建談我筑國幕的墻技時術的尚發展裝點

中國建筑科學研究院 趙西安

上一個世紀九十年代，我國全面改革開放，城市建設迅猛發展，辦公樓、酒店、大型公共建筑大量興建，給幕墻行業帶來了空前廣闊的機遇，幕墻工程進入高速發展的新十年。

一 、我國幕墻發展輝煌的三十年

1. 誕生和成長的第一個十年（1981～1991）

幕墻最初出現在美國，1931年就建成了381米高的摩天大樓—紐約帝國大廈，采用了石材幕墻。1951年紐約利華大廈首次向人們展示了一座全新的玻璃方盒子，這座由玻璃和金屬組成的玻璃幕墻建筑宣告現代主義建筑時代的開始。

30年之后，作為現代主義建筑代表元素的玻璃幕墻終于出現在東方地平線。1981年，廣州廣交會展館的正面出現了一片令人驚奇的玻璃外墻，當時人們還不知道“幕墻”這個稱呼，但它已經具有玻璃面板和金屬支承框架這兩大特征，也許可以作為我國幕墻時代開始的標志（圖1）。

圖1 廣交會展館—第一片玻璃幕墻

圖2 北京長城飯店—第一座玻璃幕墻建筑

圖3 深圳國際貿易中心1985

圖4 深圳發展中心1988

圖5 北京國貿中心1988

真正具有代表性的幕墻工程是1984年建成的北京長城飯店，這座銀光閃閃的劃時代建筑讓看慣了無光澤材料實墻面建筑的人們眼前一亮，了解了什么是現代主義的建筑（圖2）。不過由于是第一步，這座單元式中空玻璃明框幕墻的板塊是在比利時制作的，國內負責安裝。通過這個工程的實踐，我們第一次接觸到幕墻的設計施工技術。

幕墻一旦出現，就迅速在國內各大工程中得到應用，其發展之迅猛超出了人們的想象。1988～1991年間，采用玻璃和鋁板幕墻的高層建筑如同雨后春筍在各地出現（圖3～圖8）。

其中，深圳國際貿易中心是國內第一個超過50層、超160米的工程，首次采用了茶色玻璃和鋁板。

北京國貿中心則全部為茶色中空玻璃明框幕墻。1988年建成的深圳發展中心是國內第一個隱框玻璃幕墻。

2．波瀾壯闊的第二個十年（1991～2001）

圖6 廣東國際大廈208米，1990

圖7 北京京廣大廈210米，1990

圖8 上海國貿中心139米，1991

圖9 廣州市長大廈金色反射玻璃

圖10 深圳地王大廈325米，1995

圖11 廣州中信大廈322米，1996

上一個世紀九十年代，我國全面改革開放，城市建設迅猛發展，辦公樓、酒店、大型公共建筑大量興建，給幕墻行業帶來了空前廣闊的機遇，幕墻工程進入高速發展的新十年。

新的玻璃面料使幕墻更加多姿多彩（圖9），玻璃幕墻在1995年突破了300米的高度（圖10、圖 11）。

1995年第一個點支幕墻工程—多大型公共建筑的玻璃幕墻應用打開了技術之門（圖12～圖15）。

1997年，深圳新時代廣場建成，石材幕墻達到了175米的空前高度（圖16）。而上海的東方明珠電視塔則將雙曲鋁板和玻璃板幕墻應用于超高特種構筑物（圖17）。1998年上海金茂大廈將玻璃幕墻的高度提升至420米（圖18）。

3．技術水平迅速提高的第三個十年（2001～2011）

第三個十年，幕墻年生產量已超過5000萬平方米，而且逐年增長的勢頭正旺，占世界幕墻年產量80%以上，成為世界幕墻生產大國。

更重要的是，在第二個十年大量工程實踐經驗積累的基礎上，第三個十年我國幕墻技術水平有了質的飛躍，不僅保持幕墻大國的地位，更向幕墻強國邁進。

近十年幕墻技術水平提高主要表現在：

（1）幕墻做法新穎特別：許多工程采用不規則分塊幕墻、非光滑表面幕墻、大曲率雙彎板材、特殊外飾和遮陽板、復雜表面形狀和新奇構思的幕墻等。

圖12 康佳展覽館鋼桁架點支玻璃幕墻

圖13 南寧國際會展中心，采用了大面積明框幕墻和張拉膜采光頂

圖14 北京天文館大量雙彎中空夾膠點支承玻璃

圖15 深圳機場航站樓六點支承鋼化玻璃

（2）新型材料的應用：特種玻璃、不銹鋼和鈦銅鋅等非鋁金屬板、砂巖洞石等非花崗巖石板、陶板、PVC板和ETFE膜材已在工程中大量應用。

（3）柔性和剛柔結合的支承結構系統應用：張拉索桿結構支承和索網支承幕墻廣泛采用。

（4）雙層通風幕墻。

（5）光伏幕墻和光伏—視頻幕墻。

（6）幕墻的研究工作廣泛開展。

（7）高精尖幕墻的設計與施工，超高和超大規模幕墻建造技術提高。

（8）承接海外工程的能力大大增強。

下面將介紹三十年來，特別是第三個十年中我國幕墻技術的進步。

二、幕墻的新表現形式

1．非常規劃分板塊的幕墻

大多數幕墻采用四邊形板塊，

圖16 深圳新時代廣場花崗巖幕墻175米

圖17 上海東方明珠430米

圖18 上海金茂大廈420米

圖19 廣州塔雙曲拋物面塔身第108層

圖20 上海航務局辦公樓

圖21 成都博物館墻面三角形劃分

圖22 上海逸仙大廈蜂窩形劃分

圖23 深圳灣體育中心變異菱形劃分

圖24 深圳華僑城美術館六邊形分格

圖25 上海自然博物館細胞組織形玻璃幕墻

圖22～圖25為采用各種不同類型板塊的一些工程近年來幕墻形狀日趨復雜，采用三角形板塊更能適應復雜的曲面（圖19～圖21）。

2. 非光滑表面的幕墻

幕墻的板塊是立體的盒子或者簸箕，形成凹凸進出的立體墻面，得到特殊的藝術效果（圖26～圖30）。

當幕墻為復雜的雙曲面時，采用立體板塊單元能方便調節，容易擬合預定的曲面。北京鳳凰傳媒中心為輪胎形墻面，由簸箕型玻璃板塊拼合而成（圖31）。

3. 形式多樣的新穎遮陽裝置

圖26 深圳新世界中心點支玻璃盒子，鋼爪有7個支承頭

圖27 北京第一商城，鋁板和玻璃的立體盒子

圖28 廣東圖書館凹凸花崗巖幕墻和幕墻的細部

圖29 南京紫峰大廈，450米 立體玻璃簸箕組成階梯形墻面

圖30 深圳機場三號航站樓25萬平米（左）采用菠蘿皮形的立體鋁板，空檔是玻璃板（右）

圖31 北京鳳凰傳媒中心輪胎形玻璃幕墻（左）和簸箕形玻璃板塊布置（右）

圖32 杭州某會所夾膠玻璃圓盤點支幕墻

圖33 青島某銀行波浪形幕墻

圖34 天津中鋼大廈立體蜂窩形外墻

新型遮陽板也是組成幕墻新穎手法的一部分。圖35～圖37是幾個典型的實例。

圖32是杭州某會所的圓盤玻璃板點支幕墻，采用藍色夾膠玻璃。還有許多幕墻采用了更為時尚的新穎作法（圖33、圖34）。

三、新型材料的應用

1．各種新型玻璃

超大尺寸玻璃

圖35 深圳波浪形不銹鋼管遮陽裝置

圖36 北京百度總部大波浪遮陽

圖37 成都西部金融，10mm鋁板沖孔

圖38 蘇州文化中心，三層不同圖案鋁板疊加

目前國外生產的熱彎鋼化夾膠玻璃的最大長度為6米。2010年我國已經生產了12.6米X2.6米的熱彎鋼化三夾膠超大規模的玻璃，用于上海蘋果專賣店，每塊超大玻璃的售價達RMB100萬元（圖39）。2011年 已 經 生 產15.0米X3.6米的三塊12毫米夾膠玻璃（圖41、圖42）。不久，長度達18米的產品將供貨。

離子性和反射型中間膜新型夾膠玻璃

圖39 上海蘋果店，圓形玻璃墻12片12.6mX2.6m超大熱彎三夾膠

現在大多數幕墻用夾膠玻璃采用PVB中間膜，這種中間膜剪切模量G 較低，而且隨溫度升高而急劇降低，所以在進行夾膠玻璃承載力設計時不考慮其整體作用，按兩片單片玻璃計算。而離子性中間膜（商品名稱SGP）剪切模量G比PVB 高得多，對溫度敏感度較低，可以考慮夾膠玻璃的部分整體作用，因而可以提高夾膠玻璃的承載力，滿足大風力下大尺寸玻璃的受力要求。上海蘋果店玻璃的尺寸達12.6米；廣州塔玻璃幕墻高度達460米，它們的夾膠玻璃都采用了SGP 中間膜（圖42、圖 43）。

圖40 13.8mX2.85m超大夾膠熱彎鋼化玻璃，厚度12mm，三片

圖41 15.0mX3.65mx19mm超大超白玻璃原片

圖42 上海蘋果店（左）和SGP五夾膠玻璃（右）

圖43 廣州塔（左）和SGP 雙夾膠中空玻璃（右）

我國海南、廣東南部和廣西南部等夏熱冬暖地區，冬季不取暖而無保溫要求；夏季以防太陽輻射為主。采用反射型中間膜（商品名稱XIR）的夾膠玻璃即可滿足節能要求，無須做成夾膠中空玻璃。單夾膠與夾膠中空相比可節省玻璃30%～50%，而且自重減輕后使支承結構用材相應也減少，節材也就是節能和減排。深圳證券交易中心的采光頂和大運會體育館的玻璃幕墻都用XIR單夾膠玻璃代替了原設計的夾膠中空玻璃（圖44、圖 45）。

真空玻璃

與中空玻璃不同，真空玻璃中間層只有2mm厚，抽成真空。其保溫隔熱性能可以滿足要求。北京天恒大廈采用了8000平方米的真空玻璃，這也是目前世界上最大的真空玻璃幕墻工程（圖46）。

2. 各種金屬板

圖44 深圳證交所采光頂XIR夾膠玻璃

圖45 深圳大運會體育館XIR 夾膠玻璃幕墻

圖46 北京天恒大廈真空玻璃幕墻

圖47 電視文化中心鈦鋅板幕墻

圖48 北京新保利大廈紅銅板幕墻

圖49 北京首都博物館仿古青銅板幕墻

圖50 中國科技館不銹鋼圓球

圖51 國家大劇院鈦復合板幕墻

金屬幕墻常規采用鋁板?，F在，根據建筑設計的各種要求，不銹鋼板、銅板、鈦板和鈦鋅板已在多個大型工程中采用（圖47～圖51）。

3. 陶板

陶板風格古樸，防火、耐久和容易維護。尺寸通常寬150mm～300mm，長450mm～900mm，厚15mm～30mm ，開有縱向通孔。通過背槽、掛件連接到橫梁。板邊有企口，開縫不打膠（圖52）。目前已經在許多工程應用（圖53）。

4．非花崗巖石板

花崗巖石板幕墻已廣泛應用，目前最高的花崗巖幕墻為廣州廣晟大廈，建筑高度330米，石材幕墻高280米（圖55）。

近年來，砂巖、大理石、洞石等強度較低的非花崗巖石材普遍應用于公共建筑和高層建筑的幕墻。

非花崗巖石材要求表面防水處理，背面加貼玻璃布，并宜采用背部連接（圖56～圖59）。

四、新的幕墻系統

1．索網點支玻璃幕墻

圖52 中國建研院辦公樓陶板幕墻在施工

圖53 北京飯店新樓采用陶板幕墻

圖54 清華大學校史館陶板幕墻，鉆石形墻面（左）和水平線墻面（右）

圖55 最高的花崗巖幕墻—廣州廣晟大廈，280米

圖56 最高的石灰巖幕墻—青島財富大廈，240米

圖57 最高的洞石幕墻—天津地鐵大廈，175米

圖58 最高的砂巖幕墻—廣東發展中心，150米

圖59 最大面積的紅砂巖公共建筑— 廣州白云國際會議中心，紅砂巖幕墻及屋面 60000平方米

圖60 哈爾濱會展中心，豎向單索

圖61 北京新保利大廈，三棱面索網

圖63 上海中國航海博物館，船帆高78米（左），馬鞍形索網高54米（右）

圖62 90mX70m超大索網內觀

圖64 馬鞍形索網采光頂屋面

索網結構通常是雙向布置張拉鋼索。當跨度不超過15米時，幕墻也可以沿豎向單向布索，采光頂可以沿短向布索。索網是技術含量較高的結構系統，其設計涉及大撓度下的非線性結構分析，而且要考慮溫度和初拉力的影響；其施工則要考慮預拉力的合理張拉分級和順序，復雜程度較高。國內最早的拉索幕墻是哈爾濱國際會展中心（圖60）。目前最大的單張索網是北京新保利大廈，90米X70米，三棱面（圖61、圖62）。上海中國航海博物館采用了兩張54米高的馬鞍形索網（圖63），張拉在高度為78米的鋼骨混凝土“船帆”上。馬鞍形索網還用于采光頂屋面（圖 64）。

圖65 鄂爾多斯90米豎索

圖66 昆明機場屋蓋用金色“飄帶”支承，索網穿過“飄帶”中間。

圖67 深圳北站總面積超過20000平方米的索網幕墻

圖68 防止地震時被拉斷，鋼索設置彈簧保險裝置

最近，超大規模的索網在大型公共建筑廣泛使用，其規模和技術難度在世界上都是前所未有的。圖65為鄂爾多斯賽馬場的超大單向索幕墻，高度達90米。昆明新機場索網幕墻面積達20000平方米，更困難的是鋼索都必須從彎曲的鋼“飄帶”的中間穿過（圖66）。京深港高鐵深圳北站的索網幕墻總面積也超過了20000平方米，為此還進行了整片實大幕墻的施工模擬試驗（圖67）。

北京是抗震8度設防地區，國家網管中心和土城移動電話局都在兩座獨立的建筑之間布置索網，地震時兩座建筑的相對位移將會拉斷鋼索，為此開發、安裝了世界首個水平索端部彈簧保險裝置（圖68）。

2．雙層通風幕墻

雙層通風幕墻由外幕墻、內幕墻或門窗以及它們之間的熱通道構成。用自然通風或機械通風在熱通道形成穩定的氣流，改善室內環境，有時還可以降低取暖和空調的能耗。我國最早的雙層通風幕墻是北京會計師培訓中心（圖69）。此后各地陸續建造了許多工程，同時也在探索這項新技術的合理應用途徑（圖69～圖74）。

圖70 熱通道：北京旺座大廈

圖71 熱通道：武漢精綸辦公樓

圖72 深圳電視中心，透鏡形點支式雙層通風幕墻（左）和熱通道（右）

圖73 熱通道： 南京人壽保險公司

五、光伏幕墻和光伏屋面

現在新的理念是：幕墻不僅要節能，而且要產能。這就是所謂“能量平方”的概念。光伏幕墻利用光伏電池將太陽的光能轉變為電能，這是一種清潔能源，特別是日本福島核電站發生事故后，我國發展光伏能源的勢頭更猛。

六、幕墻技術的研究工作

1．幕墻設計方法的研究

玻璃面板的設計方法

近年來，對玻璃面板的受力性能作了許多工作，主要是點支承面板支承點周邊應力分布的研究、玻璃板大撓度狀態下的性能和設計中對幾何非線性的考慮方法等。

夾層玻璃的設計方法引起很大的關注，常規設計方法是不考慮中間層的作用，將夾層玻璃按兩片玻璃疊加計算。由于離子性中間膜SGP的應用，中間層對整體受力的貢獻已經不能忽略，考慮中間層作用的設計方法已經進行了許多工作，并將在規范修訂時予以考慮。

支承結構設計方法的研究

索網體系的結構設計計算是研究的重點方向。柔索的工作特點是大撓度、幾何非線性。而且除了常規的重力荷載、風荷載以及地震作用外，索網還要考慮預拉力和溫度作用，預拉力要能確保鋼索在高溫下不松弛，在低溫下不拉斷，這都需要總結工程經驗，要進行理論分析?，F在已經形成了一套較完善的索網設計方法。

圖74 江西新余，500kW 光伏屋面

圖75 上海世博會中國館，3000平方米光伏物面

圖76 世博會主題館，30000平方米光伏板

雙層幕墻的應用對結構設計提出了新的問題，內外幕墻結構的共同工作問題已經開始做工作，內幕墻支承結構風荷載取值問題已經提到議事日程。

幕墻節能和熱工計算

由于幕墻節能設計是一票否決的大事，這幾年各種形式幕墻的節能和熱工計算成為集中研究的課題。目前多個版本的計算軟件都在工程中應用。

圖79 浙江建研院薄膜電池墻面

圖78 薄膜電池光伏幕墻辦公樓

圖77 汕頭金剛公司關伏屋頂

圖80 保定電谷酒店，窗口光伏元件

圖81 SGP高性能夾膠玻璃性能試驗

圖82 CCTV大樓防爆玻璃試驗

圖83 18米X24米大型試驗箱（左）和CCTV玻璃幕墻分區的四性試驗（右）

圖84 深圳北站索網幕墻區段樣板

熱通道氣流狀況和熱工性能的研究

雙層通風幕墻雖然已經在工程中應用，但是對熱量在其中的傳遞過程和熱通道空間的氣流狀況還是不夠了解的。利用計算軟件，進行數值模擬是當前最主要的研究手段。

2．新型材料性能試驗

近年來進行了許多新材料的性能試驗，為三新（新材料、新技術、新工藝）核準提供技術依據，為新材料在工程中實際應用創造條件（圖81～圖82）。

3．大型工程的性能試驗

常規四性試驗已經普遍在幕墻工程中采用。對于一些大型工程還進行了專門的試驗研究工作。

中央電視臺工程項目技術復雜，難度很大，為此專門建造了18米X24米的超大試驗箱，18米高的幕墻菱形區域整體進行多項測試（圖83）。 深圳北站有20000平方米的索網幕墻，設計施工難度較大，為此專門建造了實大樣板，進行設計校核和施工過程的研究（圖84）。

4．幕墻振動臺試驗

振動臺試驗是研究幕墻抗震性能最直觀、最真實的試驗方法。我國最大的振動臺臺面已經達到6米X 6米，載重60噸。進行過很多幕墻的振動臺試驗，其中包括幕墻的形式實驗和對特定工程項目的幕墻試驗（圖85～圖87）。

圖85 鋁板和石材幕墻試驗

圖 86 陶板幕墻試驗

圖87 CCTV大樓玻璃幕墻試驗

七、幕墻標準規范

我國在九十年代初著手進行我國建筑幕墻標準規范的編制工作。在總結我國幕墻工程經驗和科學研究成果的基礎上，先后頒布施行《玻璃幕墻工程技術規范》JGJ 102-96和《金屬與石材幕墻工程技術規范》JGJ 133-2001，大大提高了我國幕墻工程的設計施工水平。2003年，修訂后的《玻璃幕墻工程技術規范》JGJ 102-2003頒布施行，JGJ 133規范的修訂工作也在進行中。2008年汶川大地震和2010年玉樹大地震的震害調查表明：我國的幕墻規范經受了地震的考驗，按照規范進行設計施工的幕墻工程，達到了設防烈度下保持完好或基本完好的要求，甚至在超烈度的強震下，也還能保持完整（圖88～圖92）。

圖88 綿陽（9度）幕墻完好

圖89 都江堰（9度）玻璃幕墻完好無損

圖90 青城山（9度）幕墻完好無損

圖91 玉樹機場玻璃幕墻震后完好無損，保證了救災

圖92 玉樹隱框幕墻完整

八、 小結

回顧我國幕墻技術發展三十年的歷程，我們感到無比的興奮和自豪；展望未來，我們看到廣闊的前景，同時也會感到任重而道遠。我們承擔著將我國從產量高的幕墻大國轉變為技術高的幕墻強國的歷史重任。讓我們為此而共同努力。