超高层建筑幕墙结构,超强总结!

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来源:建筑结构 如有侵权请联系删除 [摘要]高度200m以上的超高层建筑都采用幕墙作为围护结构,这是由高层建筑的特殊性质所决定的。幕墙的结构形式不仅重量小,而且能抵抗高烈度地震和强台风的袭击。幕墙可以采用多种面板材料,具备各种表面造型,充分满足建筑艺术的要求。其中大量采用的玻璃,具有透明、轻质、高强、耐久四大特性,使玻璃幕墙广泛采用。文中介绍了已建成和在建的几座500m以上的建筑的玻璃幕墙以及幕墙的新材料和新做法。

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如有侵权请联系删除


[摘要]高度200m以上的超高层建筑都采用幕墙作为围护结构,这是由高层建筑的特殊性质所决定的。幕墙的结构形式不仅重量小,而且能抵抗高烈度地震和强台风的袭击。幕墙可以采用多种面板材料,具备各种表面造型,充分满足建筑艺术的要求。其中大量采用的玻璃,具有透明、轻质、高强、耐久四大特性,使玻璃幕墙广泛采用。文中介绍了已建成和在建的几座500m以上的建筑的玻璃幕墙以及幕墙的新材料和新做法。 


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。

笔者根据手头资料的不完全,截至2018年5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1。

  超高层建筑的分布(至20185月)   1

高度(m)

全世界

中国大陆

港台

600m以上

27

13

0

500m以上

52

34

1

400m以上

128

80

3

300m以上

416

268

12

由表1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左右。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。

2017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5亿m2。这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  幕墙是超高层建筑不可代替的墙体形式


3.1  建筑幕墙

建筑幕墙不同于低层建筑常见的混凝土墙体和砌体墙。幕墙石油支承结构体系与面板组成的、可相对于主体结构有一定位移能力、不分担主体结构所受作用的建筑外围护结构或装饰结构。

幕墙相对于主体结构有一定位移能力,一般位于主体结构面的外侧(有些工程可以是主体结构在外、幕墙结构在内,如广州塔)。在地震、台风作用下,主体结构发生水平位移时,不会强迫幕墙也发生完全相同的面内水平位移,因而幕墙在强震和大风中保持完好,或者有轻微损坏。

3.2 幕墙具有良好的抗震和抗风能力

超高层建筑在地震和大风中会产生很大的水平位移,所以会采用幕墙来作为外围护结构。振动台实验表明:幕墙可以承受 1/100 至 1/50的位移量。幕墙能承受的位移值远远超出主体结构的位移限值,这就是在地震和台风灾害中,幕墙结构能保持完好或者损害轻微的原因。

图1为在2008年汶川大地震中经受烈度为9度强震后的建筑物,其玻璃幕墙、石材幕墙都保持完好。

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图1 汶川地震,都江堰、绵阳、青城山等9度区的幕墙

2016年9月,莫兰蒂台风袭击厦门,风力达14级到17级,风荷载达规范值的1.8到2倍,但是高层建筑玻璃幕墙基本保持完好,幕墙破损的建筑很少(图2)。

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图2 2016年莫兰迪台风袭击后,厦门高层建筑玻璃幕墙保持完好或损坏轻微


3.3  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2)。


注:O**—碳素钢要采取防腐措施。

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。

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3)。


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。

上海中心总重量76万t,玻璃幕墙重量为总重量的1/100。

目前已建成的世界最高建筑是迪拜哈利法塔,828m;国内已建成最高建筑是上海中心,632m;国内正在施工最高的建筑是武汉绿地中心,636m;正基础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  超高摩天大楼的玻璃幕墙


4.1  迪拜云溪塔

建造中的迪拜云溪塔高度未最后确定,预计为960m至1196m。目前基础正在施工。云溪塔为钢筋混凝土单筒体,加上两组弧形布置的钢拉索(图3)。高度700m至900m区段布置50层高空酒店,全部为玻璃幕墙。由于工程刚开始施工,有关细节还可能变动。已初步确定,该工程上部结构将由中建总公司承建。



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4.2 吉达王国塔

沙特阿拉伯王国吉达正在施工一座高度1007m、208层的王国塔(图4)。建筑平面为三叉形,立面为针形,630m高度上有一个700m2的室外观光平台。

主体为混凝土剪力墙结构,外部为玻璃幕墙。幕墙为半隐框结构,玻璃为10mm+16mm空气层+10mm中空。幕墙由中国公司设计,2017年5月完成试验,9月已经开始安装。






4.3  迪拜哈利法塔

哈利法塔的高度为828m,是目前世界上最高的建筑幕墙。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5~图11)。本工程由中国承建,玻璃、铝型材、五金件和密封胶均采用中国产品。

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。 

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4.4  武汉国际金融中心(武汉绿地)

武汉国际金融中心,即武汉绿地中心,原设计高度636m,125层;后因限高,实际结构高度为495m。平面为圆角三叉形,竖向逐渐内收呈圆滑曲线。立面上开有喇叭形洞口,可以减少主体结构和幕墙所受的风力(图12)。

采用12mm半钢化玻璃,中空,Low-E,外夹层玻璃,内单片玻璃。板块均为不规则四边形,几乎没有完全相同板块。

每层设三道水平线条,最上面为金属装饰条,下面为两道水平金属遮阳板(图13)。






4.5  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14~图16)。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17、图18)。

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19、图20)。











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22~图24)。



4.6   深圳平安金融中心

深圳平安金融中心高度600m,玻璃幕墙高度590m(图25、图26)。明框,单元式。玻璃为超白、Low-E,中空,外片夹胶,内片钢化(图27)。







4.7  广州塔

广州塔高度600m,玻璃幕墙高度460m(图28、图29)。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30~图33)。




4.8  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34)。单元式板块。玻璃超白、夹层中空(图33~图39)。









4.9 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40)。


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41。




图42天津高银117的玻璃幕墙


4.10 天津周大福

天津周大福高度525m,外形像立在发射台上的火箭。由于幕墙是曲面,用平面玻璃拟合时,只能上下排玻璃错缝(图43)。




5  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。超高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。以提高玻璃幕墙的安全性。


作者简介

赵西安,1940年7月生,1964年清华大学澳门金沙系毕业,1967年研究生毕业。现为中国建筑科学研究院研究员。中国建筑金属协会铝门窗幕墙委员会专家组成员,中国建筑装饰协会幕墙工程委员会专家组成员。中国建筑学会结构分会高层委员会委员。

主要从事建筑结构、建筑抗震、建筑幕墙和钢结构方面的研究、技术开发和技术咨询、工程标准规范编制工作。

建筑结构方面:主编和参编《高层建筑结构设计规定》、《高层建筑混凝土结构设计规程》、《高层民用建筑钢结构技术规程》等。参加许多大型高层建筑工程设计和技术咨询。曾获国家科技进步奖、建设部奖5次。出版了《高层澳门金沙》等12部专著。发表有关高层结构的论文80余篇。

在幕墙方面:主持和主编《玻璃幕墙工程技术规范》和《金属与石材幕墙工程技术规范》。作为甲方工程顾问监管了十余座大型建筑的幕墙工程。并参与许多大型幕墙工程的咨询工作。 出版了5种幕墙方面的专著。发表了有关幕墙方面的论文40余篇。

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