高层建筑幕墙的新结构和新系统--趙西安1 高度400m 以上的建筑全部采用玻璃幕墙据笔者不完全统计,目前设计、在建和建成高度400m 以上的超高层建筑的数量大约为部分高度600m 以上的建筑见图1~图9。 这些工程,如同国内外所有超过400 米的建筑一样,都采用玻璃幕墙作为外围护结构。玻璃是一种无可代替的建筑材料,它同时具备四大特点:透光,高强,轻质,耐久。而其他常用建筑材料并不同时具有这些特了超高层建筑外围护结构必须采用玻璃。玻璃透明,玻璃幕墙可以满足建筑采光和建筑艺术的要求;玻璃的抗压强度可达300N/mm2,抗拉强度可达150N/mm2,除钢材外料难以相比;玻璃几乎不受大气的腐蚀,无须任何防腐措施。更为可贵的是幕墙玻璃的厚度很小,超高层建筑中所用的玻璃通常单片厚度不超过10mm,中空玻璃两片总厚度不超过20mm,双夹胶厚度不超过40mm。这样一来,幕墙结构包括玻璃和金属支承结构的总重量约为35kg/m2~120kg/m2,远小于普通填充墙的重量。超高层建筑玻璃幕墙的重量,通常只占建筑总重量的1/100~1/120。上海环球金融中心(高度495m)的总重量为80万t,玻璃幕墙占1/160。如改为其他更重的外围护结构,就会使得墙、梁、柱、桩截面随之加大,不仅重量将增加20 万t,地基设计施工更为困设计的沙特王国大厦(高度1600m ),玻璃幕墙的重量为建筑总重量的1/100。可以说如果不采用玻璃幕墙,这样的超高层建筑是难2 幕墙新结构2.1 网格体系通常高层建筑幕墙的支承结构采用正交梁柱金属框架系统。随着建筑功能和建筑艺术要求的多样化,新的结构形式得到更多的交网格系统应用相当广泛(图10)。2.2 刚架体系由钢筋混凝土或钢构件刚性连接成为平面刚架或空间刚架可作为幕墙的支承结构体系(图12、图13)。2.3 索网结构索网结构是有预拉力的拉索体系,对玻璃幕墙遮挡最小,深受建筑师欢迎。索网的拉力要作用在主体结构上,主体结构设计时索网在大挠度下工作,通常控制挠度为跨度的1/40~1/60。北京新保利大厦高度160m,索网晶面形,90mX70m,是目前世界最大的单片索网玻璃幕墙(图16),两根主索由150 根15.2mm 拉力达39000kN。3.各种面板材料的广泛应用由于玻璃同时具有透光性、高强度、重量轻、耐久性这四大特点,别的建筑材料无可代替。因此400m 以上超高层建筑幕墙的这种趋势短期内不会改变,但同时金属板也得到局部应用,以满足不同建筑风格和建筑艺术的要求。400m 以下的高层建筑,除大墙外,金属和石材幕墙也得到较多应用。玻璃幕墙的一些新工程见图21。金属板也是常用的材料之一。吉隆坡石油双塔高480m,幕墙中造型复杂的非透光部分采用了容易成型的铝板和不锈钢板,银光图23)。天津钢铁大厦的钢板幕墙充分反映了钢铁材料的特色,不同规格的六边形窗孔在墙面上自然形成明暗相间的条纹。幕墙钢板与合二为一,整个外墙既是承重,又作围护(图24、图25)。不锈钢板在超高层建筑中常常非常规使用,图26 为纽约比克曼大厦的波浪形曲面不锈钢幕墙。 1930 年纽约洛克菲勒大厦建成,花岗岩幕墙一举突破300m 的高度。此后陆续建成了大量300m 以上的石材幕墙工程,1931 年国大厦石材幕墙高达381m,稳居世界最高已经80 年(图27~图30)。科威特AL HAMBRO大厦,主要为玻璃幕墙,设计时准备在两侧采用石材幕墙,高达412m(图31、图32)。后考虑到曲面不容易挂石板,实际施工时改为马赛克薄板,因而没有突破帝国大厦381m 石材幕墙高度的记录。历次地震,尤其是2008 年汶川大地震表明,按照规范进行设计和施工的石材幕墙都经受了地震的考验,抗震性能良好。日本大厦(298m)和东京市政厅(260m)曾经历1995 年阪神大地震,2011 年3 月11 日又经受东日本大地震,但其花岗岩复合幕墙无33、图34)。我国台湾高雄东帝士大厦378m,采用花岗岩幕墙,也经历了1999 年9 月21 日大地震的考验(图35)。我国内地目前最高的花岗岩幕墙是广州广晟大厦,建筑高度313m,石材幕墙高度280m,采用铝合金梁柱(图36),其次是260m 高的广州银行大厦,采用焊接钢结构支承(图37)。广西北海北部湾一号工程的石材幕墙模拟广西的山水,轮廓起伏,带有溶洞。酒店幕墙最高达200m(图38)。迪拜帆船酒店高达321 米,采用张拉膜作为外幕墙,半透明的外围护材料使室内光线柔和、富丽堂皇,张拉膜绷紧在两层一道的水平拱梁上(图39、图40。4 双层通风幕墙和光伏幕墙双层通风幕墙在超高层建筑中已得到应用。632m 高的上海中心采用了间距很大的两道玻璃幕墙,外幕墙由钢管吊杆悬挂在水平钢结构上(图41)。日本名古屋站前大厦为螺旋形外玻璃幕墙,采用内循环通风系统(图42、图43)。广州珠江城高度303 米,同时具有双层通风幕墙、光伏采光顶、光伏遮阳板和风力发电装置,是一座典型的绿色建筑(图44)。幕墙立面分为三段,各段之间的空间安装了两组轴流式风力发电机。内外幕墙之间的空间为内循环的热通道(图45),空气由架空地板抽出,经过热通道进入吊顶内的回风管,再返回架空地板,如此循环不已,大大改善室内的工作环境(图46)。珠江城山墙各层水平遮阳板均为光伏玻璃(图47),顶部拱形部分也安装了光伏组件图48、图49。广州塔玻璃幕墙最高部分(440米~450米)为光伏幕墙,这是目前世界最高的光伏幕墙(图50)。由于光伏组件360 度布置,且幕墙位于钢立柱之内,遮挡较多,为适应弱光下的发电要求,采用了薄膜发电组件(图51)。正在施工的武汉中心高度408m,88层,双层幕墙。外幕墙为光伏幕墙,为争取最佳朝向采用锯齿形非平整玻璃墙面(图52)。阿联酋阿布扎比中央市场光伏幕墙5533m2,功率452kW(图53)。韩国首尔全国行业总会办公楼的玻璃幕墙分层倾斜30度,安装光伏组件;屋面光伏组件倾斜10度,都是为了取得最佳的发电效率(图54、图55)英国曼彻斯特合作保险大厦的光伏幕墙采用了1700块光伏单元板块(图56);而目前采用光伏幕墙最高的建筑是阿联酋阿布扎比CMA塔楼,76层,385m,在塔楼屋面和朝阳墙面上安装了光伏组件,年发电量达30万kWh (图57)。5 幕墙金属支承结构的防雷超高层建筑的特殊高度使得它成为吸引雷击的“避雷针”。作为外皮的幕墙金属结构更使超高层建筑屡屡遭受雷击(图58~图60)。建筑幕墙的面板里面是由铝合金型材或钢型材组成的支承结构系统。为了保证强大的雷电电流能顺畅导入地下,首先支承结构的各构件都必须电气连通,形成建筑表面的防雷网。然后幕墙这一个防雷系统必须与主体结构的防雷系统可靠连接,通过主体结构的防雷导线将雷电引入地下。这一个“自成系统,可靠连接,借路行雷”的设计思想,是完全可行的。由金属梁柱构成的防雷网,就像“金钟罩”一样保护了建筑本身。至今所有遭受雷击的超高层建筑,幕墙都未受到损坏)。6 小结经过三十年的高速发展,我国已经成为世界上幕墙产量最大的幕墙大国。目前正努力提高技术水平,加强自主创新能力,推广新技术应用,力争由幕墙大国发展成为幕墙强国。现在,高层建筑的幕墙各种新技术,我国都已经占有一席之地,在工程中得到广泛应用并且技术水平正在快速提高。总结` 已有的经验,上升到规范的内容,将对今后我国幕墙技术的发展起推动作用。
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