超高摩天大楼的玻璃幕墙

1、 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

2、0.07 3.1 7.4 % 19.5 17.8 0.1 4.5 10.7200m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

3、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

4、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

5、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 XO* 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

6、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 23 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6mm10mm。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

7、0.3 KN/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

8、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

9、；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

10、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

11、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

12、，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，S

13、GP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4 SGP夹层玻璃即使破碎，也还有足够的剩余承载力 5.3 SGP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

14、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+1.52 SGP+12mm超白（图5）。 广州塔是我国已经建成最高的建筑，高度为 600 m，全部56000m2玻璃幕墙均采用SGP双夹层中空玻璃，配置为（8mm+1.52 SGP+8mm）+12A+（8mm+1.52 SGP+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

15、 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+1.52 SGP+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

16、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，16 mm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1.3mX3.2 m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13 124层观光层幕墙 图14 单元板块吊

17、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1215 层高的内庭，按防火要求，内幕墙

18、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

19、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1500mm X 3500mm。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）。