我國幕墻核心技術(shù)演變及發(fā)展趨勢分析

孟根寶力高, 張鵬飛

(1 華東建筑設(shè)計研究院有限公司，上海 200092；2 同濟大學(xué)，上海 200092)

0 前言

我國建筑幕墻工業(yè)規(guī)模逾4 500億,已為實現(xiàn)建筑個性化外形及其功能,創(chuàng)造了不可替代的價值。國內(nèi)建筑幕墻從1984年修建的長城飯店應(yīng)用以來有近40年的發(fā)展歷程[1],目前已步入新技術(shù)、新材料、新工藝的智能信息化、綠色環(huán)?；⒐S裝配化等全方位發(fā)展階段。而數(shù)字化、智能化和節(jié)能技術(shù)為幕墻新的多樣化創(chuàng)新提供了強有力的工具,造型及其功能的多樣性越來越符合現(xiàn)代人的需求[2]。而且幕墻作為建筑子系統(tǒng),在滿足建筑量身定制設(shè)計的過程中“個性化”既是必然也是追求審美和商業(yè)價值的共同需求[3]。

在行業(yè)發(fā)展進程中,幕墻的“風(fēng)格”不斷演化,圍繞安全性、舒適性、美觀性和經(jīng)濟性而持續(xù)改進,這恰恰表明建筑幕墻與人性及人的社會性緊密聯(lián)系在一起。世界上諸多重要事情均發(fā)生在界面處,地球表面孕育生命,大腦皮層產(chǎn)生意識,而建筑表皮同樣也是建筑與外界交換物質(zhì)、能量和信息的重要界面(表 1)。將生物皮膚與建筑表皮對比發(fā)現(xiàn),相對皮膚通過生物機體內(nèi)穩(wěn)態(tài)化進行調(diào)節(jié),建筑則通過人與表皮互動,反饋調(diào)節(jié)建筑內(nèi)環(huán)境。可以預(yù)見,建筑外皮以生物皮膚功能作為參考系,朝個性化方向發(fā)展,終將成為“感應(yīng)和生產(chǎn)能量的皮膚”。

1 幕墻核心技術(shù)演變過程

從建筑發(fā)展視角來看,某種幕墻風(fēng)格盛行一段時間后將產(chǎn)生內(nèi)在的轉(zhuǎn)向需求。因此無論是造型、結(jié)構(gòu)體系和材料,或者工藝,可通過改變風(fēng)格來滿足人們喜新厭舊的審美定位要求,但唯獨不變的是對安全、舒適和美觀的需求[4]。圖 1為1997年到2011年期間國內(nèi)技術(shù)風(fēng)格轉(zhuǎn)變各階段的代表性幕墻工程,經(jīng)歷了以下互相交錯重疊的幾個階段,每個階段都涉及一些核心技術(shù),如:1)全隱框幕墻;2)干掛裝配幕墻;3)點式玻璃幕墻;4)雙層幕墻;5)單層索網(wǎng)幕墻;6)綜合集成幕墻:如LED屏幕、光伏幕墻等;7)材料多樣化自由曲面幕墻;8)肌理幕墻。

圖1 各技術(shù)風(fēng)格階段代表性幕墻工程

表1 生物皮膚與建筑表皮氣候適應(yīng)性機制對比

為了把握幕墻核心技術(shù)風(fēng)格轉(zhuǎn)變脈絡(luò),選擇一些具有全局性屬性的開放式體系、纖細(xì)通透化、自由曲面和個性化肌理等幕墻技術(shù),進行針對性剖析和探討。

2 開放式與封閉式幕墻體系

表2為開放式與封閉式鋁板幕墻優(yōu)缺點對比[5]。開放式幕墻能體現(xiàn)工業(yè)化產(chǎn)品感覺,而材料集成單元幕墻結(jié)構(gòu),為其提供了便于實現(xiàn)的工藝。例如,1999年建造的上海中銀大廈采用開放式石材、鋁板和玻璃組成的單元式幕墻體系(圖2),至今已經(jīng)歷20余年,其開放式石材依然如新、精致,品質(zhì)感保持良好。事實上,近40年來,關(guān)于幕墻構(gòu)造要“開放”還是“封閉”一直存在不同的聲音,而開放系統(tǒng)通過實際工程案例以無可辯駁的優(yōu)越性給出了答案。不過對先進的開放式系統(tǒng)來說,室內(nèi)側(cè)氣密性達標(biāo)、保溫構(gòu)造連續(xù)和良好的腔體通風(fēng)呼吸是其成功的前提,應(yīng)值得重視。

圖2 上海中銀大廈及開放式幕墻結(jié)構(gòu)

表2 開放式與封閉式鋁板幕墻優(yōu)缺點對比

3 通透纖細(xì)幕墻技術(shù)

幕墻的通透性是保證建筑美觀的必要條件之一。實現(xiàn)通透幕墻一般通過采取增加幕墻單塊玻璃面積,提高玻璃可見光透過率(visible light transmittance,VLT),使用更加纖細(xì)的構(gòu)件等措施。通過系統(tǒng)性地調(diào)研發(fā)現(xiàn),近40年來,一些地區(qū)的玻璃幕墻單塊玻璃面積普遍增加了4倍以上。以深圳和上海一些幕墻玻璃(圖3)為例,單塊玻璃板塊面積從最初的1.8m2到現(xiàn)在的8m2,增長約4.5倍。目前,寬度2.4m的單塊玻璃很普遍,裙房所用玻璃更是由6m高增加到20m左右,如北京泰康保險大樓大堂所用玻璃為3.1m×17.2m?？梢姽馔高^率從早期鍍膜玻璃的30%左右提高到現(xiàn)在的65%左右,甚至采用高透LOW-E超白玻璃時,可見光透過率可以提高到80%以上。

在使用纖細(xì)構(gòu)件方面,創(chuàng)新做法更是層出不窮,如替換鋁構(gòu)件為精致鋼、單層索網(wǎng)、加輔助支撐等,幕墻龍骨也經(jīng)歷了從采用鋁合金構(gòu)件到纖細(xì)精致鋼構(gòu)件,再到單層索網(wǎng)結(jié)構(gòu)的過程。此外,還可以通過索-裝飾框體系(圖4)獲得纖細(xì)感,即通過索外包異形鋁型材進行簡化裝飾或把索放置于玻璃縫隙的做法,獲得纖細(xì)通透感。

圖4 索-裝飾框體系

早期的吊掛全玻璃幕墻一般采用膠粘夾板工藝,吊裝工藝如圖5所示。這種工藝對施工質(zhì)量要求比較高,離散性也較大。而最新發(fā)展的打孔吊掛工藝離散性小得多,這種全玻璃吊掛系統(tǒng)能保證安全性和壽命,也能同時滿足施工方便性要求。但是,建筑設(shè)計時過于追求超大規(guī)格玻璃并非理性之舉,即便玻璃吊掛孔中填充高抗壓膠能均化邊緣應(yīng)力,避免應(yīng)力集中,若不能嚴(yán)格按工藝要求加工和施工,同樣會導(dǎo)致失效等后果。

圖5 傳統(tǒng)吊掛玻璃工藝示意圖

4 自由曲面幕墻及冷彎技術(shù)

從神經(jīng)美學(xué)觀點來看,曲面建筑易帶來動感體驗和親近感。所以不管是經(jīng)典建筑中的弧線元素,還是最近“數(shù)字化設(shè)計”風(fēng)格的流線形異型建筑幕墻,都給人們帶來了獨特的建筑審美體驗,如國家速滑館[6]。隨著數(shù)字化設(shè)計手段和材料工藝的進步,如參數(shù)化正向設(shè)計和低成本的冷彎金屬板或玻璃技術(shù),更為這一類項目的成功落地創(chuàng)造了良好的條件。一般情況下,玻璃曲率大于1 500倍厚度時,就適合采用冷彎工藝。如俄羅斯聯(lián)邦大廈(圖6)采用單元板塊整體冷彎工藝,外立面為雙曲面形態(tài),該項目把玻璃組裝為平板單元幕墻板塊,現(xiàn)場通過定位拉單元掛件實現(xiàn)微弧線曲面幕墻,以保持較低的玻璃表面殘余附加應(yīng)力。

圖6 俄羅斯聯(lián)邦大廈及其單元幕墻板塊結(jié)構(gòu)

為進一步分析冷彎玻璃固定應(yīng)力分布,筆者課題組通過有限元方法分別對角部單點固定和邊部多點固定玻璃幕墻進行了數(shù)值模擬。模擬結(jié)果表明,選擇8mm厚單片玻璃,40mm位移荷載時單點固定和多點固定應(yīng)力值分別為17.6MPa和11.0MPa,相較于多點壓的直線形變形,單點壓變形為弧線形,應(yīng)力更大,而且大應(yīng)力區(qū)域集中在受壓點于邊緣處,因此對邊緣性能要求更高,見圖7。

圖7 單點和多點固定角部壓冷成型數(shù)值模擬應(yīng)力

5 肌理幕墻

隨著人們追求建筑新穎個性化表皮、數(shù)字化幕墻設(shè)計和建造技術(shù)的進步,越來越多的建筑采用既具備抽象化肌理美感,又承載文化元素和光伏一體化等功能集成的幕墻形式——肌理幕墻[7]。這種幕墻相對于具有矩形分格平滑表面幕墻,引入更多凹凸折皺和斜線方式[8]。

肌理幕墻可以通過多層集成或單層褶皺實現(xiàn)個性化圖案,前期可通過BIM技術(shù)輔助設(shè)計和VR建模更好展示出其個性化體驗和韻律美[9]。一般來說,如果采用多層如雙層幕墻,通過外層構(gòu)件表達圖案,雖然其材料和施工成本高,但技術(shù)難度不大。相比之下,單層肌理幕墻(圖8)的設(shè)計和制造難度均較大,實現(xiàn)精致面臨更多挑戰(zhàn),其核心技術(shù)是:1)形成褶皺策略;2)斷折框位置剛度連續(xù)和防水密封;3)巧妙實現(xiàn)室內(nèi)美觀度;4)巧妙實現(xiàn)通風(fēng)、遮陽、防水和照明,甚至光伏一體化(BIPV)等功能集成。

圖8 單層肌理幕墻

6 結(jié)語

中國建筑幕墻經(jīng)過40多年的發(fā)展已建立起了較完備的國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系,并完成了大量的幕墻工程,建筑設(shè)計一體化程度也大幅提升,但其性能和品質(zhì)提高空間依然很大。當(dāng)下“設(shè)計參數(shù)化、管理實物-虛擬同步化、現(xiàn)場施工機器人和機械化”是提高幕墻品質(zhì)的有效手段,但還不能系統(tǒng)性降低設(shè)計風(fēng)險,需要認(rèn)真對待每個項目關(guān)鍵材料、核心技術(shù)和工藝。

面對核心技術(shù)演化,只有通過夯實結(jié)構(gòu)計算和分析技術(shù),才能做到設(shè)計既可靠又先進。同時,還應(yīng)該多研究幕墻相關(guān)規(guī)范的核心要義,規(guī)范是成熟經(jīng)驗的總結(jié),掌握規(guī)范條文制定邏輯和背后原理,活用規(guī)范條文本身,避免落入教條,敢于創(chuàng)新,才能完成高品質(zhì)幕墻產(chǎn)品。

高品質(zhì)幕墻可結(jié)合薄膜太陽能發(fā)電玻璃等綠色低碳技術(shù)[9-10],助力我國實現(xiàn)2030年碳達峰和2060年碳中和(雙碳)既定目標(biāo)。當(dāng)然,綠色低碳應(yīng)進行務(wù)實評估,不要使綠色低碳成為轉(zhuǎn)瞬即逝的風(fēng)格,應(yīng)實現(xiàn)其靈魂。如評估幕墻全生命周期里的“綠色”時,不應(yīng)“斷時評估其節(jié)能效果”。

創(chuàng)新是時代主題,要認(rèn)識到以安全、節(jié)能、舒適、美觀和經(jīng)濟性作為終極評判標(biāo)準(zhǔn)的重要性,扎實推動數(shù)字智能化在內(nèi)的創(chuàng)新。優(yōu)秀的幕墻產(chǎn)品是設(shè)計、加工、安裝和維護等系統(tǒng)性技術(shù)實施的產(chǎn)物,識別并把握核心技術(shù)依然是提高幕墻完成度的關(guān)鍵所在。