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
赵西安
（中国建筑科学研究院100013北京）
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
中东
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
49
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
建筑幕墙的应用始于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，玻璃幕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，随着建筑幕墙技术的发展和玻璃生产工艺、加工工艺的进步，玻璃幕墙得到更广泛的应用。
1981年，我国内地第一片玻璃幕墙出现在广交会的正立面；1984年，北京长城饭店成为第一座采用玻璃幕墙的高层建筑。
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内企业主导、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墙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m2，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m2，其中玻璃幕墙的数量超过3.5亿m2。
这3.5亿m2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墙体材料。
玻璃作为建筑材料，同时具备四大特点：
透明、高强、轻质、耐久。
而其他墙体材料，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
高强
轻质
耐久
玻璃
O
O
O
O
钢板和不锈钢板
X
O
O
O**
铝板和钛锌板
X
X
O
O
混凝土
X
X
X
O
砖、砌块、石板
X
X
X
O
聚碳酸酯板
O
X
O
X
ETFE膜材
透光不透明
X
O
X
O**—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%~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/mm2）
容重（KN/m3）
浮法玻璃
50
25.6
钢化玻璃
180
25.6
钢材
235
78.5
铝型材
108
27.1
混凝土
2~3
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~10mm。
即使采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，远小于混凝土墙体的3.5KN/m2~5.0KN/m2。
玻璃幕墙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以上的建筑中采用。
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,几乎清一色玻璃幕墙。
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1/100。
这为建筑物高度的向上延伸创造了必要的条件。
例如，上海环球金融中心，高度495m，建筑物总重量约为80万t，玻璃幕墙的重量为5000t，只占建筑物总重量的1/160，如果换成传统材料的外墙，墙的重量将增大至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。
不仅建筑造价增高，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；国内已结构封顶最高建筑是上海中心，632m；国内正在施工最高的建筑是深圳平安金融中心，660m；正准备施工的最高建筑是苏州中南中心，729m。
这些最高建筑无一例外，全部采用玻璃幕墙。
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采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采用钢化超白玻璃
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，镍也降了下去。
这样一来，硫化镍的杂质也大大减少，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%~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—迪拜哈里法塔，高度为828m，采用夹层中空超白玻璃，10万m2玻璃幕墙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
上海中心，632m广州东塔，543m广州利通，303m天津高银117，592m
图3我国内地部分采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，玻璃幕墙夹层玻璃广泛采用的中间膜是聚乙烯醇缩丁醛，简称PVB。
PVB使用已经有多年历史，也为幕墙行业普遍熟悉。
但是，这种夹胶膜最初是为汽车玻璃而开发的，不是针对建筑幕墙开发的，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墙，不适宜用于有高性能要求的玻璃幕墙。
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—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%，相应也减轻了幕墙的自重。
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载力
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、地震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。
上海中心是目前在建最高的建筑，123层，632m高，共采用SGP夹层玻璃150000m2。
上海中心采用双层通风幕墙，外幕墙为单夹层玻璃，配置为12mm超白+1.52SGP+12mm超白（图5）。
广州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+1.52SGP+8mm）+12A+（8mm+1.52SGP+8mm）。
三角形玻璃板块最大尺寸为1.5mX3.5m（图6）。
图5上海中心玻璃幕墙图6广州塔的楼层，落地三角形大块SGP夹层玻璃
图7深圳京基大厦顶部图8广州利通广场大厦，高度303米，
采用SGP夹层玻璃SGP超白夹层中空锯齿形幕墙
深圳京基大厦是深圳目前已建成的最高建筑，高度441m，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。
目前国内高层建筑玻璃幕墙配置最高档的要数广州利通广场大厦，其高度为303m，63000m2的玻璃幕墙为锯齿形，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（8mm+1.52SGP+8mm）+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，建筑幕墙总面积为13.5万m2，其中塔楼部分为12万m2。
在塔楼幕
墙中，玻璃10.5万m2，不锈钢板1.5万m2。
采用单元式明框幕墙，共有23566个单元板块（图9
~图15）。
采用中空玻璃，16mm空气层，两片超白玻。
外片镀银灰反射膜；内片镀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2.25mX8m。
图9蔚蓝天空下幕墙熠熠生辉
图10塔楼幕墙的单元划分图11设备层的不锈钢装饰条
图12标准层单元幕墙内观图13124层观光层幕墙
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深圳平安金融中心
深圳平安金融中心高度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，内片钢化（图18）。
图16深圳平安金融中心，660m图17单元式明框玻璃幕墙
图18采用超白夹胶中空玻璃
6.3上海中心大厦
上海中心127层，高度632m，外形为螺旋上升的中国龙。
玻璃幕墙由内幕墙和外幕墙组成（图19~图21）。
图19上海中心大厦，高度632m图20上海中心的平面，内外两道幕墙图21内外幕墙之间是多层内庭
内幕墙与外幕墙之间形成12~15层高的内庭，按防火要求，内幕墙必须为防火幕墙。
内幕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外幕墙安装在水平钢管上，水平钢管通过吊杆悬挂在上步楼面结构上
外幕墙采用超白半钢化SGP夹胶玻璃。
12mm超白+1.52mmSGP+12mm超白。
由于外幕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外幕墙的水平钢管和吊杆图24平面单元板块锯齿形错位安装
图25外幕墙的中国龙双曲造型图26外幕墙单元板块的安装
内幕墙为防火幕墙，采用（8mm超白+0.89mmSGP+8mm超白）+12A+8mm铯钾防火玻璃。
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）。
图27外幕墙（下部）和防火内幕墙（上部）图28防火内幕墙的钢骨架图29内幕墙钢立柱
6.4广州塔
广州塔高度600m，玻璃幕墙高度460m（图30、图31）。
明框玻璃幕墙采用三角形单元板块，尺寸为1500mmX3500mm。
双夹层半钢化中空玻璃，（8mm+1.52mmSGP+8mm）+12mmA+（8mm+1.52mmSGP+8mm）（图32~图35）。
图30广州塔，玻璃幕墙高度460m图31双夹层中空玻璃位于钢架构的内部
图32广州塔内景，三角形玻璃单元板块图33玻璃单元下横梁
图34横梁节点竖向剖面图35转角处立柱水平剖面
6.5广州东塔（周大福中心）
广州东塔高度540m，玻璃幕墙，带竖向陶板装饰条（图36）。
单元式板块。
玻璃超白、夹层中空（图37~图42）。
图36广州东塔图37玻璃幕墙单元，外突竖向线条为陶板
图38塔楼幕墙图39裙房幕墙
图40玻璃幕墙外观
图41幕墙水平剖面，玻璃板之间有陶板竖线条图42节点竖向剖面
6.6天津高银117
天津高银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）。
图43天津高银117（左）及其`钻石型顶部（右）
幕墙总面积14.7万m2，分为2万单元板块。
标准层单元4.3mX1.5m，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；内
层玻璃钢化。
大面幕墙：
（8mm+1.52PVB+8mm）+12A+8mm
高空大堂：
（8mm+1.52PVB+8mm）+12A+12mm/10mm
钻石幕墙：
（10mm+1.52PVB+10mm）+12A+10mm（倒挂）
10mm+12A+（10mm+1.52PVB+10mm）（正放）
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幕墙。
玻璃幕墙的基本选择是：
明框，单元式，双夹胶中空或外夹胶内钢化中空。
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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