超高摩天大楼的玻璃幕墙.docx
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超高摩天大楼的玻璃幕墙
超高摩天大楼的玻璃幕墙
（中国建筑科学硏究院100013）
1.中国是超高层建筑最多的国家
近二十年来，随着中国经济实力的高速增长，城市化进程加快，基建投资也急剧增多，超大规模、超高度的建筑如雨后春笋在各城市拔地而起。
中国迅速超过美国，成为世界上超高层建筑最多的国家。
2011年1月，美国《新闻周刊》发表了如下的统计数字：
世界总人口：
68.96亿；已建成200m以上的建筑：
634座
其中一些国家和地区的人口和超高层建筑的分布见表一。
一些国家和地区的人口和超高层建筑的分布（2011年1月）表1
中国
印度
:
■：
美国
欧洲
人口（亿）
13.4
12.2
0.07
3.1
7.4
%
19.5
17.8
0.1
4.5
10.7
200m以上建筑（座）
212
2
19
162
24
%
33.4
0.3
7.7
25.6
3.8
笔者根据手头资料的不完全统计，截至2013年11月，包括已经立项、设计中.施工中和已经建成的超高层建筑，数量分布见表2。
超高层建筑的分布（至2013年11月）表2
高度（m）
全世界
中国大陆
港台
600m以上
32
16
0
500m以上
58
34
1
400m以上
111
73
3
300m以上
329
228
10
由表2可见，在300m以上的超高层建筑中，无论哪一个高度，我国均占全部数量的一半以上。
高层建筑的迅速发展，直接带动了我国建筑幕墙行业的迅速发展。
2.中国是建筑幕墙生产和使用大国
建筑慕墙的应用始于19世纪末，当时只用于建筑的局部，且规模较小。
1851年英国伦敦为工业博览会建造的“水晶宫”是最早出现的初级建筑幕墙；到20世纪50年代，随着建筑技术的发展，玻璃慕墙开始大规模应用于建筑外围护结构，宣告建筑幕墙时代的到来；到20世
纪80年代，随着建筑幕墻技术的发展和玻璃生产工艺、加工工艺的进步，玻璃幕墻得到更广泛的应用。
1981年，我国地第一片玻璃幕壇出现在广交会的正立面；1984年，长城饭店成为第一座采用玻璃幕墻的高层建筑。
30多年以来，伴随着我国国民经济的持续快速发展和城市化进程的加快，我国建筑幕墙行业实现了从无到有、从外资一统天下到国企业主导、从模仿引进到自主创新的跨越式发展，到21世纪初我国已经成为建筑幕埴世界第一生产大国和使用大国。
2012年，我国建筑幕墙生产量已达10000万m',占全世界建筑幕墙总产量的85%。
我国现存建筑幕墙总量超过10亿m‘，其中玻璃慕墙的数量超过3.5亿nf2。
这3.5亿n/的玻璃幕墙中，有相当大的一部分用于超高层建筑。
3.玻璃是超高层建筑不可代替的墙体材料
3.1玻璃同时具备四大特点
玻璃门窗用于建筑的历史非常久远，甚至于难以考据。
玻璃幕墙的应用，则开始于1951年建成的纽约利华大厦，此后迅速成为高层建筑，特别是超高层建筑首选的壇体材料。
玻璃作为建筑材料，同时具备四大特点：
透明、高强、轻质、耐久。
而其他墻体材料，都不能同时具备这些特点（表3）。
墙体材料的性能表3
材料
透明
髙强
轻质
耐久
玻璃
0
0
0
0
钢板和不锈钢板
X
0
0
0・・
铝板和钛锌板
X
X
0
0
混凝土
X
X
X
0
砖、砌块、石板
X
X
X
0
聚碳酸酯板
0
X
0
X
ETFE膜材
透光不透明
X
0
X
0"—碳素钢要采取防腐措施
3.2玻璃的透明性
玻璃是透明材料。
普通浮法玻璃的可见光透过率为80%。
超白玻璃是降低了玻璃中的铁元素，更加晶莹透亮，可见光透过率提升到85%以上。
聚碳酸酯板（PVC板）的透光率可达75旷80%。
薄膜材料（如ETFE）只能透过漫射光，透光不透明。
3.3玻璃是高强轻质材料
玻璃是脆性材料，但具有很高的抗拉强度。
在常用墙体材料中，其抗拉强度仅次于钢材，远高于其他材料（表4）。
墙体材料的抗拉强度和容重表4
材料
抗拉强度（N/mnf）
容重（KN/m3）
浮法玻璃
50
25.6
钢化玻璃
180
25.6
钢材
235
7&5
铝型材
108
27.1
混凝土
2：
•；
25.0
玻璃板的抗弯强度很高，特别是钢化玻璃板。
因此玻璃幕墙的玻璃面板很薄，通常为6mm'10nim。
即使釆用中空玻璃或夹胶中空玻璃，面板由2层或3层玻璃组成，单位面积的重量也不过是0.3KN/m2~0.7KN/m2,远小于混凝土墻体的3.5KN/n厂5.OKN/m%
玻璃幕墻的重量大概相当于砖墙、混凝土墙的1/8~1/5,玻璃幕墙的轻质，使得它成为高层建筑和超高层建筑墙体材料的首选。
金属板（不锈钢板、铝板）虽然也符合轻质墙体的要求，但是金属板不透明，不具备通透、晶莹、飘逸的质感，因而在超高层建筑中不受建筑师的青睐，很少使用。
3.4没有玻璃幕墙，就没有500m以上的超高摩天大楼
由于重量太大，强度较低，石材幕墙很少会在400m以上的建筑中釆用。
同样，400m以上的超高层建筑，由于建筑艺术功能要求的因素，建筑师也不会选择采用金属板材。
到了500m以上，几乎清一色玻璃慕墙。
可以说，没有玻璃幕墙，就没有500m以上的超高摩天大楼。
采用玻璃幕墙，外墙的重量大约为建筑物总重量的l/100o这为建筑物高度的向上延伸创造了必要的条件。
例如，环球金触中心，高度495m,建筑物总重量约为80万t,玻璃幕壇的重量为5000t,只占建筑物总重量的1/160,如果换成传统材料的外壇，墙的重呈将增大至8倍，连带梁、柱、基础结构都要增大，建筑物总重量将增加10万t以上。
不仅建筑造价増高，而且基础和桩的设计施工都带来更多的困难。
目前已建成的世界最高建筑是迪拜哈利法塔，828m；国已结构封顶最高建筑是中心，632m；国正在施工最高的建筑是平安金融中心，660m；正准备施工的最高建筑是中南中心，729m。
这些最高建筑无一例外，全部采用玻璃幕壇。
4.超白玻璃的应用
4.1采用超白玻璃是减少自爆的有效途径
钢化玻璃存在自爆的可能性，超高层建筑玻璃自爆会带来很大的风险，而且建筑物很高，自爆后更换玻璃极其困难。
因此必须采取有效措施降低超高层建筑釆用钢化玻璃的自爆率。
减少自爆发生的途径可以有：
（1）采用半钢化玻璃，半钢化玻璃比钢化玻璃表面应力较低，基本上不会发生自爆；
（2）采用钢化超白玻璃，超白玻璃所含杂质少，自爆很少发生。
减低自爆概率，又符合目前相关规定的最有效的途径还是釆用钢化超白玻璃
超白玻璃，即低铁玻璃。
为了超白，减低绿颜色，就得采用降铁工艺。
降铁的同时，镰也降了下去。
这样一来，硫化镰的杂质也大大减少，钢化以后，自爆率大大降低。
超白玻璃钢化后的自爆率可降低到万分之一，甚至更低。
自爆后更换玻璃代价太高昂。
虽然超白玻璃要比普通玻璃价格高一些（大概30胪50$）,但是折合到幕墙上，每平米也就贵百十来块钱。
不爆玻璃比什么都好。
玻璃一旦破裂，虽然玻璃只值几百几千元，但在几百米高空换玻璃，可能要花几十万元。
特别是现在兴建大量海外工程，万里之遥去换一块玻璃，实在是难以办到的。
4.2钢化超白玻璃在高层建筑中的应用
世界最高建筑一迪拜哈里法塔，高度为828m,采用夹层中空超白玻璃，10万m2玻璃幕壇的超白玻璃由中国供应（图1）。
现在国外许多高层建筑的超白玻璃都是中国供应的（图2）。
图1迪拜哈里法塔图2新加坡金沙大酒店
中心，632m东塔，543m利通，303m高银117,592m
图3我国地部分釆用超白玻璃的高层建筑
5.离子性中间膜夹层玻璃
5.1常规的PVB夹层玻璃
目前，玻璃慕壇夹层玻璃广泛采用的中间膜是聚乙烯醇缩丁醛，筒称PVB。
PVB使用已经有多年历史，也为慕墙行业普遍熟悉。
但是，这种夹胶膜最初是为汽车玻璃而开发的，不是针对建筑慕墙开发的，所以它富于弹性，比较柔软，剪切模量小，两块玻璃间受力后会有显著的相对滑移，承载力较小，弯曲变形较大。
PVB夹层玻璃可以用于一般玻璃幕墻，不适宜用于有高性能要求的玻璃幕壇。
同时，PVB夹层玻璃的外露边容易受潮开胶，PVB胶膜夹层玻璃使用时间长以后容易发黄变色，这些都是应该加以注意的。
5.2离子性中间膜的特性
现在，能满足建筑幕墙夹层玻璃上述性能要求的夹胶膜一离子性中间膜已经开发出来，并批量生产，商品名称为SGP。
这种夹胶膜具有许多优良的性能。
SGP的剪切模量是PVB的50倍以上，撕裂强度比PVB高5倍。
SGP夹胶后，玻璃受力时两片玻璃之间的胶层基本上不会产生滑动，两片玻璃如同一片等厚度的单片玻璃整体工作。
这样一来，承载力就是等厚度的PVB.夹层玻璃承载力的2倍；同时，在相等荷载、相等厚度的情况下，SGP夹层玻璃的弯曲挠度只有PVB夹层玻璃的1/4。
由于承载力提高，挠度减小，玻璃厚度会相应减小。
有可能减少玻璃的用量约40%,相应也减轻了慕墙的自重。
SGP间膜夹层玻璃整体性好，SGP夹胶膜的撕裂强度是PVB夹胶膜的5倍，即使玻璃万一破碎，SGP膜还可以粘结碎玻璃形成破坏后的一个临时结构，其弯曲变形小，还可以承受一定量的荷载而不会整片下坠。
这就大大提高了玻璃的安全性（图4）。
图4SGP夹层玻璃即使破碎，也还有足够的剩余承載力
5.3SGP夹层玻璃在超高层建筑中的应用
超高层建筑要承受大的风力、地宸力和温度变化的影响，要求玻璃面板有高的承载力和刚度,而且万一破损还要有一定的剩余承载力而不会坠落。
SGP中间膜夹层玻璃可以很好地满足这些要求。
中心是目前在建最高的建筑，123层，63加高，共采用SGP夹层玻璃150000m2o中心采用双层通风幕墙，外幕墙为单夹层玻璃，配置为12nun超白+1.52SGP+12mm超白（图5）。
塔是我国已经建成最高的建筑，高度为600m,全部56000m2玻璃幕墙均采用SGP双夹层中
空玻璃，配置为（8mm+l・52SGP+8mm）+12A+（8mm+l・52SGP+8mm）。
三角形玻璃板块最大尺寸为
1.5mX3.5m（图6）。
图7京基大厦顶部图8利通广场大厦，高度303米，
采用SGP夹层玻璃SGP超白夹层中空锯齿形幕墙
京基大厦是目前已建成的最高建筑，高度445,其顶部为超大共享空间，整个超高拱形大厅由SGP夹层超白玻璃覆盖（图7）,非常通透。
目前国高层建筑玻璃幕壇配置最高档的要数利通广场大厦，其高度为303m,63000m2的玻璃慕壇为锯齿形，别具一格（图6）。
玻璃面板为超白半钢化玻璃，SGP.夹胶膜，组成为（8mmH.52SGP+Smm）+12A+8mm。
采用这样高档的配置主要是考虑：
高承载力和安全性；通透洁白；锯齿形玻璃不用封边。
6.超高摩天大楼的玻璃幕墙
6.1迪拜哈利法塔
哈利法塔的高度为828m,建筑幕壇总面积为13.5万n?
其中塔楼部分为12万m'。
在塔楼幕
墙中，玻璃10.5万n?
不锈钢板1.5万点。
采用单元式明框幕墻，共有23566个单元板块（图9
~图15）。
米用中空玻璃，16mm空气层，两片超白玻。
外片镀银灰反射膜；片镀Low-E膜。
两膜均朝空气层，可见光透射率20%；综合热透射率16%。
。
单元板块有21种主要板型，尺寸由1.3mX3・2m到2.25mX8mo
图9蔚空下幕墙熠熠生辉
剛,呎吧！
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图11设备层的不锈钢装饰条
图io塔楼蘇墻的单元划分
图12标准层单元蕪墙观
图13124层观光层躱墻
图14单元板块吊装到挂件上
图15设备层较高另加铝立柱
6.2平安金融中心
平安金融中心高度660m,玻璃幕墙高度590m（图16、图17）。
明框，单元式玻璃为超白、Low-E,中空，外片夹胶，片钢化（图18）。
图18釆用超白夹胶中空玻璃
6.3中心大厦
中心127层，高度632m.外形为螺旋上升的中国龙。
玻璃專墙由慕墙和外幕墙组成（图19、图21）。
图19中心大厦，高度632m图20中心的平面，外两道•暮墙图21外暮埴之问是多层廈
幕墙与外募墙之间形成12\5层高的庭,按防火要求，幕壇必须为防火幕墙。
慕墙直接支承在楼面结构上，外幕墙每12层〜15层为一组，通过水平钢管和竖向吊杆悬挂在上端外挑的楼面结构上（图22.图23）。
图22外幕埴安装在水平钢管上，水平钢管通过吊杆悬挂在上步楼面结枸上
外慕墙采用超白半钢化SGP夹胶玻璃。
12mm超白+1.52mmSGP+12nini超白。
由于外慕墙有螺旋上升的造型，为复杂的双曲面，为此平面板块单元错缝锯齿形安装，拟合造型曲面（图24、图25）。
图23外躱墙的水平钢管和吊杆图24平面单元板块锯齿形错位安装
幕墙为防火幕墻，采用（8mm超白+0.89mmSGP+8mm超白）+12A+8min艳钾防火玻璃。
支承结构均采用冷弯薄壁型钢，梁壁•厚3mm,柱壁厚4mm。
钢结构外包铝型材（图27〜图29）。
6.4塔
塔高度600m,玻璃幕墙高度460m（图30、图31）。
明框玻璃幕壇采用三角形单元板块，尺寸为1500mmX3500mmo双夹层半钢化中空玻璃，（8mm+l・52mmSGP+8inin）+12nimA・（8mm+l・52mmSGP+8mm）（图32、图35）o
图31双夹层中空玻璃位于钢袈构的部
图30塔，玻璃幕埴高度460m
图32塔景，三角形玻璃单元板块
图33玻璃单元下横梁
——胖I.SJWeiowpH龙册15295P48nm4«W^*«
图34横梁节点竖向剖面
图35转角处立柱水平剖面
6.5东塔（周大福中心）
单元式板块。
玻璃超白、夹层中空
东塔高度540m,玻璃慕墙，带竖向板装饰条（图36）（图37、图42）o
图36东塔
图37玻璃幕埴单元，外突竖向线条为板
图38塔楼幕墙
图39裙房皋墙
图40玻璃幕壇外观
图41耳埴水平剖面，玻璃板之问有板竖线条
图巾2节点竖向剖面
6.6高银117
高银117高度为592m,117层。
32、63.94和115^116层为高层大堂，顶部设有钻石型玻璃顶（图43）。
幕墙总面积14.7万nf2,分为2万单元板块。
标准层单元4.3mXI.5m,1.4万单元板块；屋顶钻石幕墙板块约为2mX2m。
玻璃配置为外玻璃PVB夹层，超白Low-E半钢化；12mm中空；层玻璃钢化。
大面幕墙：
（8mm+l・52PVB+8mm）+12A+8mm
高空大堂：
（8mm+l・52PVB+8mm）+12A+12mm/10mm
钻石幕墙：
（10mm+1.52PVB+10mm）+12A+10mm（倒挂）
典型大样和节点见图44。
图44幕墙竖向剖面（左〉和节点水平剖面（右）
7•结语
高度500m以上的超高摩天大楼，外维护结构的选择就是采用玻璃慕墙。
玻璃幕墙的基本选择是：
明框，单元式，双夹胶中空或外夹胶钢化中空。
夹胶的玻璃
可以考虑采用半钢化。
优先采用超白玻璃，钢化玻璃应采用超白玻璃。
高度500m以上超高层摩天大楼的夹胶玻璃，其中间层胶片宜考虑采用离子型胶片SGP。
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