèi)外空氣壓力差將雨水壓入腔內(nèi)。

　　4.3.1型材斷面構(gòu)造設(shè)計(jì)的合理性

　　A.合理設(shè)計(jì)型材端面及型材咬合位置，盡量將水密線與氣密線分離，保證等壓腔發(fā)揮作用。

　　B.斷面上盡可能避免在制作過程中開工藝孔，氣密線腔壁上禁止開工藝孔。

　　C.斷面設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮在豎向(或橫向)構(gòu)件上設(shè)置傳遞荷載與作用的專用裝置，盡可能避免氣密線膠條參與傳力，

　　D.插接式單元幕墻在斷面設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮板塊安裝后插接件之間有不小于15毫米的搭接長(zhǎng)度。以便有能力適應(yīng)層間變位和吸收現(xiàn)場(chǎng)安裝產(chǎn)生的誤差。

　　E.斷面設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮預(yù)留安裝軟披水膠條的槽口，以便板塊安裝后在縫隙處形成阻水屏障。

　　F.斷面設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能考慮減少零件數(shù)量，降低構(gòu)件的加工量和加工難度，以便保證板塊的組裝質(zhì)量。

　　G.幕墻板塊的型材斷面種類應(yīng)考慮盡可能的少，同時(shí)應(yīng)考慮到盡可能減少零件的組合量，以便減少板塊組裝所形成的縫隙。

　　H.單元幕墻的氣密線應(yīng)形成閉合。在結(jié)構(gòu)上必須防止十字接口處存在漏氣的通道，圖2的構(gòu)造中幕墻板塊在十字接口處可用膠板10實(shí)現(xiàn)密封。

　　4.3.2膠條設(shè)計(jì)的合理性

　　膠條決定了單元式幕墻的水密性、氣密性以及幕墻防水性能的耐久性。目前工程上所用的膠條大多存在一些問題。究其原因是對(duì)膠條的產(chǎn)品性能缺乏了解，膠條的斷面設(shè)計(jì)存在不合理現(xiàn)象。事實(shí)上膠條的材質(zhì)、延伸率、壓縮量以及斷面形式都很關(guān)鍵。單元式幕墻密封性膠條主要是三元乙丙(EPDM)膠條，這種材料具有卓越的耐臭氧老化性、耐氣候老化性、耐熱老化性、耐水性，還具有較好的耐化學(xué)藥品性，可以長(zhǎng)期在陽光、潮濕、寒冷的自然環(huán)境中使用。EPDM橡膠有很多種牌號(hào)，不同的牌號(hào)各有不同的特點(diǎn)，因此可以說三元乙丙橡膠的化學(xué)成分及配方?jīng)Q定了膠條的使用環(huán)境和工作性能。

　　幕墻用三元乙丙膠(詞條“三元乙丙膠”由行業(yè)大百科提供)條的基本成分為三元乙丙膠，碳黑，活性劑，增塑劑(詞條“增塑劑”由行業(yè)大百科提供)，硫化促進(jìn)劑等。其中膠條的含膠率控制在35%左右，含膠率過低，材料的力學(xué)性能(詞條“力學(xué)性能”由行業(yè)大百科提供)特別是拉伸強(qiáng)度、回彈性、耐老化性等變差，使用壽命大為縮短。但含膠率過高，成本會(huì)提高，同時(shí)材料的性能也同樣變差。其中補(bǔ)強(qiáng)劑，硫化劑，增塑(詞條“增塑”由行業(yè)大百科提供)劑并不僅僅起到降低成本的作用，只要加入適量，比例得當(dāng)，能夠改善材料的性能。

　　根據(jù)不同的氣候特點(diǎn)，應(yīng)選用不同的EPDM牌號(hào)�？偨Y(jié)近些年的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，膠條的設(shè)計(jì)可遵循以下原則：

　　A.在北方地區(qū)，溫差大，冬天溫度很低，最好選用部分充油牌號(hào)，在配方設(shè)計(jì)中充分考慮材料的低溫脆性，這樣硬度(詞條“硬度”由行業(yè)大百科提供)對(duì)溫度的依賴性小，便于安裝和使用。

　　B.膠條在設(shè)計(jì)時(shí)必須確定合理的斷面形式，選擇合適的EPDM橡膠牌號(hào)，膠條的位置和作用不同，其斷面形式也應(yīng)該不同。

　　C.在膠條設(shè)計(jì)時(shí)，必須合理確定壓縮比和硬度。

　　D.對(duì)有特殊環(huán)境要求的膠條，有必要與膠條供應(yīng)商進(jìn)行聯(lián)合設(shè)計(jì)，彌補(bǔ)設(shè)計(jì)人員知識(shí)面的不足，充分利用膠條材料的優(yōu)良性能。

　　E.對(duì)接型單元幕墻的氣密線膠條豎橫應(yīng)相同，確保膠條在板塊四角周圈形成閉合。

　　4.3.3 單元板塊插接方式的合理性

　　目前大部分工程的單元板塊豎向插接需要300mm左右的插接過程，主要是因?yàn)檗D(zhuǎn)接系統(tǒng)的構(gòu)造設(shè)計(jì)，而出問題往往就在這300mm的插接過程，膠條設(shè)計(jì)的不合理或材質(zhì)選用不對(duì)，導(dǎo)致膠條變形，甚至脫落等，進(jìn)而喪失功能。

　　有以下兩種模式，來改善：

　　其一，調(diào)整轉(zhuǎn)接系統(tǒng)，將插接過程縮小到50mm左右

　　其二，調(diào)整膠條截面及材質(zhì)。

　　5、防雷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　5.1 雷擊事故

　　雷電作為自然界破壞力巨大的自然現(xiàn)象，給人們的生產(chǎn)生活造成了巨大的影響。從古至今人們對(duì)雷電現(xiàn)象充滿了敬畏，但是人類從未停止對(duì)雷電的探索。從富蘭克林發(fā)明避雷針開始，雷電對(duì)人類的生活的影響發(fā)生了嶄新的變化。

　　雷擊事故是由自然界中正、負(fù)電荷形式的能量造成的事故。

　　雷擊分為直擊雷、靜電感應(yīng)雷和球雷。當(dāng)帶電積云接近地面，與地面凸出物之間的電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到空氣的擊穿強(qiáng)度(25~30kV/cm)時(shí)，所發(fā)生的激烈的放電現(xiàn)象稱為直擊雷。其每一放電過程包含先導(dǎo)放電、主放電、余光三個(gè)階段。當(dāng)帶電積云接近地面凸出物時(shí)，在其頂部感應(yīng)出大量異性電荷，當(dāng)帶電積云與其他部位或其他積云或地面設(shè)施放電后，凸出物頂部的電荷失去束縛，高速傳播形成高壓沖擊波。此沖擊波由靜電感應(yīng)產(chǎn)生，具有雷電特征，稱為靜電感應(yīng)雷。雷電放電時(shí)，雷電流在周圍空間產(chǎn)生迅速變化的強(qiáng)磁場(chǎng)，在鄰近的導(dǎo)體上感應(yīng)出很高的電動(dòng)勢(shì)。該電動(dòng)勢(shì)具有雷電特征，稱為電磁感應(yīng)雷。雷電放電時(shí)產(chǎn)生的球狀發(fā)光帶電體稱為球雷。球雷也可能造成多種危害。示圖表示的示被雷電擊中的上海中心工程和迪拜塔遭雷擊圖片。

　　雷電放電具有電流大、電壓高、沖擊性強(qiáng)的特點(diǎn)。其能量釋放出來可表現(xiàn)出極大的破壞力。雷擊除可能毀壞設(shè)施和設(shè)備外，還可能傷及人、畜，引起火災(zāi)和爆炸，造成大規(guī)模停電等。因此，電力設(shè)施、建筑物，特別是有火災(zāi)和爆炸危險(xiǎn)的建筑物，均需考慮防雷措施。造成重大人身傷亡和經(jīng)濟(jì)損失的黃島油庫火災(zāi)就是由雷擊引起的。

　　高大的建筑物和工程設(shè)施，特別是有爆炸或火災(zāi)危險(xiǎn)的建筑物和工程設(shè)施，變配電裝置等應(yīng)采取直擊雷防護(hù)措施;凡遭受雷電沖擊波襲擊可能導(dǎo)致嚴(yán)重后果的建筑物或設(shè)施均應(yīng)采取雷電沖擊波防護(hù)措施。

　　5.2 高層建筑防雷設(shè)計(jì)原理

　　高層建筑的防雷系統(tǒng)主要由接閃器，等電位連接系統(tǒng)，接地連接系統(tǒng)組成。設(shè)計(jì)主要是利用避雷針的原理特性：雷雨天氣，高樓上空出現(xiàn)帶電云層時(shí)，避雷針和高樓頂部都被感應(yīng)上大量電荷，由于避雷針針頭是尖的，而靜電感應(yīng)時(shí)，導(dǎo)體尖端總是聚集了最多的電荷，這樣，避雷針就聚集了大部分電荷。避雷針又與這些帶電云層形成了一個(gè)電容器，由于它較尖，即這個(gè)電容器的兩極板正對(duì)面積很小，電容也就很小，也就是說它所能容納的電荷很少，而它又聚集了大部分電荷，所以，當(dāng)云層上電荷較多時(shí)，避雷針與云層之間的空氣就很容易被擊穿，成為導(dǎo)體。這樣，帶電云層與避雷針形成通路，而避雷針又是接地的，避雷針就可以把云層上的電荷導(dǎo)入大地，使其不對(duì)高層建筑構(gòu)成危險(xiǎn)，保證了它的安全。

　　樓體主要是利用均壓等電位原理，形成局部等電位和整體等電位，以免不同位置出現(xiàn)大的電位差，從而傷人或損壞建筑設(shè)備等。原理圖見示意圖。

　　5.3 幕墻防雷設(shè)計(jì)

　　《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》JGJ102-2003規(guī)定：“玻璃幕墻的防雷設(shè)計(jì)應(yīng)符合國(guó)家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范(詞條“建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范”由行業(yè)大百科提供)》GB50057和《民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》JGJ/T16的有關(guān)規(guī)定。”《金屬與石材幕墻工程技術(shù)規(guī)范》防雷問題專題審查會(huì)紀(jì)要將送審稿中“防雷體系”改為防雷裝置。取消關(guān)于接地電阻的要求。

　　《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》JGJ102-2003第4.4.13條還規(guī)定：“幕墻的金屬框架應(yīng)與主體結(jié)構(gòu)的防雷體系可靠連接，連接部位應(yīng)清除非導(dǎo)電保護(hù)層�！� 《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》JGJ102-2003條文說明第4.4.13條指出：“玻璃幕墻是附屬于主體建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，幕墻的金屬框架一般不單獨(dú)作防雷接地，而是利用主體結(jié)構(gòu)的防雷體系，與建筑本身的防雷設(shè)計(jì)相結(jié)合，因此要求應(yīng)與主體結(jié)構(gòu)的防雷體系可靠連接，并保持導(dǎo)電通暢。”《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50057主編林維勇告知：“金屬幕墻防側(cè)雷：通過將安裝金屬幕墻的垂直金屬桿件于每層與圈梁或柱子鋼筋連接的予埋件連通�！�

　　案例：

　　深圳京基大廈采用將建筑物樓體以及內(nèi)部所有金屬物，用電氣連接的方法引入地下的聯(lián)合接地防雷系統(tǒng)。包括幕墻系統(tǒng)的防雷體系與外框鋼骨架相接形成良好的電氣連接，屋頂?shù)牟链皺C(jī)等金屬部件與接地網(wǎng)絡(luò)可靠連接，室外泛光照明燈具接地與幕墻形成良好的電氣通路等，形成一個(gè)法拉第籠式網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)整體，并保證接地電阻小于1歐姆，使整座建筑物成為一個(gè)良好的等電位體，把雷電對(duì)接閃器閃擊的電荷盡快地泄放到大地，使其與大地的異種電荷中和。當(dāng)雷電來襲時(shí)，由于建筑物內(nèi)部及其附近基本上做到等電位，因而不會(huì)發(fā)生建筑物內(nèi)部的設(shè)備被高電位反擊和人被雷擊的事故。

　　5.4 高層建筑防雷設(shè)計(jì)誤區(qū)

　　幕墻的設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)避雷系統(tǒng)時(shí)，往往忽略了一個(gè)問題，如果幕墻系統(tǒng)在室內(nèi)外均有金屬結(jié)構(gòu)時(shí)，幕墻的設(shè)計(jì)師大部分都不會(huì)考慮室外的金屬結(jié)構(gòu)，如扣板等，但是如果幕墻受到的側(cè)雷擊，那么室內(nèi)的避雷系統(tǒng)便會(huì)形同虛設(shè)，室外的金屬結(jié)構(gòu)就會(huì)被擊穿，幕墻使用功能便會(huì)受到損失，嚴(yán)重時(shí)會(huì)喪失功能。

　　6、施工工藝性及維護(hù)方便性設(shè)計(jì)

　　6.1 超高層建筑施工工藝性設(shè)計(jì)

　　超高層建筑幕墻的安裝施工是超高層幕墻設(shè)計(jì)最大的難點(diǎn)之一。包括單元的生產(chǎn)加工、運(yùn)輸、吊裝等程序都需要認(rèn)真的設(shè)計(jì)。由于每個(gè)工程都有自己獨(dú)特的特點(diǎn)和環(huán)境，所以很難歸納成統(tǒng)一的知識(shí)進(jìn)行學(xué)習(xí)。本書以上海中心大廈為例，通過實(shí)際的案例來學(xué)習(xí)超高層幕墻的施工工藝。

　　上海中心施工工藝簡(jiǎn)介

　　上海中心采用整體式單元式幕墻，玻璃單元和層間轉(zhuǎn)換連接的凹凸臺(tái)不銹鋼板在廠內(nèi)組合完成，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行整體吊裝，單元板塊需一次安裝到位。因此，無論是工廠內(nèi)加工制作，還是現(xiàn)場(chǎng)定位安裝，都需達(dá)到“汽車級(jí)”的施工要求。

　　鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)精度。外幕墻及支撐鋼結(jié)構(gòu)都通過徑向和橫向鋼桁架(詞條“鋼桁架”由行業(yè)大百科提供)從主體結(jié)構(gòu)外挑，其所有荷載和能量也通過鋼桁架傳遞給主體結(jié)構(gòu)。鋼桁架的剛度與支撐鋼結(jié)構(gòu)的位移有直接的關(guān)系。為減小懸挑鋼桁架的不均勻沉降，降低由其他不確定因素引起的施工、安裝誤差，設(shè)計(jì)院在進(jìn)行懸挑鋼桁架設(shè)計(jì)時(shí)，適當(dāng)提高鋼桁架的剛度。在鋼結(jié)構(gòu)安裝時(shí)，考慮到結(jié)構(gòu)在幕墻重力荷載作用下的沉降，環(huán)形鋼梁的實(shí)際定位線經(jīng)計(jì)算需比設(shè)計(jì)定位線上調(diào)，在本區(qū)的幕墻安裝完成后，環(huán)形鋼梁實(shí)際定位線在幕墻重力荷載作用下沉降了約28mm，在上部的幕墻相繼安裝完成后，環(huán)形鋼梁實(shí)際定位線與設(shè)計(jì)定位線最終重合。

　　超高層建筑幕墻安裝首先要將整個(gè)建筑進(jìn)行規(guī)劃分區(qū)，然后按照各區(qū)域特點(diǎn)選擇適當(dāng)?shù)氖┕�機(jī)具。如下圖所示。

　　6.2.2超高層建筑幕墻玻璃的更換

　　由于超高層建筑施工工藝較難，所以工程設(shè)計(jì)的同時(shí)要充分考慮后期維護(hù)的方便性。尤其是玻璃的更換或補(bǔ)片。上海中心大廈和俄聯(lián)邦大廈為例，這兩個(gè)工程在完工后整整花費(fèi)了幾個(gè)月的時(shí)間去更換施工過程中破損的玻璃。

　　因此在幕墻的設(shè)計(jì)階段要合理的選擇幕墻系統(tǒng)，盡量避免隱框系統(tǒng)，選擇更換方便的明框、半隱框或裝配式幕墻結(jié)構(gòu)。另外，目前玻璃破損的更換主要依靠擦窗機(jī)，但清洗機(jī)(詞條“清洗機(jī)”由行業(yè)大百科提供)器人的發(fā)展，注定要替代擦窗機(jī)的主要使用功能，那么取消擦窗機(jī)就會(huì)面臨玻璃更換的新模式。

　　三、超高層建筑幕墻材料技術(shù)應(yīng)用中的問題解惑

　　1超高層建筑幕墻對(duì)幕墻玻璃的要求

　　超高層建筑幕墻對(duì)幕墻玻璃的要求，主要是外觀、節(jié)能、隔音及安全性。

　　第一外觀，玻璃幕墻的外觀顏色主要考慮玻璃外側(cè)的鍍膜面的顏色，還有反射率(詞條“反射率”由行業(yè)大百科提供)的問題，以及光學(xué)變形的問題，另外還有加一些特殊彩釉的效果。幕墻上墻的時(shí)候顏色是反射的，看到的其實(shí)是透過色，所以正常的應(yīng)該是用黑色背景去觀察，觀察反射天空的顏色。因?yàn)殄兡こ�了�?jié)能還有它的顏色非常豐富，配合鍍膜來說，透過率高反射率也高，透過率高反射低，要求通透，透過率低反射率高，這是以前老式的商業(yè)建筑，透過率低反射率也低，顯得比較厚重穩(wěn)重，就是政府大樓這些，所以透過反射有一定的配合意義。鍍膜的反射性，色彩豐富的反射率肯定會(huì)高，金色絕對(duì)會(huì)超過30%的限制，所以這是一個(gè)概念。第二如果像這種無色，反射率就會(huì)低一點(diǎn)，當(dāng)然還有環(huán)境的因素，晴天跟陰天就不一樣，因?yàn)槲覀兡な嵌鄬蛹{米膜，晴天觀測(cè)到的顏色效果肯定會(huì)更好一些。包括光污染的問題，上海都是15—16%的反射要求，深圳是20%的反射要求，幕墻最終要保證這個(gè)顏色的一致性和效果，所以反射率太低，反正不利于顏色一致性的遮蔽效果，當(dāng)然像裙樓對(duì)交通影響很大的，這個(gè)一定要控制反射率，主體可能反射率還是要去平衡。同時(shí)還有光畸變的問題，玻璃整體板面的變形無可避免。同時(shí)這個(gè)變形除了玻璃本身的設(shè)計(jì)，鋼化質(zhì)量，厚度設(shè)計(jì)有關(guān)系，還包括環(huán)境因素，安裝因素。

　　第二節(jié)能，首先我們要看熱源，第一個(gè)來源就是陽光輻射，有太陽就可以輻射，第二是遠(yuǎn)紅外線輻射，對(duì)于輻射來說，陽光輻射主要通過遮陽，遠(yuǎn)紅外輻射主要通過輻射率，輻射率的概念其實(shí)就是遠(yuǎn)紅外的吸收率，對(duì)紅外基本不吸收，90%都被反射掉了。衡量這個(gè)玻璃節(jié)能的指標(biāo)，熱量傳遞最主要的還是SC和U值，U值可以根據(jù)公司計(jì)算出來的，其實(shí)U值大家記住這三點(diǎn)，一個(gè)玻璃結(jié)構(gòu)的配置，只要跟它整個(gè)材料的導(dǎo)熱系數(shù)有沒有變化，輻射率有沒有降低，空氣的厚度有沒有改變，這三個(gè)因素就會(huì)決定它最后的K值或者U值。普通玻璃的導(dǎo)熱系數(shù)是1，因?yàn)樗�的空氣�?dǎo)熱系統(tǒng)只有0.024，導(dǎo)熱系數(shù)、輻射率和空氣層的厚度就決定了玻璃層的K值。這是降低玻璃K值的方法，為什么說夾層K值比較高呢?導(dǎo)熱系數(shù)沒有變，輻射率沒有變，拿這三個(gè)指標(biāo)去判斷，這是一個(gè)依據(jù)。另外一個(gè)因素就是空氣層厚度，這里有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也有理論分析，美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)跟中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)一樣，大概12厚是最佳的厚度，按照歐洲標(biāo)準(zhǔn)大概16，同時(shí)根據(jù)氣侯條件，北方偏12，南方偏16會(huì)更好一點(diǎn)，因?yàn)檫@里面的差別就是邊界和室內(nèi)外的條件，中國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)U值和SC值總是偏大一點(diǎn)，所以在討論的時(shí)候一定要明確你到底是哪個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，所以一定要有一個(gè)統(tǒng)一的前提條件。SC值這里面有一個(gè)概念，SC值透過玻璃太陽能隔熱因子，完全用g值就可以衡量過熱的效果，SC值是大于g值的，整個(gè)太陽能直接透過，280—2500納米。這個(gè)圖可以更直觀的說明普通玻璃隔離紅外線的能力，同時(shí)對(duì)于雙銀和單銀的區(qū)別，光熱比會(huì)更高一些。同時(shí)北方的遮陽也有問題，北方高好還是低好?夏天用來遮陽，越低越好。同樣的遮陽系數(shù)0.37的情況下，單銀大概35，雙銀62，差了將近30個(gè)點(diǎn)，遮陽系數(shù)可以用來衡量遮陽的效果，但是遮陽的效果不能只用SC來衡量，單用SC來衡量不科學(xué)。這里面有一個(gè)概念，引入了LSG，更科學(xué)的評(píng)價(jià)玻璃的采光和隔熱，單銀1.2、1.3，雙銀做到1.5、1.6，它們之間有這樣的內(nèi)在關(guān)系。說到節(jié)能，北方關(guān)注K值，南方關(guān)注SC值，當(dāng)然現(xiàn)在節(jié)能已經(jīng)走到了第四步，三步節(jié)能相比國(guó)外來說，我們能耗還是高50%，所以現(xiàn)在提到第四步節(jié)能，再節(jié)省30%，累計(jì)節(jié)能達(dá)到75%。

　　第三隔音，聲音基本知識(shí)，因?yàn)楦袈曔@一塊開始關(guān)注越來越多，里面還有一些誤區(qū)。聲音的特征就是特質(zhì)強(qiáng)度，還有分貝值，在20赫茲和2萬赫茲，比如3分貝變化感覺不到，5分貝會(huì)有感覺，10分貝感覺非常明顯，我們的會(huì)場(chǎng)環(huán)境大概50、60分貝。隔聲材料都有三個(gè)原理，第一是共振效應(yīng)，第二是表面質(zhì)量定律，質(zhì)量越大，它的隔聲的損失會(huì)越大，一般來說質(zhì)量增加一倍，隔音值會(huì)增加6個(gè)分貝，同時(shí)對(duì)空氣層的厚度，我們普通的住宅門窗595的結(jié)構(gòu)隔音效果不好，雖然有9毫米的空氣層，但是遠(yuǎn)達(dá)不到要求，其實(shí)還不如單片，所以隔音值至少要超過10對(duì)隔音才有貢獻(xiàn)。同時(shí)空氣層12的時(shí)候，附加值大概有1分貝，再加上調(diào)整系數(shù)，翻倍的話只增加3個(gè)分貝，所以這是跟空氣層厚度表面質(zhì)量的關(guān)系。吻合效應(yīng)，所以隔音的角度8+6肯定比8+8要好。其實(shí)中空比單片玻璃的隔音還差，單片會(huì)小于夾層，夾層中空會(huì)更好，普通夾層都可以到38、39，如果像我們高端幕墻夾層中空，這個(gè)隔音是最佳的配置，比如6、1.52，或者8的話，這個(gè)隔音值會(huì)更高，外面80分貝很吵，但是你通過玻璃一隔，窗要配合起來，室內(nèi)只有40分貝，40分貝就會(huì)非常安靜。

　　第四安全，鋼化玻璃自爆的原因是什么?鋼化玻璃在沒有機(jī)械外力作用下會(huì)產(chǎn)生自爆，除了玻璃本身其實(shí)還有設(shè)計(jì)的因素，也有包括安裝的因素，不一定所有的自爆都是玻璃本身。關(guān)于這個(gè)話題，國(guó)家3月份也出臺(tái)了新的規(guī)定，關(guān)于進(jìn)一步增加幕墻安全防護(hù)的通知，建筑門窗幕墻用鋼化玻璃，4月1號(hào)剛開始執(zhí)行，這里面有五點(diǎn)避免鋼化玻璃自爆的方法：第一選擇優(yōu)質(zhì)平板玻璃;第二適度鋼化;第三保證鋼化玻璃表面應(yīng)均勻;第四提高鋼化玻璃邊部加工質(zhì)量;第五限制鋼化玻璃尺寸。因?yàn)楝F(xiàn)在建筑尺寸越做越大，比如6毫米建議最好不要超過3個(gè)平方，8毫米4個(gè)平方，10毫米5個(gè)平方，建議大家在考慮幕墻設(shè)計(jì)過程中盡量把尺寸做小一點(diǎn)，這個(gè)對(duì)安全來說肯定有好處。自爆解決方案，第一是均質(zhì)處理，第二是夾層鋼化，第三是SGP夾層，它的性能非常好，安全性非常高，但是造價(jià)非常貴，第四是半鋼化夾層，第五是超白玻璃，因?yàn)槌�白的鐵含量只有普通玻璃的1/10，最主要的優(yōu)勢(shì)就是缺陷非常少，同時(shí)還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是它的顏色非常白。

　　2 石材與陶土板性能對(duì)比

　　3鋁型材設(shè)計(jì)難點(diǎn)

　　3.1 鋁型材的截面特性設(shè)計(jì)

　　目前，大部分的幕墻設(shè)計(jì)師對(duì)鋁型材計(jì)算完全依靠于結(jié)構(gòu)計(jì)算，基礎(chǔ)的計(jì)算知識(shí)匱乏，而絕大部分的結(jié)構(gòu)計(jì)算人員同時(shí)對(duì)幕墻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)沒有合理的優(yōu)化能力。所以會(huì)往往產(chǎn)生很大的浪費(fèi)。所以在實(shí)際設(shè)計(jì)中，幕墻設(shè)計(jì)師應(yīng)掌握基本的結(jié)構(gòu)計(jì)算知識(shí)，同時(shí)應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)計(jì)算人員進(jìn)行幕墻基本知識(shí)培訓(xùn)，提高結(jié)構(gòu)優(yōu)化能力。

　　3.2 鋁型材的加工與組裝

　　對(duì)超高層建筑玻璃幕墻來說，產(chǎn)品的加工與組裝、安裝精度要求會(huì)很高，所以鋁型材的加工與組裝工藝越簡(jiǎn)單、工序越少就越容易保障產(chǎn)品的質(zhì)量，特別是針對(duì)異型玻璃幕墻。

　　3.3鋁型材的表面劃傷、擦傷、碰劃

　　鋁型材(除先天缺陷外)表面劃傷、擦傷、碰劃等后天缺陷，產(chǎn)生于型材商家的擠壓過程、轉(zhuǎn)運(yùn)、包裝、發(fā)運(yùn)等;幕墻廠家的加工、轉(zhuǎn)運(yùn)、運(yùn)輸、包裝、組裝、存儲(chǔ)、安裝等等環(huán)節(jié)，應(yīng)盡量加大在每個(gè)環(huán)節(jié)的質(zhì)量控制，特別對(duì)超高層建筑，因風(fēng)力較大，所以在吊裝安裝過程中，必須進(jìn)行防磕傷保護(hù)措施。將缺陷降到最低，并引進(jìn)新型的修補(bǔ)工藝。