建筑幕墙与构造(幕墙发展现状)

国内建筑幕墙以1983年兴建的长城饭店为标志，经30多年的发展，从没有国家和行业标准，经历行业标准制定、实验研究和实践应用，已与国际幕墙技术接轨，并进入广泛应用新技术、新材料和新工艺的智能信息化、绿色环保化、工厂装配化个性发展阶段。
本文回顾国内幕墙发展历程，反思实现幕墙理念、方法，试图揭示从构造设计作为重点的初级发展状态逐步走向“数字虚拟-实物同步化”管理实施阶段的必然趋势，探讨全面提升幕墙品质的可能思路。
　　一、前言　　建筑幕墙作为建筑之子系统，其发展与建筑市场的整体发展是分不开的。
　　在西方，以英国伦敦“水晶宫”幕墙为代表，钢和玻璃为主要构件的幕墙诞生后，随着兴建现代主义意义上的高层建筑，玻璃幕墙以较轻的自重、采光面积大和利于提升美观等优势，广泛应用于外墙。
而且构件也从早期的玻璃和钢为主，走向了多样化创新道路。
材料应用方面，从简单几种材料向金属、非金属和其复合材料方向发展;技术体系方面，从标准化框架体系走向装配化(单元化)和多层化方向发展;制造安装工艺方面，向数字化加工和机械化安装方向发展;最近Zaha Hadid Architects建筑设计为代表的非线性建筑及肌理幕墙则表明了幕墙的个性化更加深入了。
数字化、智能和节能技术为新的多样化创新提供了强有力的工具，满足了人们丰富的功能和审美要求，同时为其提供了广泛的实践土壤。
例如，非线性和个性化肌理元素为建筑设计、建造和营运过程中创造的新感受，一定在多样化的建筑实践中，为建筑提供更多复合而弹性使用机会而成为实现建筑幕墙个性化的手段之一。
　　建筑幕墙随着互联网基础设施的完善特别是5G技术的应用和普及、智能控制电子产品成本的下降、建筑人性化需要和环保要求的升级，幕墙必然向智能信息化、绿色环保化、装配化方向发展。
而且幕墙作为建筑子系统，在满足建筑量身定制设计的过程中“个性化”既是必然，又是其永恒审美和商业价值所在。
因为业主表达自我个性与商业利益追求、建筑设计师表达自我独创艺术造诣的理想和城市管理需要等多重动力互动是其永恒的主题，建筑设计一定在个性化道路上进一步分化发展。
　　建筑幕墙国内发展经历了以下几个阶段。
　　第一阶段，1995年之前。
相对单一玻璃幕墙品种用于建筑外立面，并以最早发布的四项重要的建筑幕墙性能分级国家标准为标志，开始建立国家和行业标准体系。
这四项标准是《建筑幕墙物理性能分级》(GB/T 15225-94);《建筑幕墙空气渗透性能检测方法》(GB/T 15226-94);《建筑幕墙风压变形性能检测方法》(GB/T 15227-94);《建筑幕墙雨水渗漏性能检测方法》(GB/T 15226-94);以上四个标准，1995年8月1日执行，使我国的幕墙行业迅速走上了快速、健康的发展之路。
　　第二阶段，1995-2001年。
属行业稳固发展期，此阶段幕墙品种多样化，并相关标准形成体系。
其代表性的标准为，《玻璃幕墙工程技术规范》(JGJ l02—96)、《建筑幕墙》(JG 3035—1996)和《金属与石材幕墙工程技术规范》(JGJ 133-2001)。
　　第三阶段，2001-2008年。
完善标准体系和行政管理体系，幕墙普遍应用于国内高端建筑立面，并国内幕墙企业走向国际市场阶段。
参与和完成了一些世界各地区标志性建筑幕墙。
　　第四阶段，2008年到现在。
幕墙多样化、智能化和绿色环保化发展，逐步推动参数化设计，并广泛参与国际市场竞争。
同时幕墙设计制作和安装进入数字化实施和发展阶段。
　　二、幕墙技术演化　　1、幕墙构造系统演化。
　　建筑幕墙结构设计、功能和性能设计与建筑整体功能和美学相结合，是幕墙发展主线。
　　框架幕墙和单元幕墙代表了幕墙主要两种构造体系，市场上始终处于共存态势。
　　典型框架幕墙体系及施工工艺典型单元幕墙体系及施工工艺　　国内幕墙发展早期阶段，由于幕墙构造系统还没有标准化和系列化，其构造设计成为系统设计的技术重点之一。
　　哈尔滨融府大厦幕墙及其构造原理：1994年完成。
　　采用全隐形式，定位安装、定距压板压紧构造。
此时幕墙构造设计未标准化，所采用构造方案多样而随意，所以可靠规范和经济合理的构造设计显得尤为重要，成了幕墙设计工作中的主要矛盾之一。
当时由于国内幕墙没有行业标准，参照了日本JS系列标准进行设计。
后来该构造形式成为了在构件式幕墙领域被广泛使用的经典构造。
甚至成了固定玻璃以外铝板等其它材质面板的常用连接方式。
该隐框幕墙已经历25年，依然在正常运行。
　　北京中纺大厦：采用横锁式单元式幕墙，1998年完工。
　　单元幕墙按构造，主要分为三种形式。
对碰式独立单元和采用横锁或横滑式的互相插接单元。
北京中纺大厦采用了横锁式单元幕墙，其优点是防水性和气密性优良，虽然平面内变位吸收能力比横滑单元略低一些，但也能达到建筑平面内变位L/150 以上的要求。
所以横锁单元幕墙完全满足钢结构主体在内的各种结构建筑对其幕墙的抗震和平面内变位性能要求。
由于横锁单元幕墙构造设计、加工复杂性和施工精度要求相对较高，实际工程中应用相对很少。
相比之下，在国内建筑幕墙市场上横滑单元幕墙应用比较普遍。
至于独立式单元幕墙，由于其水密性能对施工缺陷敏感，施工误差吸收能力也较弱，在国内实际工程中应用极少，在欧洲市场上应用比较普遍。
　　上海震旦大厦：采用横滑式单元幕墙，2003年完工。
　　该横滑单元幕墙横竖龙骨采用双腔式设计，形成等压原理防水体系，进入前腔的少量水和进入后腔的极少量水可通过设在下一层单元前端的披水板(见图中不锈钢披水板)排出幕墙外面。
该工程幕墙实现了一级高水密性，同时首次创造性地把LED显示模块与单元幕墙构造进行集成设计。
大楼正面15层楼采用LED显示镶嵌模块，每个单元采用衬有金色镜面不锈钢板的四条长条显示模块，实现立面效果的统一(如下图)。
　　双层幕墙。
　　建筑幕墙系统演化的又一个领域是，为提升使用者舒适度和体现节能环保理念的双层幕墙技术。
建筑对幕墙所具备的功能和性能指标要求多，例如合理通风、主动采光、有效隔声、隔热保温、遮阳等。
双层幕墙借其多层构造和对其灵活组合，可以实现良好的使用功能和性能。
所以双层幕墙或采用双层幕墙设计理念的多层肌理幕墙，在建筑幕墙领域得到了广泛而多样化的应用。
　　从节能设计原则来看，建筑外皮遮阳装置越靠室外一侧设置，越有利于节能。
双层幕墙利用这样设计理念进行设计提高幕墙性能，这就是产生双层幕墙动机。
从而双层幕墙，热工性能优越、隔音性能高、减少内层幕墙风荷载、提高人体舒适度　　北京旺座大厦：2002年施工，国内第一座大型外丹麦RAMBGLL 双层幕墙(2012年)　　循环双层幕墙项目，采用箱体式双层幕墙(左及上图)。
　　上海地区根据当地气候条件，也完成了一批针对性设计的双层幕墙，达到舒适和节能目的。
以下为外循环呼吸箱体单元双层幕墙的例子：上海星展银行。
　　上海越洋广场，根据办公楼主要运行于白天而夜间处于低负荷运行特点，与本建筑HVAC(暖通空调)设计结合，采用低成本内循环双层幕墙，达到节能及舒适目的。
　　双层幕墙采用多层结构，维护和清理构件及腔体成本较高，特别是对人工成本很高的欧洲市场来说更是如此。
针对这种情况，研发“免维护双层幕墙”，能适应市场需要。
以下为该免维护双层幕墙系统原理和试验数据。
密闭充气免维护双层幕墙系统特点：　　通过向腔体填充清洁、干燥空气，使其保持腔体内气压值略高于室外气压值，实现良好的保温、隔热、隔声、自洁状态。
从而保持不结露、不积尘，达到免维护的目的。
　　2、力学分析技术对提高幕墙性价比的贡献　　根据建筑幕墙实际情况，通过针对性设计幕墙受力体系，优化幕墙材料单位含量，可达到物尽其用的目的。
通过优化构件受力模型，可以做到“向结构设计要合理性和经济效益”目的，此举是降低成本和确保设计安全的重要措施。
　　以决定幕墙抗风压性能的关键部件竖龙骨构件设计为例，认真选择连接方式及受力模型，条件允许的情况下，采用多跨静定梁等优于传统简支梁受力模型。
例如，当悬挑长度为1/12，时可节省竖龙骨材料为20%左右。
　　中国电信大楼(1998年)，采用多跨静定梁受力模型，为提高幕墙性价比提供了一条可选力学解决方案。
由于施工结束前，体系并不稳定，所以采取了临时辅助支撑进行施工。
　　3、幕墙智能集成技术　　幕墙智能化是幕墙及建筑产业升级转型的必然趋势。
随着建筑产业工业化、幕墙的个性化和工业4.0的实施，幕墙“小批量定制”成为设计、生产、服务的普遍形式。
　　阿布扎比ADIC大厦是智能控制幕墙典范。
整个幕墙共采用2098个遮阳伞，高度4.2m，宽度4.36~5.82m，每个伞由1188个部件组成的尺寸个性化单元，活动构件采用整体铸造不锈钢，满足了该建筑抗疲劳设计要求。
阿布扎比常年气温摄氏38度以上，通过智能化遮阳伞随太阳的方向自动开合，吸收太阳能50%以上，每年减少碳排放750吨以上。
　　其控制系统是，从信息采集到执行指令传动机构的全过程控制系统。
它涉及到气候、温度、湿度、空气新鲜度、照度的测量，取暖、通风空调遮阳等机构运行状态信息采集及控制，电力系统的配置及控制，楼宇计算机控制等多方面因素。
　　幕墙所采用的系统性新技术很多，以上只介绍了具有代表性的构造体系、力学模型选择和智能集成技术。
除此之外，还有环保集成、多功能集成和多材料集成技术。
归根结底，这些技术将走向工厂集成装配化方向发展。
　　三、新材料应用　　1、隔热、热断线材及高性能玻璃　　提高幕墙的保温、隔热性能，可以通过提高组成幕墙的玻璃等面板、型材、保温材料和玻璃与框之间衬垫材料构件的相关热阻，例如单玻璃改为中空玻璃、中空玻璃改用双中空或多层化、采用高性能多银Low-E膜，或幕墙体系采用多层组合构造，例如采用双层幕墙、外设遮阳百叶等，或采用能动态控制，例如电致变玻璃构件、智能控制遮阳百叶等。
无论采用哪种策略，其龙骨断热方式、面板热特性和保温材料选择决定其热工性能。
　　隔热型材构件的主要类型及选择策略　　幕墙龙骨断热，可采用长度可任意选的穿条式断热条、高强度注胶式断热条和低成本断热垫片，适应不同的强度和热工要求。
　　俄罗斯联邦大厦(2008年)，采用高性能断热框和中空玻璃。
　　高性能节能玻璃和“复合玻璃”　　对幕墙影响最大的大工业化产品属于玻璃。
一方面，其在建筑立面上所采用的面积比例高，其它材料无以替代。
另一方面，高性能玻璃产品的工业化程度很高，适合批量采用。
所以，建筑幕墙材料领域，玻璃性能既提高得快，又对幕墙热工性能影响大。
　　Low-E玻璃是运用最为广泛而成熟的方案。
Low-E玻璃作为大工业化成熟的高性能材料，建筑幕墙是其应用最为成功的领域。
　　2、产生能量的材料　　新型“复合玻璃”，实现了动态主动调整玻璃“遮阳系数”等性能，同时具有相应的发电功能等优势。
这种主动调节性能玻璃产品为适应各种气候条件和提高幕墙门窗节能性能方面，创造了条件。
　　BIPV光伏一体化建筑案例：沈阳皇城恒隆广场，采用2000㎡遮阳百叶以单晶硅为光伏发电板，光伏系统总装机容量145.2千瓦，年平均发电量约28万度。
　　3、传统材料创新使用及其它多种新型材料　　深圳平安金融中心塔楼幕墙工程1/3的表面用布纹不锈钢板。
该工程标准巨型柱采用全覆面，且不锈钢面材收边、折角多。
　　随着建筑设计个性化发展，对材料多样化及新材料应用产生了拉动效应。
从而出现，对传统材料的创新应用(例如，花样石材或图案铝板等)、用新工艺制造具有传统材料外观特性的低成本材料(例如，仿石仿砖仿瓷铝板)、批量使用过去作为点缀应用的材料(例如，不锈钢或钛合金板)、复合材料(例如，铝复合板、复合玻璃、蜂窝石材、复合不锈钢等复合材料)和新型人造材料(例如，混凝土挂板、GRC板、ETFE膜、PTFE膜等)，丰富了建筑立面效果的同时，为提升幕墙性能和功能创造了条件。
　　四、新工艺应用　　1、防水、排水工艺创新：抗雨水渗漏性能　　幕墙通过借助“等压”原理，在很短的时间(通常小于0.5 秒)使外侧风压与幕墙结构腔体内压力达到平衡，再外侧设“雨幕”，实现主动防水。
但这成熟原理在实际工程应用过程中由于“室内侧漏气”或排水无效导致漏水。
　　斜幕墙的防水难点在于，重力作用下大量流淌于幕墙表面的雨水通过细小的孔进入幕墙结构内部，并源源不断积累。
针对斜面幕墙防水难题，除了关注单元交界处通过“等压原理”防水以外，可采用“过程中分流”策略。
实践证明这种策略既有效、又经济。
　　2、实现各种幕墙肌理工艺方法　　苏州科技文化艺术中心为例，该项目立面图案幕墙采用双层构造，外层采用模块化双层铝板，采用了装配化高效加工安装工艺。
　　图案由模块化双层铝板，由机械切割单层铝板后组合焊接而成(平板或弯弧格板)。
　　起初，肌理幕墙普遍采用双层体系，借外层材料表现建筑肌理效果。
由于其表现力强、加工组装和施工工艺相对简单，应用动力比较足，但由于成本相对高一些，实际工程实践中其应用受阻。
随着加工组装工艺水平的提高，开始采用工艺难度和集成程度更高但性价比更高的单层肌理幕墙。
这种单层肌理幕墙比例，在建筑市场上处于上升趋势。
　　以上幕墙肌理代表了建筑立面常用的肌理类型。
除此之外，市场上也偶用弧线或非线性单层肌理幕墙。
该幕墙的设计要点是，空间角加工的龙骨借插芯进行连接，再覆异型面板。
　　3、幕墙微通风设计工艺　　现代建筑的新风获取已经向多元化方向发展，能够降低建筑能耗，使建筑内部的人工环境与自然环境达到动态的平衡。
通过线性通风器等提供背景通风的技术成为幕墙在这一功能上发挥重要作用的一大利器。
　　幕墙微通风产品可集成PM2.5过滤装置，根据不同的需求，确定过滤等级。
幕墙微通风系统也可集成智能控制系统。
　　微通风案例：上海太平金融大厦　　4、幕墙实现高性能隔声工艺　　隔声幕墙通过提高构件质量、减少缝隙和调整构件声学频率特性，达到高性能隔声幕墙。
一般中空玻璃幕墙隔声量能达到32--36dB，能满足办公要求。
但有些建筑处于特殊噪音环境或建筑本身有特殊的低噪声室内环境要求，此时要进行针对性工艺设计。
例如，飞机跑道不远的办公楼、播音静音室等。
香港机场办公楼幕墙是2012年完成的隔声隔声量要求55dB的幕墙，采用填充缝隙(单元插接缝隙采用保温棉进行填充)双层幕墙(内层为10mm+10mm夹胶玻璃)，才得以满足如此高的要求。
　　香港机场办公楼隔声幕墙设计及足尺实测　　5、高抗震技术　　建筑幕墙平面内变形性能，考察幕墙在建筑主体层间水平方向反复变位(地震、风和温度作用，其中地震作用为主导)时的适应能力。
建筑幕墙平面内变形性能检测方法为GB/T18250《幕墙平面内变形性能检测方法》进行检测。
横锁式单元式幕墙和框架幕墙，主要通过构件间本地转动和变成平行四边形来适应主体结构的层间变位。
横滑式单元式幕墙，　　主要通过横向错位滑动、平行四边形变形和原地转动或由其组合来适应层间变位要求。
　　6、装饰构件及悬臂构件设计装饰条所受侧风压对幕墙龙骨来说产生附加弯矩，故结构计算应给于充分考虑。
厦门莫兰蒂台风破坏经验也指向以上分析的重要性。
JGJ102标准有相应规定：外露于玻璃幕墙墙面的装饰性构件、遮阳构件应与幕墙结构或主体结构可靠连接。
目前建筑幕墙外附设装饰性构件、遮阳装置越来越多，问题也比较集中，所以这些构件与主体结构或幕墙龙骨相连接，以确保其安全性。
　　幕墙装饰翼设计要考虑，抗污染、安全性(风荷载大，装饰翼连接要考虑正向、侧向应力叠加值)和集成设计(LED等)。
　　玻璃装饰翼材料选择，玻璃作为结构构件做法越来越多,此时可用采用SGP离子键高强度胶片的多层夹胶玻璃。
　　7、玻璃冷弯工艺　　曲面拟合处理工艺：台阶式、弯弧、折线拟合、采用三角形等。
　　建筑立面采用曲面形式，赋予建筑新的审美情趣和相应功能。
实现曲面立面一般采用折线拟合、曲面组合和三角形构件拟合等方式。
但这些手段要么使建筑立面不够光滑，要么成本过高。
例如，曲面玻璃幕墙面板要采用热弯玻璃，除了受玻璃镀膜品种限制以外，要承担很高的制造成本。
所以需要适合用于批量生产的低成本曲面幕墙工艺---冷弯玻璃技术。
冷弯玻璃技术的优点是成本低且实施方便灵活，但增加自爆率和增加影像失真的风险。
为此需要进行足尺模拟检测，特别是弯曲度超过短边1/60时，进行中空玻璃密闭性和应力附加量试验，以确认其可实施安全性。
　　随着数字化技术发展，后现代主义试图满足人们新的自然元素审美等多样化需求，兼顾功能与空间、外观更个性化要求。
　　大家对BIM平台技术不陌生，在此不赘述。
要完成类似以上异型建筑幕墙，若不采取设计参数化、管理实物-虚拟同步化互动、现场施工机械化措施，难于按时完成高品质幕墙工程。
所以，BIM平台技术，特别是实物-虚拟同步化互动管理技术将是幕墙行业升级的有效手段。
　　五、总结　　1、国内建筑幕墙经历30多年的发展，已建立起了国家行业标准体系，并完成了巨量工程实践，同时与建筑设计一体化程度大幅提升，但其性能和品质提高空间依然很大。
　　建筑与幕墙作为建筑子系统，需要与建筑整体设计协调、被包容和集成设计。
例如，索网幕墙设计要考虑结构边界刚度和埋件处局部连接处理;LED照明，要考虑布线路径及其空间设置;擦窗机要设置轨道和销座等等;　　尽管目前幕墙技术有了长足的进步，但由于对幕墙设计原理理解不深或细节工艺处理不到位，时有发生不能满足幕墙基本性能要求的情况。
例如，等压原理防水、雨幕控水，是防渗漏设计中的有效手段。
但往往气密性不达标而功亏一篑，反过来还影响幕墙寿命和安全。
　　2、 国内幕墙发展早期产品没有形成体系，构造设计显得极为重要，但现在幕墙系统集成设计和其高效实施显得更为重要，接下来“设计参数化、管理实物-虚拟同步化、现场施工机械化”是提高幕墙品质必由之路。
　　幕墙行业存在如黄圻副秘书长一阵见血地指出的“门窗幕墙行业优质产品市场占有率低，传统制造水平低，房产商优先追求利润，行政管理力度不足。
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”的问题，同时也处于董红主任所提出的“新建的工程高端化，既有建筑改造化，家装市场的定制化，已成为当今房产行业的主流趋势”等可喜变化态势。
但要系统性提高幕墙产品品质，需要做到：“设计参数化、管理实物-虚拟同步化、现场施工机械化”，以实现幕墙实施过程可控且品质优良。
　　3、国内幕墙企业走向国际市场后，完成了一批国际水准的工程，应详细总结并为国内幕墙实践提供经验。
　　4、针对自然灾害频发等新的气候变化趋势，幕墙安全设计需要针对性考虑。
　　随着全球人均资源的下降和污染物排放总量的提高，全球性环境恶化趋势在百年尺度上难于逆转，所以自然灾害发生频率和强度总体上将处于上升趋势。
这就迫使我们重新审视和研究当下执行的建筑及幕墙相关标准和实施措施，并寻求对策。
例如，厦门莫兰蒂台风破坏经验告诉我们建筑低区风压不一定最小，需要评估分析周围建筑环境影响，从而采取相应技术措施。
　　5、幕墙个性化与新材料、新技术和新工艺使用将是幕墙发展常态。
　　随着幕墙工程设计个性化比例的提高，越来越多的工程涉及新技术、新材料和新工艺。
纵观幕墙行业发展历史，过去工程技术失败的案例中，不当应用新材料、新技术和新工艺占比较高。
所以，要认真评估其应用条件，做必要的足尺检测，以实际数据确认应用的合理性，确保幕墙品质和安全。
　　6、幕墙安全维修及节能改造应给予重视。
　　国内幕墙经过三十多年的快速发展，国内幕墙行业已进入了幕墙巨大现存量与大量新建设共存时期。
从而建筑幕墙工程市场将迎来高频率大规模维修时期。
从实际工程实践经验来看，目前幕墙维修量不小、难度很大，特别是涉及幕墙系统性问题时，所以需要认真研究幕墙维修标准在内的相关技术和管理措施。
　　参考文献：　　1、邵唯晏著的《当代建筑的逆袭》　　2、罗忆、黄圻和刘忠伟主编的《建筑幕墙设计与施工》　　3、李百战等编著的《室内热环境与人体热舒适》　　4、孟根宝力高主编的《现代建筑外皮》　　5、中国门窗幕墙行业主流技术与市场热点分析报告2017-2018