超高層摩天大樓的玻璃幕墻

1、超高摩天大樓的玻璃幕墻嗇趙西安（中國建筑科學研究院100013 北京）1.中國是超高層建筑最多的國家近二十年來，隨著中國經(jīng)濟實力的高速增長，城市化進程加快，基建投資也急劇增多，超大 規(guī)模、超高度的建筑如雨后春筍在各城市拔地而起。中國迅速超過美國，成為世界上超高層建筑最 多的國家。2011年1月，美國新聞周刊發(fā)表了如下的統(tǒng)計數(shù)字:世界總人口：68.96億；已建成200m以上的建筑：634座其中一些國家和地區(qū)的人口和超高層建筑的分布見表一些國家和地區(qū)的人口和超高層建筑的分布（2011年1月）表1中國印度中 東美國歐洲人 口（億）13.412.20.073.17.4%19.517.80.14.510

2、.7200m以上建筑（座）21224916224%33.40.37.725.63.8筆者根據(jù)手頭資料的不完全統(tǒng)計，截至2013年11月，包括已經(jīng)立項、設計中、施工中和已經(jīng)建成的超高層建筑，數(shù)量分布見表2。超高層建筑的分布（至 2013年11月）表2高度（m）全世界中國大陸港臺600m以上32160500m以上58341400m以上111733300m以上32922810由表2可見，在300m以上的超高層建筑中，無論哪一個高度，我國均占全部數(shù)量的一半以上。 高層建筑的迅速發(fā)展，直接帶動了我國建筑幕墻行業(yè)的迅速發(fā)展。2.中國是建筑幕墻生產(chǎn)和使用大國建筑幕墻的應用始于 19世紀末，當時只用于建筑的局

3、部，且規(guī)模較小。1851年英國倫敦為工業(yè)博覽會建造的“水晶宮”是最早出現(xiàn)的初級建筑幕墻；到20世紀50年代，隨著建筑技20世術的發(fā)展，玻璃幕墻開始大規(guī)模應用于建筑外圍護結構，宣告建筑幕墻時代的到來；到 紀80年代，隨著建筑幕墻技術的發(fā)展和玻璃生產(chǎn)工藝、加工工藝的進步，玻璃幕墻得到更廣泛的應用。1981年，我國內(nèi)地第一片玻璃幕墻岀現(xiàn)在廣交會的正立面；1984年，北京長城飯店成為第一座采用玻璃幕墻的高層建筑。30多年以來，伴隨著我國國民經(jīng)濟的持續(xù)快速發(fā)展和城市化進程的加快，我國建筑幕墻行業(yè)實現(xiàn)了從無到有、從外資一統(tǒng)天下到國內(nèi)企業(yè)主導、從模仿引 進到自主創(chuàng)新的跨越式發(fā)展，到21世紀初我國已經(jīng)成為建筑

4、幕墻世界第一生產(chǎn)大國和使用大國。2012年，我國建筑幕墻生產(chǎn)量已達10000萬m2，占全世界建筑幕墻總產(chǎn)量的85%。我國現(xiàn)存建筑幕墻總量超過10億m2，其中玻璃幕墻的數(shù)量超過 3.5億m2。2這3.5億m的玻璃幕墻中，有相當大的一部分用于超高層建筑。3.玻璃是高層建筑不不可代替的墻體材料3.1玻璃同時具備備四大特點點玻璃門窗用于建筑的歷史非常久遠，甚至于難以考據(jù)。玻璃幕墻的應用，則開始于1951年建成的紐約利華大廈，此后迅速成為高層建筑，特別是超高層建筑首選的墻體材料。玻璃作為建筑材料，同時具備四大特點：透明、高強、輕質(zhì)、耐久。而其他墻體材料，都不能同時具備這些特點（表 3） o墻體材料的性能

5、表3材料透明高強輕質(zhì)耐久玻璃OOOO鋼板和不銹鋼板XOO*O鋁板和鈦鋅板XXOO混凝土XXXO磚、砌塊、石板XXXO聚碳酸酯板OXOXETFE膜材透光不透明XOXO 碳素鋼要采取防腐措施3.2玻璃的透明性玻璃是透明材料。 普通浮法玻璃的可見光透過率為80% o超白玻璃是降低了玻璃中的鐵元素,更加晶瑩透亮，可見光透過率提升到85%以上。聚碳酸酯板（PVC板）的透光率可達 75%80% o薄膜材料（如 ETFE ）只能透過漫射光，透光不透明。3.3玻璃是高強輕!質(zhì)材料玻璃是脆性材料，但具有很高的抗拉強度。在常用墻體材料中，其抗拉強度僅次于鋼材，遠高于其他材料（表4）墻體材料的抗拉強度和容重表4材料

6、抗拉強度（N/mm 2）容重（KN/m 3）浮法玻璃5025.6鋼化玻璃18025.6鋼 材23578.5鋁型材10827.1混凝土2325.0玻璃板的抗彎強度很高，特別是鋼化玻璃板。因此玻璃幕墻的玻璃面板很薄，通常為6mm10mm。即使采用中空玻璃或夾膠中空玻璃，面板由2層或3層玻璃組成，單位面積的重量也不過是0.3 KN/m 2o.7KN/m 2，遠小于混凝土墻體的3.5KN/m 25.0KN/m 2。玻璃幕墻的重量大概相當于磚墻、混凝土墻的1/8 1/5，玻璃幕墻的輕質(zhì)，使得它成為高層建筑和超高層建筑墻體材料的首選。金屬板（不銹鋼板、鋁板）雖然也符合輕質(zhì)墻體的要求，但是金屬板不透明，不具

7、備通透、晶瑩、飄逸的質(zhì)感，因而在超高層建筑中不受建筑師的青睞，很少使用。3.4沒有玻璃幕墻，就沒有500m以上的趨高摩天大樓由于重量太大，強度較低，石材幕墻很少會在 400m以上的建筑中采用。同樣， 400m以上的 超高層建筑，由于建筑藝術功能要求的因素，建筑師也不會選擇采用金屬板材。到了500m以上,幾乎清一色玻璃幕墻?？梢哉f，沒有玻璃幕墻，就沒有500m以上的超高摩天大樓。采用玻璃幕墻，外墻的重量大約為建筑物總重量的1/100。這為建筑物高度的向上延伸創(chuàng)造了必要的條件。例如，上海環(huán)球金融中心，高度495m，建筑物總重量約為 80萬t,玻璃幕墻的重量為5000t，只占建筑物總重量的 1/16

8、0，如果換成傳統(tǒng)材料的外墻，墻的重量將增大至8倍，連帶梁、柱、基礎結構都要增大，建筑物總重量將增加10萬t以上。不僅建筑造價增高，而且基礎和樁的設計施工都帶來更多的困難。目前已建成的世界最高建筑是迪拜哈利法塔，828m ;國內(nèi)已結構封頂最高建筑是上海中心，632m;國內(nèi)正在施工最高的建筑是深圳平安金融中心，660m;正準備施工的最高建筑是蘇州中南中心，729m。這些最高建筑無一例外，全部采用玻璃幕墻。4. 超白玻璃的應用4.1采用超白玻璃是減少自爆的有效途徑鋼化玻璃存在自爆的可能性，超高層建筑玻璃自爆會帶來很大的風險，而且建筑物很高，自爆 后更換玻璃極其困難。因此必須采取有效措施降低超高層建筑

9、采用鋼化玻璃的自爆率。減少自爆發(fā)生的途徑可以有 ：（1）采用半鋼化玻璃，半鋼化玻璃比鋼化玻璃表面應力較低，基本上不會發(fā)生自爆；（2）采用鋼化超白玻璃，超白玻璃所含雜質(zhì)少，自爆很少發(fā)生。減低自爆概率，又符合目前相關規(guī)定的最有效的途徑還是采用鋼化超白玻璃超白玻璃，即低鐵玻璃。為了超白，減低綠顏色，就得采用降鐵工藝。降鐵的同時，鎳也降了下去。這樣一來，硫化鎳的雜質(zhì)也大大減少，鋼化以后，自爆率大大降低。超白玻璃鋼化后的自爆 率可降低到萬分之一，甚至更低。自爆后更換玻璃代價太高昂。雖然超白玻璃要比普通玻璃價格高一些（大概30%50%），但是折合到幕墻上，每平米也就貴百十來塊錢。不爆玻璃比什么都好。玻璃一

10、旦破裂，雖然玻璃只值幾百幾千元，但在幾百米高空換玻璃，可能要花幾十萬元。特 別是現(xiàn)在興建大量海外工程，萬里之遙去換一塊玻璃，實在是難以辦到的。4.2鋼化超白玻璃在高層建筑中的應用世界最高建筑 一迪拜哈里法塔，高度為828m，采用夾層中空超白玻璃，10萬m2玻璃幕墻 的超白玻璃由中國供應（圖1）?，F(xiàn)在國外許多高層建筑的超白玻璃都是中國供應的（圖2 ）。圖1迪拜哈里法塔，金晶超白圖2新加坡金沙大酒店，南玻超白廣州東塔，543m圖3我國內(nèi)地部分采用超白玻璃的高層建筑廣州利通，303m上海中心，632m離子性中間膜夾層玻璃5. 1常規(guī)的PVB夾層玻璃目前，玻璃幕墻夾層玻璃廣泛采用的中間膜是聚乙烯醇縮丁

11、醛，簡稱PVB。PVB使用已經(jīng)有多年歷史，也為幕墻行業(yè)普遍熟悉。但是，這種夾膠膜最初是為汽車玻璃而開發(fā)的，不是針 對建筑幕墻開發(fā)的，所以它富于彈性，比較柔軟，剪切模量小，兩塊玻璃間受力后會有顯著的相 對滑移，承載力較小，彎曲變形較大。PVB夾層玻璃可以用于一般玻璃幕墻，不適宜用于有高性能要求的玻璃幕墻。同時，PVB夾層玻璃的外露邊容易受潮開膠，PVB膠膜夾層玻璃使用時間長以后容易發(fā)黃變色，這些都是應該加以注意的。5.2離子性中間膜的特性現(xiàn)在，能滿足建筑幕墻夾層玻璃上述性能要求的夾膠膜一離子性中間膜已經(jīng)開發(fā)出來，并批量生產(chǎn)，商品名稱為SGP。這種夾膠膜具有許多優(yōu)良的性能。SGP的剪切模量是 PV

12、B的50倍以上，撕裂強度比 PVB高5倍。SGP夾膠后，玻璃 受力時兩片玻璃之間的膠層基本上不會產(chǎn)生滑動，兩片玻璃如同一片等厚度的單片玻璃整體工作。這樣一來，承載力就是等厚度的PVB夾層玻璃承載力的 2倍；同時，在相等荷載、相等厚度的情況下，SGP夾層玻璃的彎曲撓度只有PVB夾層玻璃的1 / 4。由于承載力提高，撓度減小，玻璃厚度會相應減小。有可能減少玻璃的用量約40%，相應也減輕了幕墻的自重。SGP間膜夾層玻璃整體性好，SGP夾膠膜的撕裂強度是 PVB夾膠膜的5倍，即使玻璃萬一破碎，SGP膜還可以粘結碎玻璃形成破壞后的一個臨時結構，其彎曲變形小，還可以承受一定 量的荷載而不會整片下墜。這就大

13、大提高了玻璃的安全性（圖4 ）。圖4 SGP夾層玻璃即使破碎，也還有足夠的剩余承載力5.3SGP夾層玻璃在超高層建筑中的應用超高層建筑要承受大的風力、地震力和溫度變化的影響，要求玻璃面板有高的承載力和剛度, 而且萬一破損還要有一定的剩余承載力而不會墜落。SGP中間膜夾層玻璃可以很好地滿足這些要求。上海中心是目前在建最高的建筑，123層，632m高，共采用SGP夾層玻璃150000m2。上海中心采用雙層通風幕墻，外幕墻為單夾層玻璃，配置為12mm超白+1.52 SGP+12mm超白（圖5）。廣州塔是我國已經(jīng)建成最高的建筑，高度為600 m,全部56000m2玻璃幕墻均采用 SGP雙夾層中空玻璃，

14、配置為（8mm+1.52 SGP+8mm） +12A+ （ 8mm+1.52 SGP+8mm ）。三角形玻璃板塊 最大尺寸為1.5mX3.5m （圖6）。圖5上海中心玻璃幕墻圖6廣州塔的樓層，落地三角形大塊SGP夾層玻璃圖7深圳京基大廈頂部采用SGP夾層玻璃圖8廣州利通廣場大廈，高度 303米，SGP超白夾層中空鋸齒形幕墻深圳京基大廈是深圳目前已建成的最高建筑，高度441m，其頂部為超大共享空間，整個超高拱形大廳由SGP夾層超白玻璃覆蓋（圖7），非常通透。目前國內(nèi)高層建筑玻璃幕墻配置最高檔的要數(shù)廣州利通廣場大廈，其高度為303m，63000m2的玻璃幕墻為鋸齒形，別具一格（圖6）。玻璃面板為超

15、白半鋼化玻璃，SGP夾膠膜，組成為（8mm+1.52 SGP+8mm）+12A+8mm 。采用這樣高檔的配置主要是考慮：高承載力和安全性；通透潔白；鋸齒 形玻璃不用封邊。5. 超高摩天大樓的玻璃幕墻6.1迪拜哈利法塔哈利法塔的高度為 828m，建筑幕墻總面積為 13.5萬m2，其中塔樓部分為12萬m2。在塔樓幕 墻中，玻璃10.5萬m2,不銹鋼板1.5萬m2。采用單元式明框幕墻，共有23566個單元板塊（圖9圖15）。采用中空玻璃，16 mm空氣層，兩片超白玻。外片鍍銀灰反射膜；內(nèi)片鍍 Low-E膜。兩膜均 朝空氣層，可見光透射率20%;綜合熱透射率16%。單元板塊有 21種主要板型，尺寸由

16、1.3mX3.2 m到2.25mX8m。圖9蔚藍天空下幕墻熠熠生輝 HKiNiiiMHHnm"Illi=££SS 出 NaiMIIINIIMHIIIIIIImil mMlSHtlHIIIIIIIIMlIHMIlligiinHflMMHI-二丁二.1?'I tfRVI !"!S!S«S Slii ii(|!ESU5"B'!n!Knuhmiiwmm 豈!吧二：二二二三=:wti.MmSSi ,Zt=L"圖10塔樓幕墻的單元劃分圖12標準層單元幕墻內(nèi)觀圖11設備層的不銹鋼裝飾條圖13124層觀光層幕墻6.2深圳平安

17、金融中心深圳平安金融中心高度 660m，玻璃幕墻高度 590m （圖16、圖17 ）。明框，單元式。玻璃為超白、Low-E，中空，外片夾膠，內(nèi)片鋼化（圖 18）圖16深圳平安金融中心，660m圖17單元式明框玻璃幕墻圖18采用超白夾膠中空玻璃玻璃幕墻由內(nèi)幕墻和外幕6.3上海中心大廈上海中心127層，高度632m，外形為螺旋上升的中國龍。組成（圖19 圖 21）。圖19 上海中心大廈，咼度 632m圖20上海中心的平面，內(nèi)外兩道幕墻ni.=圖21內(nèi)外幕墻之間是多層內(nèi)庭內(nèi)幕墻與外幕墻之間形成直接支承在樓面結構上，外幕墻每1215層高的內(nèi)庭，按防火要求，內(nèi)幕墻必須為防火幕墻。內(nèi)幕墻12層15層為一組

18、，通過水平鋼管和豎向吊桿懸掛在上端外挑的樓面結構上（圖 22、圖23）圖22 外幕墻安裝在水平鋼管上，水平鋼管通過吊桿懸掛在上步樓面結構上夕卜幕墻采用超白半鋼化 SGP夾膠玻璃。12mm超白+1.52mmSGP+12mm超白。由于外幕墻 有螺旋上升的造型，為復雜的雙曲面，為此平面板塊單元錯縫鋸齒形安裝，擬合造型曲面（圖24、圖 25）。圖25 外幕墻的中國龍雙曲造型圖26外幕墻單元板塊的安裝內(nèi)幕墻為防火幕墻，采用（8mm超白+0.89mmSGP+8mm超白）+12A+8mm銫鉀防火玻璃。支 承結構均采用冷彎薄壁型鋼，梁壁厚3mm，柱壁厚4mm。鋼結構外包鋁型材（圖 27圖29）。圖27夕卜幕墻（下部）和防火內(nèi)幕墻（上部