09.19 超高層：建築幕牆結構，新材料和新做法的運用

[摘要]高度200m以上的超高層建築都採用幕牆作為圍護結構，這是由高層建築的特殊性質所決定的。幕牆的結構形式不僅重量小，而且能抵抗高烈度地震和強颱風的襲擊。

幕牆可以採用多種面板材料，具備各種表面造型，充分滿足建築藝術的要求。其中大量採用的玻璃，具有透明、輕質、高強、耐久四大特性，使玻璃幕牆廣泛採用。

文中介紹了已建成和在建的幾座500m以上的建築的玻璃幕牆以及幕牆的新材料和新做法。

1 中國是超高層建築最多的國家

近二十年來，隨著中國經濟實力的高速增長，城市化進程加快，基建投資也急劇增多，超大規模、超高度的建築如雨後春筍在各城市拔地而起。中國迅速超過美國，成為世界上超高層建築最多的國家。

筆者根據手頭資料的不完全統計，截至2018年5月，包括已經立項、設計中、施工中和已經建成的超高層建築，數量分佈見表1。

由表1可見，在300m以上的超高層建築中，無論哪一個高度，我國均佔全部數量的一半左右。高層建築的迅速發展，直接帶動了我國建築幕牆行業的迅速發展。

2 中國是建築幕牆生產和使用大國

建築幕牆的應用始於19世紀末，當時只用於建築的局部，且規模較小。1851年英國倫敦工業博覽會建造的“水晶宮”是最早出現的初級建築幕牆；到20世紀50年代，隨著建築技術的發展，玻璃幕牆開始大規模應用於建築外圍護結構，宣告建築幕牆時代的到來；到20世紀80年代，隨著建築幕牆技術的發展和玻璃生產工藝、加工工藝的進步，玻璃幕牆得到更廣泛的應用。

1981年，我國內地第一片玻璃幕牆出現在廣交會的正立面；1984年，北京長城飯店成為第一座採用玻璃幕牆的高層建築。30多年以來，伴隨著我國國民經濟的持續快速發展和城市化進程的加快，我國建築幕牆行業實現了從無到有、從外資一統天下到國內企業主導、從模仿引進到自主創新的跨越式發展，到21世紀初我國已經成為建築幕牆世界第一生產大國和使用大國。

2017年，我國建築幕牆生產量已達10000萬m²，佔全世界建築幕牆總產量的85%。我國現存建築幕牆總量超過10億m²，其中玻璃幕牆的數量超過5億m²。這5億m² 的玻璃幕牆中，有相當大的一部分用於超高層建築。

3 幕牆是超高層建築不可代替的牆體形式

3.1 建築幕牆

建築幕牆不同於低層建築常見的混凝土牆體和砌體牆。幕牆石油支承結構體系與面板組成的、可相對於主體結構有一定位移能力、不分擔主體結構所受作用的建築外圍護結構或裝飾結構。

幕牆相對於主體結構有一定位移能力，一般位於主體結構面的外側（有些工程可以是主體結構在外、幕牆結構在內，如廣州塔）。在地震、颱風作用下，主體結構發生水平位移時，不會強迫幕牆也發生完全相同的面內水平位移，因而幕牆在強震和大風中保持完好，或者有輕微損壞。

3.2 幕牆具有良好的抗震和抗風能力

超高層建築在地震和大風中會產生很大的水平位移，所以會採用幕牆來作為外圍護結構。振動臺實驗表明：幕牆可以承受 1/100 至 1/50的位移量。幕牆能承受的位移值遠遠超出主體結構的位移限值，這就是在地震和颱風災害中，幕牆結構能保持完好或者損害輕微的原因。

下圖為在2008年汶川大地震中經受烈度為9度強震後的建築物，其玻璃幕牆、石材幕牆都保持完好。

圖：汶川地震後，都江堰、綿陽、青城山等9度地區的幕牆

2016年9月，莫蘭蒂颱風襲擊廈門，風力達14級到17級，風荷載達規範值的1.8到2倍，但是高層建築玻璃幕牆基本保持完好，幕牆破損的建築很少（下圖）。

3.3 玻璃同時具備四大特點

玻璃門窗用於建築的歷史非常久遠，甚至於難以考據。玻璃幕牆的應用，則開始於1951年建成的紐約利華大廈，此後迅速成為高層建築，特別是超高層建築首選的牆體材料。

玻璃作為建築材料，同時具備四大特點：透明、高強、輕質、耐久。而其他牆體材料，都不能同時具備這些特點（表2）。

玻璃的透明性：玻璃是透明材料。普通浮法玻璃的可見光透過率為80%。超白玻璃是降低了玻璃中的鐵元素，更加晶瑩透亮，可見光透過率提升到85%以上。聚碳酸酯板（PVC板）的透光率可達75%~80%。薄膜材料（如ETFE）只能透過漫射光，透光不透明。

玻璃是高強輕質材料：玻璃是脆性材料，但具有很高的抗拉強度。在常用牆體材料中，其抗拉強度僅次於鋼材，遠高於其他材料（表3）。

玻璃板的抗彎強度很高，特別是鋼化玻璃板。因此玻璃幕牆的玻璃面板很薄，通常為6mm~10mm。即使採用中空玻璃或夾膠中空玻璃，面板由2層或3層玻璃組成，單位面積的重量也不過是0.3kN/m²~0.7kN/m²，遠小於混凝土牆體的3.5kN/m²~5.0kN/m²。

玻璃幕牆的重量大概相當於磚牆、混凝土牆的1/8~1/5，玻璃幕牆的輕質，使得它成為高層建築和超高層建築牆體材料的首選。

金屬板（不鏽鋼板、鋁板）雖然也符合輕質牆體的要求，但是金屬板不透明，不具備通透、晶瑩、飄逸的質感，因而在超高層建築中不受建築師的青睞，很少使用。

3.4 沒有玻璃幕牆，就沒有500m以上的超高摩天大樓

由於重量太大，強度較低，石材幕牆很少會在400m以上的建築中採用。同樣，400m以上的超高層建築，由於建築藝術功能要求的因素，建築師也不會選擇採用金屬板材。到了500m以上,幾乎清一色玻璃幕牆。可以說，沒有玻璃幕牆，就沒有500m以上的超高摩天大樓。

採用玻璃幕牆，外牆的重量大約為建築物總重量的1/100。這為建築物高度的向上延伸創造了必要的條件。例如，上海環球金融中心，高度495m，建築物總重量約為80萬t，玻璃幕牆的重量為5000t，只佔建築物總重量的1/160，如果換成傳統材料的外牆，牆的重量將增大至8倍，連帶梁、柱、基礎結構都要增大，建築物總重量將增加10萬t以上。不僅建築造價增高，而且基礎和樁的設計施工都帶來更多的困難。

上海中心總重量76萬t，玻璃幕牆重量為總重量的1/100。

目前已建成的世界最高建築是迪拜哈利法塔，828m；國內已建成最高建築是上海中心，632m；國內正在施工最高的建築是武漢綠地中心，636m；正基礎施工的最高建築是蘇州中南中心，729m。這些最高建築無一例外，全部採用玻璃幕牆。

4 超高摩天大樓的玻璃幕牆

4.1 迪拜云溪塔

建造中的迪拜云溪塔高度未最後確定，預計為960m至1196m。目前基礎正在施工。云溪塔為鋼筋混凝土單筒體，加上兩組弧形佈置的鋼拉索（圖3）。高度700m至900m區段佈置50層高空酒店，全部為玻璃幕牆。由於工程剛開始施工，有關細節還可能變動。已初步確定，該工程上部結構將由中建總公司承建。

（↑↑↑圖3 迪拜云溪塔）

4.2 吉達王國塔

沙特阿拉伯王國吉達正在施工一座高度1007m、208層的王國塔（圖4）。建築平面為三叉形，立面為針形，630m高度上有一個700m²的室外觀光平臺。

主體為混凝土剪力牆結構，外部為玻璃幕牆。幕牆為半隱框結構，玻璃為10mm+16mm空氣層+10mm中空。幕牆由中國公司設計，2017年5月完成試驗，9月已經開始安裝。

（↑↑↑圖4沙特吉達王國塔）

4.3 迪拜哈利法塔

哈利法塔的高度為828m，是目前世界上最高的建築幕牆。建築幕牆總面積為13.5萬m²，其中塔樓部分為12萬m²。在塔樓幕牆中，玻璃10.5萬m

²，不鏽鋼板1.5萬m²。採用單元式明框幕牆，共有23566個單元板塊（圖5~圖11）。本工程由中國承建，玻璃、鋁型材、五金件和密封膠均採用中國產品。

採用中空玻璃，16mm空氣層，兩片超白玻。外片鍍銀灰反射膜；內片鍍Low-E膜。兩膜均朝空氣層，可見光透射率20%；綜合熱透射率16%。。單元板塊有21種主要板型，尺寸由1.3mX3.2m到2.25mX8m。

4.4 武漢國際金融中心（武漢綠地）

武漢國際金融中心，即武漢綠地中心，原設計高度636m，125層；後因限高，實際結構高度為495m。平面為圓角三叉形，豎向逐漸內收呈圓滑曲線。立面上開有喇叭形洞口，可以減少主體結構和幕牆所受的風力（圖12）。

採用12mm半鋼化玻璃，中空，Low-E，外夾層玻璃，內單片玻璃。板塊均為不規則四邊形，幾乎沒有完全相同板塊。

每層設三道水平線條，最上面為金屬裝飾條，下面為兩道水平金屬遮陽板（圖13）。

（↑↑↑圖12武漢綠地中心立面）

（↑↑↑圖13武漢綠地中心玻璃幕牆）

4.5 上海中心大廈

上海中心127層，高度632m，外形為螺旋上升的中國龍。玻璃幕牆由內幕牆和外幕牆組成（圖14~圖16）。內幕牆與外幕牆之間形成12~15層高的內庭，按防火要求，內幕牆必須為防火幕牆。內幕牆直接支承在樓面結構上，外幕牆每12層~15層為一組，通過水平鋼管和豎向吊杆懸掛在上端外挑的樓面結構上（圖17、圖18）。

外幕牆採用超白半鋼化SGP夾膠玻璃。12mm超白+1.52mmSGP+12mm超白。由於外幕牆有螺旋上升的造型，為複雜的雙曲面，為此平面板塊單元錯縫鋸齒形安裝，擬合造型曲面（圖19、圖20）。

內幕牆為防火幕牆，採用（8mm超白+0.89mmSGP+8mm超白）+12A+8mm銫鉀防火玻璃。支承結構均採用冷彎薄壁型鋼，梁壁厚3mm，柱壁厚4mm。鋼結構外包鋁型材（圖22~圖24）。

4.6 深圳平安金融中心

深圳平安金融中心高度600m，玻璃幕牆高度590m（圖25、圖26）。明框，單元式。玻璃為超白、Low-E，中空，外片夾膠，內片鋼化（圖27）。

4.7 廣州塔

廣州塔高度600m，玻璃幕牆高度460m（圖28、圖29）。明框玻璃幕牆採用三角形單元板塊，尺寸為1500mmX3500mm。雙夾層半鋼化中空玻璃，（8mm+1.52mmSGP+8mm）+12mmA+（8mm+1.52mmSGP+8mm）（圖30~圖33）。

4.8 廣州東塔（周大福中心）

廣州東塔高度540m，玻璃幕牆，帶豎向陶板裝飾條（圖34）。單元式板塊。玻璃超白、夾層中空（圖33~圖39）。

4.9 天津高銀117

天津高銀117高度為592m，117層。32、63、94和115~116層為高層大堂，頂部設有鑽石型玻璃頂（圖40）。

幕牆總面積14.7萬m²，分為2萬單元板塊。標準層單元4.3mX1.5m，1.4萬單元板塊；屋頂鑽石幕牆板塊約為2mX2m。玻璃配置為外玻璃PVB夾層，超白Low-E半鋼化；12mm中空；內層玻璃鋼化。

大面幕牆：（8mm+1.52PVB+8mm）+12A+8mm

高空大堂：（8mm+1.52PVB+8mm）+12A+12mm/10mm

鑽石幕牆：（10mm+1.52PVB+10mm）+12A+10mm（倒掛）

10mm+12A+（10mm+1.52PVB+10mm）（正放）

典型大樣和節點見圖41。

4.10 天津周大福

天津周大福高度525m,外形像立在發射臺上的火箭。由於幕牆是曲面，用平面玻璃擬合時，只能上下排玻璃錯縫（圖43）。

圖43 天津周大福的玻璃幕牆

5 結語

高度500m以上的超高摩天大樓，外維護結構的選擇就是採用玻璃幕牆。超高玻璃幕牆的基本選擇是：明框，單元式，雙夾膠中空或外夾膠內鋼化中空。夾膠的玻璃可以考慮採用半鋼化。優先採用超白玻璃，鋼化玻璃應採用超白玻璃。高度500m以上超高層摩天大樓的夾膠玻璃，其中間層膠片宜考慮採用離子型膠片SGP。以提高玻璃幕牆的安全性。

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