雙中空玻璃幕墻在中信大廈中的應用

秦繼紅，徐 立

(中信和業投資有限公司，北京 100026)

1 工程概況

1.1 項目概況

中信大廈位于北京市商務中心區核心區，東至金和東路，南鄰規劃中的綠地，西至金和路，北至光華路，項目規劃用地面積11 478m2，總建筑面積43.7萬m2，其中地上35萬m2，地下8.7萬m2；建筑高度528m，地上108層，地下8層，深度達40m，基礎樁深100m，是北京最高且最深的建筑。以辦公為主，為集會議、觀光及多功能商業的超高層智能化建筑，該工程于2013年7月30日開工，2018年12月20日完工。建筑效果如圖1所示。

1.2 結構形式

主體結構形式為內筒采用鋼骨勁性混凝土結構(型鋼柱、鋼板剪力墻)，外筒采用由混凝土巨型柱、巨型斜撐和帶狀桁架組成的三維巨型框架結構，結構鋼材最高材質為Q390GJC，厚度達120mm，是世界上唯一一幢結構高度>500m、抗震設防烈度為8度的超高層建筑。

1.3 幕墻系統

幕墻系統形式多樣，包含單元式幕墻系統、框架式幕墻系統、半單元式幕墻系統、巨柱區域的鋅板系統、拉索幕墻系統、觀光入口玻璃及石材幕墻系統。面積占比最大的標準層可視區域采用雙中空超白夾膠Low-E 玻璃；窗間墻采用夾膠中空超白 Low-E 玻璃及氟碳噴涂鋁背襯板，外立面設置通長豎向鋁合金裝飾翼，擦窗機導軌隱藏于豎向鋁合金裝飾翼槽口內，與擦窗機導向輪配合緊密連接、安全可靠，全彩LED燈帶隱藏于豎向次肋，是拉索幕墻設置高度(503～522m)最高建筑。

2 幕墻設計選擇

2.1 幕墻造型需要

中信大廈在設計造型的同時兼顧了城市效果、結構限制及功能需求，需解決位于8度抗震設防區的技術難度外，主要設計難題為如何以中國傳統禮器“樽”為主題，創作出既與古都歷史面貌相呼應，又面向未來并富有動態和曲線形體創意的首都新地標，同時要在高度上超越同樣在8度抗震設防區高度>500m的臺北101大廈。經組織多家設計單位反復研討、對比和論證，在完成的14個設計方案中最終選擇平面為圓角方形，塔樓底部寬78m、中部收分處寬54m、頂部寬69m的方案。各層輪廓尺寸因塔樓外形曲線變化而略有不同，自下而上自然縮小，頂部逐漸放大，最終形成中部有收分曲線形建筑。

2.2 玻璃幕墻方案論證

超高層建筑空調系統能耗巨大，占大廈運營總能耗55%以上。為降低超高層項目運營成本，經測算及論證，提高幕墻系統熱工性能，降低系統能耗是性價比最好的解決措施。針對如何提高系統熱工性能，選擇3個方案進行綜合比對。

2.2.1方案1 增加中空層厚度并填充惰性氣體

對中空玻璃中空層進行針對性優化，能起到提高幕墻熱工性能的作用。將最初設計的中空層常規厚度12mm提高至16mm甚至20mm，經測算，能小幅度提高傳熱系數U值；在中空層中充入惰性氣體氬氣或氦氣，能顯著提高U值。但中空層內惰性氣體帶來的性能提升，只在實驗室能有效檢測。在實際工程中，惰性氣體的填充質量很難控制，對熱工性能的直接影響也不易測量。雖然玻璃制造工藝水平穩步提高，但截至目前，惰性氣體在中空層的逸散問題仍未得到有效解決。試驗觀察發現，當幕墻板塊安裝完畢，中空層內惰性氣體即因溫度冷熱循環而開始逸散，當惰性氣體逸散至填充量80%后，即認為中空玻璃性能不能達到設計標準。根據國內外一流幕墻廠家制作經驗，在現有最好的填充工藝和玻璃封邊技術條件下，投入使用5年后的中空玻璃，將因惰性氣體逸散而導致熱工性能顯著下降。

2.2.2方案2 采用雙層幕墻系統

雙層幕墻也稱主動式幕墻，通過內、外2層相對獨立幕墻構造形成空氣墻，阻斷室內外熱交換。雙層幕墻分為內循環式、外循環式和混合式，優點為隔熱、隔聲效果好，缺點為構造復雜、造價高、維護成本高，特別是室內實用空間占用大。中信大廈7～102層為辦公樓層，總周長>25km。若采用雙層幕墻系統，則需在室內側沿每層樓板邊緣向內收，大幅增加幕墻系統厚度，減少室內辦公可使用面積；若采用內循環雙層幕墻，幕墻系統厚度需增加300mm，將占用室內可使用面積約7 650m2；若采用外循環幕墻，幕墻系統厚度需增加600mm，將占用室內可使用面積約15 300m2。因此，采用雙層幕墻整體將降低大廈出房率，降低使用品質。

2.2.3方案3 采用單中空玻璃與雙中空玻璃論證

雙中空玻璃幕墻構造簡單，性能穩定。僅在原設計單中空玻璃方案上增設1道12mm厚中空層和1片8mm厚鋼化玻璃，與單中空玻璃幕墻系統對比，僅改變了玻璃配置，未提高幕墻系統構造復雜程度。無需考慮中空層充入惰性氣體的性能逐年下降，也不會大幅度減少室內可用空間面積。國內同類超高層建設項目中，中空玻璃為普遍選擇，根據國內一線工業玻璃供應單位提供的資料顯示，中空玻璃根據不同鍍膜，傳熱系數U為1.4～1.6。采用雙中空玻璃，U可控制在1.2～1.3，能有效將熱工性能全面提升，是幕墻系統的理想解決方案。

為確保幕墻整體性能，組織幕墻顧問、節能顧問、設計單位、物業運維公司、幕墻實施單位在遮陽系數、隔熱性能、隔聲、舒適度、造價及節能持續性等多方面對雙中空玻璃和單中空玻璃綜合分析比對，雙中空玻璃綜合性能均優于單中空玻璃，最終在標準辦公樓層全面采用雙中空玻璃，這在同類超高層項目中尚屬首次。雙中空玻璃在建設期比單中空玻璃投入的成本增加1 000萬元，經測算，后期運營過程中，即使在未來能源價格不上漲的前提下，通過節約能源約經過10年即可收回投資；如能源價格持續上漲，投資回報期將大幅縮減。

鋼化玻璃自爆無法避免，若采用雙中空玻璃，優勢會突顯：因幕墻玻璃自爆破損后，更換玻璃的材料成本和措施費用極高，備貨及更換時間至少45d，在此期間給客戶造成壓力及不便導致辦公效率降低。

在運維階段，若采用3層4片雙中空玻璃，即使外層某片玻璃發生破損，PVB膠片能保障外層玻璃在更換前不散落，不影響正常使用；若中間層玻璃破損，不會產生安全隱患，且幕墻常規隔熱功能完整，不影響正常使用；若內層玻璃破損，存在玻璃散落風險，可能造成客戶使用中的緊張情緒，但因采用雙中空玻璃，可破除內層破損玻璃，消除安全風險，仍具備幕墻常規隔熱功能，也不影響正常使用，如圖2所示。

圖2 雙中空玻璃示意

經多次方案對比和論證，最終采用雙中空夾膠玻璃，性能對比如表1所示。

表1 玻璃幕墻方案性能對比

3 幕墻設計

3.1 幕墻視覺樣板

2012年，中信大廈初步設計圖紙完成后，為確保大廈整體外觀效果，通過招標選取幕墻樣板施工單位，在其加工廠按初步幕墻圖紙進行視覺樣板安裝。視覺樣板安裝完成后(見圖3)，通過效果對比，確定大廈整體外立面建筑設計方案，不同部位玻璃配置及膜系，拉索幕墻系統索具表面處理方式，鋁板及鋁型材顏色、表面處理等細節，明確系統細部構造節點做法并限定玻璃等主要材料供應商的范圍，從而鎖定幕墻系統成本，為幕墻工程設計、招標和實施奠定堅實基礎。

圖3 幕墻分布及視覺樣板

3.2 標準樓層設計

根據抗震和抗風擺功能和安全要求，幕墻整體采用單元式幕墻體系，除首層人員進出大門和設備層通風口開口，其余部位均封閉。為完美擬合外立面雙曲面造型并滿足安裝工藝，將大廈每層幕墻分隔為 192個單元體，由于位置不同，每塊幕墻板塊均存在差異。

基于大廈設計理念和造型特點，為達到44%通透率和高效熱工性能，以達到大廈外裝飾節能效果并兼顧幕墻清潔、維護及樓體景觀照明等功能需求，需將樓體外立面設計得簡潔流暢，但為增強表皮肌理豐富性，外表皮設計借鑒了古代“樽”的肌理構成技巧，以豎向鋁合金裝飾翼造型和主次層次化處理，強調弧形體量變化效果。主次間隔2種鋁合金型材豎條，主裝飾翼寬度沿豎向漸變，形成微收分和拉伸的外殼肌理(見圖4)，與大廈形體漸變形成整體和局部呼應關系。不僅在豎向增強了大廈造型效果，而且橫向一致性有助于平邊與彎角之間的平緩過渡。鋁合金裝飾翼斷面為上下統一的三角形，起到一定遮陽效果，同時起到減輕設備層通風口突出性。擦窗機導軌上下連貫設置于裝飾翼中縫，次肋條上下尺寸不變，內部嵌有3條線形全彩LED燈具，其中左右2條用于照射兩側主裝飾翼，中部1條RGB燈帶直射發光，構成大廈樓體景觀照明系統。

圖4 雙中空玻璃幕墻造型

3.3 塔冠及裙擺幕墻設計

大廈105層以上為觀光等多功能商業區域，包括 106 層高度>20m的360°觀光大廳。此處幕墻邊線高低起伏，最高約24m，由豎向鋼桁架支撐，幕墻主肋條連續至頂，但次肋條在其下停止，并由含水平肋板支撐的拉索系統取代，增強了可視部分光線和景觀通透性。整個塔冠采用曲線造型，將頂部天際線設計為波浪形，富有動態。

大廈4層以下為大堂、會議及部分商業區域，在底部造型設計中，為體現裙邊起伏波動，并與頂部曲線造型上下呼應，裙邊采用一體化的雨篷造型，通過在大部分彎曲部位做鱗片形態設計處理，將幕墻簡化為平整板塊間的錯落銜接(見圖5)，簡化了建造及更換的復雜性，減少了幕墻結構因溫度變化而熱脹冷縮導致玻璃板塊變形或損壞，降低成本。

圖5 塔冠及裙擺幕墻造型

4 幕墻安裝

4.1 標準樓層幕墻安裝

為縮短總工期，需幕墻單元板安裝與主體結構施工同步實施，為確保施工安全，必須采用硬質隔離作為防護平臺，利用可調節環形軌道進行幕墻單元板安裝。

大廈主體共劃分為9個施工段，其中標準樓層為7～104層，為其中7個施工段。安裝前，分別在16，28，42，56，72，86，102層搭設外挑3.5m硬質安全防護，在硬防護下2層即14，26，40，54，70，84，100層分別安裝特制固定懸挑2.5m、最大懸挑3.35m可調節雙排環形軌道，利用電動葫蘆在環形軌道移動進行幕墻單元板塊吊裝(見圖6)。

圖6 采用可調節環形軌道現場安裝示意

標準樓層每層單元幕墻板塊共 192個單元，包括64塊鋁合金大裝飾翼和128塊玻璃板塊，其中玻璃單元板塊標準尺寸為：寬1 500～2 100mm，高4 500mm 或5 000mm。 根據每天樓層及幕墻單元板塊安裝順序，提前將待安裝幕墻單元板塊運抵現場，采用塔式起重機將單元板塊吊運至樓層暫時存放，將待安裝單元板塊鋼絲繩與電動葫蘆掛鉤連接，系好防風鎖扣，緩慢啟動電動葫蘆，使單元板塊沿鋼絲繩緩慢提升，單元板塊吊出樓層后，翻轉180°，在環形軌道左右移動至安裝位置后，緩慢向下吊運，進行插接就位安裝，吊點在安裝到位后方可解開。標準樓層每塊單元板塊均采用該方法準確安裝就位，保證了施工安全、質量品質和工程進度。

4.2 塔冠幕墻安裝

105層及以上塔冠部位單元板塊共2 304塊，主要根據結構造型自行設計及擁有自主專利的4臺行走懸臂式吊裝施工設備進行吊裝(見圖7)，75d完成塔冠幕墻單元板塊安裝。

圖7 采用行走懸臂式吊裝設備現場安裝示意

4.3 裙擺幕墻安裝

6層及以下裙擺部位單元板塊共2 484塊，主要利用滿堂紅腳手架+汽車式起重機或卷揚機方式進行吊裝(見圖8)，90d完成幕墻安裝。

圖8 采用滿堂腳手架+汽車式起重機現場安裝示意

5 施工效果

1)通過標準化設計流程，系統性解決幕墻性能、擦窗機導軌、夜景照明等技術難題，成功解決了不規則變化單元體設計、加工、組裝、吊運和安裝等復雜問題，保證安裝精度及視覺效果。

2)幕墻窗墻比為0.44，系統U值控制在1.92W/(m2·K)，氣密性滿足國標4級(中國規范中最高要求)和美標ASTME283，在6.24psf (300Pa)氣壓差下，漏氣率≤0.018 2m3/(min·m2)，在同類超高層項目中最優。

3)雙中空幕墻完成后實測辦公區平均噪聲為 32dB(A),低于設計值45dB(A)。

4)雙中空玻璃的應用實踐證明，在玻璃板塊總厚度受到限制的前提下，雙中空配置為結合建筑美學、空間占用及熱工性能的最佳選擇。

6 結語

在位于8度抗震設防區，采用雙中空玻璃幕墻的超高層建筑尚屬首次，無任何成熟經驗可借鑒，中信大廈經過多方論證、精心設計、綜合選擇、合理組織安裝，克服了安裝工序相互影響、相互搭接和眾多單位配合等難題，在30個月的極限工期內，實現了交付使用目標。