赵西安:新颖的建筑 时尚的幕墙

提要:在房地产业波动发展的当下,房企对建筑所需的建材部品的采购也变得尤为看重,门窗幕墙作为建筑的最重要的组成部分之一,精细化采购更得到门窗产业链各方重视。8月26日高层建筑门窗幕墙材料“优采”前沿高峰论坛第三站在西安盛大开幕。在会上众多行业内的企业领导、专家、技术学者发表演讲。

  在房地产业波动发展的当下,房企对建筑所需的建材部品的采购也变得尤为看重,门窗幕墙作为建筑的最重要的组成部分之一,精细化采购更得到门窗产业链各方重视。8月26日高层建筑门窗幕墙材料“优采”前沿高峰论坛第三站在西安盛大开幕。在会上众多行业内的企业领导、专家、技术学者发表演讲。中国建筑科学研究院赵西安教授就《新颖的建筑 时尚的幕墙》进行演讲。 


中国建筑科学研究院 赵西安教授


  以下为会议实录:

  赵西安:中国是全世界超高层建筑最多的一个国家,据我不完全的统计,到今年6月份为止,全世界300米、400米、600米以上的超高层建筑一半以上在中国。中国已经成了全球超高层建筑最多的国家,这些超高层建筑大部分采用玻璃幕墙。 

  为什么超高层建筑一定要采用玻璃幕墙?这是不以某一个人的意志,或者某个政府的意志决定的。统计一下近年来我们国内各种幕墙所占的比例,全部工程当中玻璃幕墙占45%,铝板幕墙占26%,石材幕墙和其他幕墙占了29%,而高度超过500米以上的工程100%玻璃幕墙。为什么?就是因为玻璃幕墙重量很小,包括支撑结构在内,玻璃幕墙的重量不超过100公斤,相当于传统墙体材料的1/8—1/5,这是第一点。所以高度500米以上的建筑几乎全部采用玻璃幕墙,因为玻璃幕墙的重量只占建筑物总重量的1%左右,而这一点传统的墙体材料是做不到的。

  目前正在施工的沙特王国大厦1007米,混凝土结构,采用横框竖立玻璃幕墙。上海中心已经完工了,127层,632米,玻璃幕墙总重量是建筑总重量的1%。假如我们用传统的墙体材料,整个建筑要增加20万吨,大家可以想象我的成本要增加多少。因为一旦墙体重量增加,不仅仅是墙体的问题,连柱子、桩都要随之增加,玻璃是一种不可代替的墙体结构材料,它同时具备四大特点,透光、轻质、高强、耐久,其他任何一种材料不同时具备这四大特点。这就决定了玻璃的不可代替性,所以500米以上的超高层建筑没有第二个选择,只有是玻璃幕墙。

  当然可以用金属板、铝板,但是建筑大师不喜欢金属板,所以这个选择就基本没有了,不选择金属板剩下唯一选择就是玻璃,没有第二个选择,所以这是不以人的意志为转移的超高层建筑幕墙采用玻璃的唯一的选择。

  超高层建筑比较高,安全性摆在第一位,所以只能考虑明框或者横明框,没有其他的选择,因为明框是确保安全的。我国内地对隐框幕墙情有独钟,大量采购,所以要特别小心,超高摩天大楼已采用明框玻璃幕墙,以确保它的安全。

  我参与建设了世界最高的明框幕墙,广州西塔452米,板块达到了600公斤,现在回想起来十分后怕,这是相当不安全的。这是全世界最高的隐框幕墙432米,玻璃一层楼一块,最大板块是1.5米×6米,这600公斤的重量拿点胶粘在上面,后怕不后怕?所以下不为例。所以修订规范的时候,建筑大于100米的时候不宜采用隐框玻璃幕墙。

  500米以上的超高层建筑的玻璃幕墙。第一个沙特王国大厦1007米,目前正在施工,它像一个三面叶子的一个草在顶上汇集,是混凝土结构,不是钢结构。因为钢比较软,混凝土钢比较大,这样在风的作用下摇摆没那么大。这是部分的施工状态,做了将近100米,全是混凝土结构。

  江河公司获得了这个幕墙的设计标,设计、加工和安装。目前我们国家已经拿到了设计标,设计标的设计费是4000万人民币,下面的制造标和安装标比较容易拿到,世界前三高全是中国造。中国是世界幕墙产量最高、最多的国家,也是最大、最难幕墙制造的生产国家。

  迪拜哈里法塔2010年完成,整个设计理念是沙漠中的一朵玫瑰花,21个花瓣在不同高度上断开,像正开放的花蕾。幕墙总面积12万平方米,23000个板块。该工程由中国在国内召集了300个中国技术人员和工人,带领1000多个阿拉伯弟兄奋战了4年。所有主要材料由中国生产,玻璃、胶、五金、铝型材全部是中国生产。

  明框竖线条,加胶中空,中国的标准做法,从400米的观光层可以看到40公里以外的伊朗。正在施工的苏州中南中心,高度729米,中南中心在苏州的东方之门的背后,采用明框加上竖向装饰线,单元式幕墙,超白,LOW-E双银,中空、外夹层,基本上是一个顶级配置,中国最典型的做法。

  深圳平安金融中心660米,去年已经封顶,现在幕墙基本完成,总高度为660米,包括天线高度,如果去掉天线高度是600米,明框竖向三角形装饰线条,标准做法,除了顶部锥形部分少量的幕墙以外,其他幕墙已经全部完成。它是明框,竖向线条,加胶中空,8根大柱不锈钢板,目前幕墙大体上完成。

  目前正在施工的是606米的武汉国际金融中心,曲面三角形,它的配置是半钢化、LOW-E、夹层中空,三片12毫米,目前已经做到第16层,局部的样板已经往上挂了,这是18号我们看到的幕墙样板。

  上海中心632米,2013年8月封顶,去年幕墙完成,今年2月份宣布全部完成,成了浦东三个最高的建筑之一。这个建筑整个外造型是一个盘旋上升的中国龙,外面玻璃幕墙是装饰幕墙,真正的幕墙在里头,是一个圆柱形的办公部分,外幕墙仅仅是为了完成龙的造型。外幕墙加胶,建筑功能幕墙是内幕墙,是中空玻璃,起保温隔热隔声隔气的作用。

  外幕墙造型通过一个悬挂系统来实现,里面圆形部分是它的有效部分办公楼,而外面的造型是通过由核心部分挑出来悬挂吊杆,完成盘旋上升龙的造型。中间有效部分是圆形部分,外面是一个造型,这个造型是通过悬挂的吊杆,吊外面的环梁,然后在环梁上安装单元板块,内外幕墙之间就形成一个内厅,内厅每15层左右分割一次,一共是9个分割。

  有效部分是内幕墙以内,它是中空玻璃,外幕墙是一个造型幕墙,由于它造型比较奇特,因此是层层阶梯型的,因此每隔15层,由楼面结构掉下来吊杆,吊杆吊环梁,环梁做单元板块的主要支撑,为什么不能用柱子?因为左右要错开,上下柱子是不对称的,用双曲板的话实在太贵了,也不合适,最后还是用平板来做成双曲墙面,外面只能是层层有台阶,左右不对缝。

  内幕墙是真正功能幕墙,外幕墙是造型幕墙,另外幕墙之间休闲、游乐、商业公共空间。所以外幕墙为了实现一个龙的造型,只能以环梁为主体,左右错开,板块加在上下环梁之上。上下台阶左右错缝,平板形成双曲,为了显示这条龙,特别做了90度的缺口,盘旋上升,突出这条曲线。由于内外幕墙之间形成15层的大空间,因此内幕墙必须有防火要求,因为内幕墙是防火幕墙,它是中空玻璃,外面是防火玻璃,由于它是防火玻璃,因此它的支撑结构必须采用钢结构,不能采用铝结构,因此柱子是钢的。

  今年3月上海中心正式建成,现在上海浦东400米、500米、600米建筑形成了浦东的铁三角,成了浦东的天际线,这是8月5号的照片,一轮元月在铁三角中间,构成了非常漂亮的夜景。

  广州塔600米,2010年建成,是广州亚运会的标志性的建筑,招标的要求是这个工程要体现广州蓝天白云绿水青山的特色,体现丰富的岭南文化。这个要求在全世界招标,引起所有建筑师的注意,但是都被难住了。怎么体现蓝天白云绿水青山的特色,体现丰富的岭南文化?只有第7号方案引起了所有建筑师和广州70万市民的注意,这个方案改变了过去棒棒糖,非常气势雄伟男性阳刚的设计意图,是一个阴柔的概念,一个白衣少女站在河边,清风徐来白云飘飘,全世界没有这样一个塔在河边上以一个白衣少女的形象出现,所以马上得到大家的亲睐。

  广州塔由24根柱子旋转60度,每根柱子都是直线,但是外观是曲线,女性的腰是旋转出来的,从结构上非常简单,直线,但是外形是个曲线,它结构在外,幕墙在内,为了显示女性裙子的半透明状态,所以不能全封玻璃幕墙,只有其中5段封了,看起来是朦胧感半透明女性的形象。最大的难点是,由于结构在外,幕墙在内,所有的楼面梁都要翻过幕墙,因此在不透光部分用蜂窝铝板,梁穿过蜂窝铝板达到内外连接,幕墙是透光部分,所以白色的梁是通过幕墙连到外面的结构上。

  目前正施工的600米量级的还有天津的高银117。14万平米的玻璃幕墙,标准做法,这个月结构已经封顶了,幕墙正在往上延伸。

  广州东塔530米,因为甲方要求它的竖线条要由两部分所组成,一部分是铝,另一部分是陶板,把陶板非常脆的材料弄到500米的高空,为此我们开了多次的会议。因为陶板这个材料是脆性的,一旦一碎就掉下来了。为了安全做了第二道防线,在陶板的空腔里面安装了一根不锈钢的保险板,万一陶板破碎,不锈钢的保险板可以顶住,不会掉下来,这是没有办法的办法,但建议不要这么做。一条铝板,一条陶板,陶板是红色的陶板,外面做了白釉,8月20号幕墙基本到顶。

  目前世界上抗震8度最高的建筑是北京的中国尊529米,所谓尊就是中国皇帝祭天的礼器,上大下大中间掐腰,采用超白玻璃,双银或三银,钢化玻璃,SGP夹层中空,现在将近做到60米了。这几个正在施工的幕墙目前没有定标,大家还有机会。

  目前幕墙有几个很有争论的问题。第一个问题关于高度100比以上超高石材幕墙的问题,这个问题处在规范使用范围。这个规范编制于1996年,当时超过100米的工程很少,全国只有一栋,考虑到国内大多数没有超过100米的问题,所以当时规定了规范的使用范围是在100米以下的石材幕墙,现在很多甲方和监理拿这个事情考大家。

  事实上早在80年前,国外的石材幕墙已达300米。早在90年代深圳时代广场已经到了175米,后来做了广州环市大厦200米。所以我们的意见是,这本规范是指它的适用范围不等同于石材幕墙的适用范围。第二,国外早在80年前就搞了300米。第三,国内97年就做175米,以后大量建100米以上的工程,所以高度超过100米的花岗岩幕墙在国内广泛使用,已经积累了丰富的经验,技术上已经很成熟了。

  第二个问题是落地玻璃要不要设栏杆的问题。民用建筑设计通则规定,窗台高度低于0.8米时,应采取防护措施。这里指的是“窗台”,是窗,而我们的幕墙玻璃是非常厚的,6毫米8毫米12毫米,既钢化还中空。由于民用建筑设计通则没说幕墙的落地玻璃,不能简单把窗台跟落地玻璃相提并论,这是两个问题。把窗的规定拿来搞幕墙,不是这回事,所以不能套用民用建筑设计通则的规定,那是窗台,没说幕墙落地玻璃。

  多少酒店的窗台是在地面上的,而且人家说的是防护措施,不是落地栏杆,防护措施不等同于落地栏杆,所以现在大量的房地产做了栏杆验收完了全拆了,造成资源的大量浪费,变成一堆废铁,就为了应付这个检查。反过来说,假如你硬要执行这一条的话,那么玻璃栏板就不成立,玻璃栏板就是落地玻璃,而且比我的幕墙更不安全,我幕墙玻璃是四边支撑。

  事实上不设栏杆的落地玻璃已经使用很多年。纽约世界贸易中心550米无栏杆,迪拜哈利法塔不设栏杆。CCTV没有栏杆,北京国际展览中心没有栏杆,深圳机场没栏杆。所以不设防护措施的可能性是存在的,问题是什么情况下可以不设?

  根据我的经验,幕墙落地玻璃不设防护的条件符合下列条件之一的可以不设。第一,采用夹层玻璃,夹层玻璃是打不碎的;第二采用10毫米以上的钢化玻璃;第三采用8毫米以上的钢化中空玻璃;第四落地玻璃有落地梁或踢脚板;第五全玻璃幕墙、索网幕墙大玻璃;第六首层幕墙;第七双层通风幕墙。我们讲的防撞措施,不一定是落地栏杆,摆满鲜花,设置一些盆景,这也是防护措施。最省事的办法,把幕墙的衡量位置调到0.8米—1.2米。所以第二个问题,其实这个问题不是幕墙的问题,是建筑师的事。

  关于幕墙钢结构分段的问题,幕墙用铝结构很习惯层层分段,钢结构要不要分段,这个问题也是吵的很凶。因为20年前编制幕墙规范的时候,行业的共识是幕墙不采用钢结构。为什么?最早搞门窗幕墙的都是飞机公司,行业共识是幕墙不采用钢结构。这三本规范是针对铝合金结构编制的,没有解决幕墙钢结构设计问题。幕墙钢结构应该遵照钢结构规范,钢结构设计的基本依据是国家标准钢结构设计规范GB50017。金属型材要不要分段,铝合金与主体结构混凝土和钢,温度变形相差太大,应当分段。对付温度影响不一定要断开,断开是一种方法,不是唯一的方法。

  解决温度变化的问题有两种办法,第一种断开,要两端自由伸缩;第二种钢结构完全可以承受温度的变化。我们的航母300米长,不可能3米一段吧,我们的核潜艇长度150米,潜到600米深,这也不可能分段,所以有些分段,有些可以不分段。比如说K字头老式火车,铁轨分段,标准轨长13.2米,列车时速不超过100km/时。D字头洞彻速度200km/时,铁轨长度500—1000米。所以高铁的百里长轨不允许温度变形,用高强力弹簧将铁轨固定的轨板上,铁轨的温度拉、压力最大可达800kN。高铁的铁轨规定在轨板上。钢是小变形高强度,铝是大变形低强度,铝必须段开,钢可以不段。铝的温度变形大,强度低,要通过分段来减少温度应力,钢变形小强度高,自身可以承受,不一定分段。钢结构有能力承受温度应力,实际钢结构工程大量是不分段的。

  广州机场主体钢结构和幕墙钢结构焊在一起,国家大剧院全部焊在一块,深圳湾体育中心500多米,所有的幕墙结构焊成一体。上海中心外幕墙的梁是300米长,一圈要不要分段,因此决定不分段,所以目前钢结构是否分段,如何分段,由设计者自己定。

  最后谈一下焊接的问题,这里面有一条,衡量和立柱要用螺栓连接。因为当时是铝结构,实际上我们土建铝结构是焊接的,不能打窟窿,因为我们有些建筑的整个建筑不能有一根铁钉、一根钢筋,全部是铝的,它的磁场不能受任何干扰,不能有任何铁的东西。焊接是钢结构最可靠的连接手段,重载、高温、高压、辐射、振动、后壁、复杂节点奇形怪状焊接,它是最可靠、最放心的连接手段。

  400米长的巨型货轮,300米长的辽宁号,下潜600米的核潜艇,核电站的反应堆外壳是,600米高的广州塔,钢天然,国家大剧院,鸟巢,深圳湾体育中心540米,广州塔600米以上这些全部是焊接的。如果采用螺栓连接那就不是少女塔了,就变刺猬了。其实目前钢结构已经焊了20年了,这是上个世纪的产物,我自己的工程就是焊。

  1996年做的广州公安指挥中心,全部钢骨架焊接,实践表明任何钢结构焊接没有任何问题。包括汶川大地震的考验,所有目前焊接钢结构没有任何问题。现在大量工程是焊接的,住宅大量使用焊接,南京、常州、鄂尔多斯,天津地铁大厦170米钢骨架,,北京中建大厦170米,全部焊接;太原机场、南京机场,上海机场,银川机场都是焊接的。所以可以采用螺栓连接,也可以焊接,也可以混合使用,没问题。

  硅酮密封胶的应用。第一部分硅酮结构密封胶,要确保结构胶使用安全,一定要保证胶的质量,用好的牌子、用好的胶,千万不要用地摊货。第二,一定要正确用胶,建筑密封胶和聚硫胶不能代替硅酮结构。特别是中空玻璃的密封胶要特别注意,明框幕墙因为有金属受力。建筑密封胶不能当结构胶用。除了全玻幕墙以外,结构密封胶不能当建筑密封胶用,全玻幕墙的胶缝要受力,只能用结构胶,安全摆在第一位,所以应该采用结构胶。

  为了保证隐框玻璃的安全,底部一定要加托,托住玻璃,但是这个托不减轻结构胶本身的计算,也不能说因为加了这个托了,这个玻璃在自重下的计算就不算了,只有很明确按照明框幕墙进行设计,采用通常悬臂才可以不考虑这个胶的承受之重。

  采取措施确保隐框玻璃的安全,超高层玻璃大部分采用明康幕墙,新的规范明确100米以上尽量不用明框。建筑密封胶一定要保证胶的质量,避免出现收缩、断裂、硬化的现象,买好胶用好胶,确保质量。尽量采用注胶板缝,找一个工人把石材幕墙打烂,打碎了有胶缝,所以石材不掉下来。

  胶缝要有足够的宽度,有些建筑师和业主要求胶缝宽度5毫米以下,甚至要求石材面板的缝宽为2毫米,这是不合理、不现实的。因为石材面板加工有误差,施工有误差,所以至少石材幕墙的胶缝宽度要在10毫米以上。不要采用便宜的劣质的密封胶,否则后果不可想象,一定要采用好胶,掺油会降低胶的密封性能。

  更重要的是石材问题,石材特别容易渗油,所以一定要经过专门的试验以后在于决定选用哪一个胶,否则一污染是没办法处理的。所以只要我们采用优质的密封胶,加强施工管理,确保胶缝的质量,我们的建筑幕墙是可以做到长治久安的,谢谢大家!

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