超高层建筑幕墙疑难解惑
文章来源：中国幕墙网
只针对超高层建筑幕墙在设计、材料、生产、组装、工艺、测试、运输、安装、使用、维护等环节中出现的疑难问题进行分析与解惑，不对建筑物的其它相关常识问题进行阐述。一、概述：
未来建筑正朝着个性化、集成化和智能化的方向发展，建筑形态也越来越艺术化、多元化，造型日趋复杂，也不断创造新的高度。如下工程均为近年来完成的超高层建筑典范。
根据《民用建筑设计通则》GB50352—2005规定：建筑高度超过100m时，不论住宅及公共建筑均为超高层建筑。而按照国际惯例，超过150m的建筑为超高层建筑，顾本文重点讨论150m以上的超高层建筑。
超高层建筑的显著特点是高度超高、特超高。高度本身就是一种标志、一种形象、一种特殊的意义。超高层建筑除了太阳的光照和辐射没有变化之外，所有的建筑环境参数都有变化，因而必须针对外围护“高”带来的优势和劣势以及建筑自身参数的相关变化来进行设计。在安全、防灾、质量方面要针对性地考虑。
超高层建筑主要结构形式：超高层建筑多设计为框架核心筒结构，内筒为钢筋混凝土核心筒结构+外筒巨柱，巨柱与核心筒之间钢梁连接或者钢筋混凝土梁连接，楼板为组合楼板或者普通的钢筋混凝土楼板。
超高层建筑一般选用幕墙装饰，富于变化，工程量大，技术含量高、精度要求高。超高层建筑的幕墙工程的安全性功能尤其重要，抗风压，风、水、气的密闭性等使用功能要求高。请详见以下内容。
二、超高层建筑幕墙设计中的疑难问题解惑
目前超高层建筑幕墙工程，基本上都属于地标建筑及高端幕墙，在要求方面会非常的严格，甚至苛刻，所以在设计的初始阶段，需要全面掌握及了解目标工程的主要指标，对设计中会出现的疑难问题进行分析，尤其是幕墙的使用功能要求，应编制《某超高层幕墙工程技术条件》作为设计依据，提高效率，避免漏项。本文将围绕设计依据对实现各功能要求的难点与解惑分析如下。
1.1 超高层建筑主体结构变形与幕墙自身变形
从施工开始到建筑物使用寿命期结束,建筑结构的变形始终影响着建筑的效果和使用功能。幕墙作为建筑的外皮，受主体结构的变化影响大，从而波及建筑幕墙的实用功能甚至是安全性。超高层建筑的结构变形主要有下几部分构成：框架核心筒的剪切和弯曲变形以及混凝土收缩变形等形式。主要有以下几部分构成：
如左图所示，变形均随着建筑高度的增高而变形增加。因为高度的增加同时建筑的自重也随之增加，刚度下降，从而增加了侧向的变形。
除此之外，建筑结构本身构造如钢结构的温度变形、混凝土的收缩变形、框架结构的剪切变形和弯曲变形等均会对整个建筑产生不利的影响。这些变形均会对外幕墙的构造、功能产生不利影响。除了受建筑主体结构变化的影响外，幕墙本身的各种材料受热变形系数不同和幕墙构件的加工误差也会造成幕墙功能下降以致影响安全。
1.2 超高层建筑幕墙抵消结构变形和吸收为变形采取的措施
1.2.1 做好设计前的准备工作
在幕墙设计工作开始前，幕墙设计者需要与建筑结构设计师沟通，整理好建筑结构相关信息及设计参数。如因混凝土收缩和蠕变造成柱子缩短值，经实践表明一般0.5-2mm毫米。
1.2.2 选择合理的幕墙结构
根据结构师提供的参数，选择合理的幕墙系统进行深化设计可有效地吸收结构变形和误差。超高层建筑多选用单元式幕墙，将整个建筑外皮划分成若干个小板块，横向分格以建筑效果为参考，竖向风格以层间高为单位，这样每个单元板块的上、下、左、右均可设计构造有足够的间隙，来吸收变形和误差。以上海中心工程为例，经过各种方案的对比后，将分体挂式单元优化成整体单元。
1.2.2 幕墙自身系统构造吸收变形
幕墙设计过程中，通过单元幕墙公母框的插接设计，能够很好的吸收建筑平面内和平面外变形。
单元板块间的插接变位量的确定应考虑建筑主体结构的变位量、环境温度变化引起的温差变形、自重变形、地震影响及生产加工、组装误差、安装的精度偏差等多方面因素的影响。幕墙设计时确定的板块间插接预留尺寸应大于单元板块间的插接变位量至少1mm，并取整数。
横框插接量限制尺寸设计 H1～H5尺寸均应大于或等于H。其中，H1、H2、H4为预留的单元变位空间，避免上下两单元因变位而相互挤压变形破坏;H3、H5为单元插接量，保证单元在产生变位时不会相互脱离，破坏插接。位而相互挤压变形破坏;H3、H5为单元插接量，保证单元在产生变位时不会相互脱离，破坏插接。
竖框插接量包括上述各种变形因素，但由于单元板块的横向变位较竖向轻微，一般取H≥10mm。H1～H4尺寸均应大于或等于H。其中，H2、H4为预留的单元变位空间，避免左右两单元因变位而相互挤压变形破坏;H1、H3为单元插接量，保证单元在产生变位时不会相互脱离，破坏插接。
单元体幕墙在安装过程中，单元一侧挂件与转接件固定，另一侧的竖框底部用插芯或者连接件做侧向约束，这样，发生形变的时候单元体通过框材变成平行四边形来吸收变形。如上图所示。
另外，因楼体在风荷载和地震荷载作用下产生摆动，每个区最下端幕墙开口部位将产生+80/-180mm的位移，幕墙通过滑移滚轴的机械装置来吸收 。
1.2.3 参数化设计
应用BIM技术，通过数字信息仿真模拟建筑物所具有的真实信息，再将建筑的真实信息传递到构件的生产加工当中。使整个设计、加工、安装的过程变成一个不断发现问题解决问题的优化过程，这样碰撞检查所反映出来的误差问题可提前得到解决，避免了幕墙加工完成后因误差致使无法安装或者无法满足使用功能要求的现象发生。
1.3 构造缝的设计要求
建筑结构的施工缝分为沉降变形缝和地震缝两种，他们的区别是前者基础可以不分开，而地震缝必须贯穿整个建筑，基础与主体的地震缝必须是一体的。对于超高层建筑由于变形大，施工缝的要求更加严格。无论是哪一种施工缝，幕墙均可以通过构造节点满足与主体同步的要求。
2、抗风荷载设计
2.1超高层建筑的风荷载及其危害
风荷载也称风的动压力，是空气流动对工程结构所产生的压力。风荷载与基本风压、地形、地面粗糙度、距离地面高度，及建筑体型等诸因素有关，如右图所示。
作为维护结构的外皮在抗风跟抗震上的不同主要体现在收到风荷载作用后，结构还能够弹性恢复。既在风荷载作用下不发生永久变形，而在地震作用下，整个建筑物可能会发生局部及整体破坏。
超高层建筑所处的风环境相对复杂，风压分布不均匀且风速过大。风速、风压会随着建筑高度的增加。如城市市区C类地面粗糙度，高度为400、450米的风压高度变化系数Mz=3.12,100米时为1.70，150米时为2.03，200米时为2.30，300米时为2.75等。这点对于以风荷载作为控制荷载的幕墙是极重要的。当建筑造型布局不当时，在建筑物外部往往造成局部不良的风环境：掀起屋顶覆盖物、破坏围护结构、幕墙玻璃、门窗等。超高层建筑采用玻璃幕墙作为围护结构，在风荷载作用下外皮破坏或掉落对周围街道及行人会造成重大伤害，容易出现安全隐患的部位主要集中在悬挑外装饰构件及外部遮阳结构。例如：遭到龙卷风袭击的美国田纳西某摩天大楼，玻璃幕墙严重破坏。
建筑幕墙结构按受力系统可以分解为：面材，横竖龙骨系统，幕墙转接系统，连接主体结构预埋系统。风荷载传力路径：风荷载作用直接作用在起围护作用的建筑幕墙上，通过横竖向龙骨及转接系统将荷载传递给主体结构，由主体结构抵抗风荷载效应。然而幕墙系统与主体结构间有一定的变位空间，幕墙系统的面板与龙骨在荷载作用下发生独立变形。
2.2风洞试验的解读
国家的行业标准JGJ102—2003，玻璃幕墙工程技术规范5.3规定，200米以上的玻璃幕墙应该进行风洞实验，来确定风荷载，对于超高层建筑幕墙抗风荷载设计主要及唯一依据还是《**工程风洞实验报告》。一般的风洞实验模型选择的比例：1:100;1:150;1:200。
以上海中心为例，由于上海中心大厦高达632米，属于超高层建筑，甚至高度超出大多数普通超高层建筑，对于高度这么高的建筑物来说，完全找不到可供参考的资料。其气流分布规律对设计者来说是个难题，设计中采取了风洞实验作为风荷载设计依据。风洞试验可以有效对高空气流的分布特点进行模拟，得出指导性的设计风荷载。风洞试验简图如右图所示。
通过风洞试验，最终确定了 结构造型，以旋转、不对称造型使风荷载降低了24%,有效提高了结构安全性。
2.3 如何合并风压分区
一般情况下，大部分的幕墙设计师及结构计算师对每个风压区都进行单独的设计和计算，如果一个简单普通建筑(200米以下)的风压分区只有2~3个的情况下，或许可以，但对于200米、400米、甚至600米以上的超高层建筑幕墙来说，通常《**工程风洞实验报告》会有几百页，同一类型的幕墙至少要有十几个甚至几十个风压分区的时候，那么就会给设计师们带来极大的困惑和麻烦，那么就需要根据实际情况进行合并风压分区到3个左右。在合并过程中要充分考虑工程组织、设计难度、生产管理、加工效率、组装效率、运输难易、安装难度等等环节综合分析成本的情况下，主要使用以下两种模式进行分区合并：
模式一，同一类型的幕墙取风压最高值作为计算依据
模式二，同一类型的幕墙取风压区面积最大的风压值作为计算依据，其他高风压区(如角部位置)通过改变分割或加辅助结构(如玻璃肋等)等手段来解决，前提是不能对建筑的整体效果产生明显影响。例如很多工程在设计阶段，将工程按照风压值大小分区，两个区域的型材外观保持不变，风压大的区域将型材局部壁厚加厚来抵抗荷载,或者用钢插芯对风压大的区域型材局部加厚。如下图所示。
2.4风荷载与地震同时作用
目前，超高层建筑幕墙一般均选用单元式结构，大部分的幕墙设计师认为，就是单元体上下左右相互插接的，好像一块单元板块不会出来，所以在幕墙设计中，转接系统只做了板块左右限位的设计。
但是，在风荷载和地震同时作用时，超高层建筑的变形会极大，风阻仪(或阻尼器)失效，尤其是上端主体结构，这时由于在设计幕墙是没有上下限位，幕墙板块是很容易脱落的，和幕墙窗发展前期，幕墙窗在受到一定程度的风荷载作用下脱落的情况一样，所以目前幕墙窗都带有防脱设计，即上下限位。
同样，对幕墙设计师来说，在超高层建筑幕墙设计时，应考虑单元板块的上下限位设计。
2.5 断热型材的抗风荷载设计
常见的铝型材断热形式包括穿条式断热铝型材，隔热垫条式以及注胶式断热。
首先，断热型材在抗风荷载设计中，断热条并不是其中的最弱点，而是断热条的槽口，近年来，在挤压断热条时，T5型材断热条的槽口很多都出现了裂痕，原因无非两种，其一，型材厂家使用T6来代替T5;其二，T5型材本身就有质量问题。即使各个环节的质量保证非常好，断热条槽口的强度也只能通过实验来检验。
其次，断热条的形式与长度完全取决于建筑物的节能要求和幕墙结构要求。且幕墙设计师在做断热结构设计时，应尽量将断热条的中心与中空玻璃的厚度中心保持在同一水平线上，以节省材料。
最后，在超高层的建筑中，超大的风荷载对断热型材的要求会更加严格，因断热条槽口的强度不过关，会给工程带来很大的安全隐患。所以，在超高层建筑幕墙中宜选用新型的断热铝合金型材，如使用隔热垫条式断热铝型材或者注胶式铝型材等。隔热垫条具有承载力高、安全可靠、寿命长、便于更换等特点。下面重点说说注胶式断热铝型材的特点。
注胶式断热铝型材，其基本原理是将铝合金型材之间利用一种特殊配方的高分子绝缘聚合物一一断热胶进行结合。从而，铝合金型材的内外部分之间形成有效断热层，使通过门窗框或扇型材散失热量的途径被阻断，达到高能效的断热目的。该工艺目前主要的加工设备供应商为美国AZON公司。具体加工如下：
a，首先该工艺要有一个特殊设计的外表经过阳极氧化或喷涂的铝型材：
b，将型材送入双组分计量混配器中，该机器将两种特殊组分的液态断热胶精确地混配并浇注到断热槽中：
c，该双组分在数分钟内反应并形成十分坚固的聚合物;
d，型材进入切桥机，将浇注后的铝型材槽底连接部分切除，使整个型材被固态的热胶分成内外两部分，形成坚固的断热冷桥。
3、防火与排烟系统设计
3.1 防火设计的必要性
作为现代建筑，尤其是高层建筑的外衣，幕墙越来越受到建筑师的青睐。我国建筑幕墙从20世纪70年代起步，现今已成为世界上最大的幕墙产品生产国也可以说是最大的消费国。未来中国将会成为高层建筑之乡，而高层建筑的防火问题无疑会成为安全问题的中心。
建筑幕墙因其他方法不可替代的外墙装饰效果，广泛应用于大型的公共建筑、高层建筑等外墙，它给城市带来了整洁美丽的同时，也留下了火灾的隐患。隐患一：一般建筑幕墙其材料组成为：玻璃、面材、复合铝板、钢架等，这些材料均不耐火、抗火性差，尤其是玻璃当温度达到250℃时即会炸裂，这时不仅会导致火灾的进一步蔓延，而且可能会伤及旁人甚至消防队员。隐患二：幕墙本身的结构原因，有可能成为引火通道，有可能成为烟囱，从而酿成更大的火灾。
3.2 建筑幕墙火灾蔓延方式分析
幕墙一般幕墙玻璃均不耐火，在250℃即会炸裂，而且垂直幕墙与水平楼板之间往往存在缝隙，如果未经处理或处理不合理，火灾初起时，浓烟即已通过该缝隙向上层扩散，如图一所示，窜烟;火焰也可通过这一层缝隙向上窜到上一层楼层，如图二所示，窜火;当幕墙玻璃开裂掉落后，火焰可从幕墙外侧窜至上层墙面烧裂上层玻璃幕墙后，窜入上层室内，如图三所示，卷火。
A、火势蔓延方式一
当建筑物室内起火，燃烧产生火焰、热、气和烟雾。起初阶段热气流上升，形成温差和压差，使周围的空气源源不断地补充进来，燃烧温度不断提高，引燃附近可燃性物质，火势不断地扩大。这样的空气循环过程会不会由于室内氧气的耗尽而终止呢?理论上是这样，但现实中这样的情况很少发生。燃烧室内部各处的压差是不同的，且是动态变化的。室外和下面楼层的空气通过幕墙中的间隙和楼板缝隙(如管道、楼梯间等)吸进室内。气密性好的幕墙可以延缓这个阶段火势的扩大。
随着室内温度的不断提高，室内外的压差也在不断增加。普通玻璃(非防火玻璃)在火焰的不断冲击下，往往会在15分钟内破碎。大量的热量和烟雾瞬间冲出室外，导致火势向上蔓延。
破碎窗口室内侧的温度下降几百度。同时大量的空气进入室内参与燃烧，通过缺口常常将燃烧引到室外，形成对玻璃幕墙的内外夹攻。层间非可视玻璃及上层可视玻璃直接暴露在火焰中，增加了火势向上蔓延的可能性。如果由于窗间墙处防火材料或构造上的缺陷造成防火系统提早失效，就有可能形成所谓的焰卷效应。根据美国对高层幕墙建筑火灾的研究统计资料，约有百分之十的火势是通过室外侧向上蔓延的。
B、火势蔓延方式二
混凝土楼板一般用于分隔防火分区， 它应该具有一定的防火级别。根据《高层民用建筑设计防火规范 》GB 50045中规定，耐火等级为一级的建筑物楼板耐火时间为1.5个小时，耐火等级为二级的建筑物楼板耐火时间为1.0个小时。
在混凝土楼板外侧与幕墙内侧之间存在一个空隙。空隙的大小既与建筑设计和幕墙铝合金系统的大小有关，也与混凝土结构尺寸误差、幕墙构造及制作安装误差等因素有关。大部分建筑物其实际范围在几十毫米到200毫米之间。这个空隙也用来补偿由于温度、载荷、地震等引起的建筑物变形。
这个空隙应该视为混凝土楼板的延伸，防火设计中它应该可靠地填满防火棉，设计合理的周边水平防火带必须能够经受住防火规范GB 50045所要求的耐火时间。
在实际失火状态下，这个空隙有可能进一步被扩大。主要是由于铝合金构件和镀锌铁板背板的变形，五金连接件、承重支撑构件的松动。如果防火棉、防烟层不能有效地补偿这个变位。火焰和高温气流就会通过这些间隙、裂缝直接进入上层楼面。如图11.2.7所示。
C、火势蔓延方式三
该种方式是通过热量传递方式进行的。热量传递的方式有传导、对流和辐射。幕墙系统的铝合金立柱是非常好的传热载体，而且立柱往往是跨越二个不同防火分区，火源层的热量能通过立柱向上层传递。幕墙的这种构造形式决定了它很难被界定为具有等级概念的“防火幕墙”。在短时间内上层楼面铝合金表面的温度会高于纸张的自燃点。对流是由于空气流动传递热量。开启窗或玻璃破碎虽然对排烟有好处，但增加了空气的流动，也增加了氧气的供给。辐射是温度较高的物体以能量波的方式向温度较低的物体传热的一种方式。
在火源层，当温度升高达到了某个临界点，“轰燃现象”使得在短时间内火势由局部扩散到整个空间。火源层的热量通过楼板、金属幕墙及周边水平防火带向上层传递。如果上一层楼面的温度升高达到了某个临界点，也可能会发生轰燃现象，火势就以这样的方式向上发展。
3.3 超高层建筑幕墙防火设计
3.3.1 建筑幕墙防火材料的选择
●建筑高度小于24m时，保温材料的燃烧性能应为A级或B1级。其中,当采用B1级保温材料时，每层应设置水平防火隔离带。
●保温材料应采用不燃材料作防护层，防护层应将保温材料完全覆盖，防护层厚度不应小于3mm。
●采用金属、石材等非透明幕墙结构的建筑，应设置基层墙体，其耐火极限应符合现行防火规范关于外墙耐火极限的有关规定;玻璃幕墙的窗间墙、窗槛墙、裙墙的耐火极限和防火构造应符合现行防火规范关于建筑幕墙的有关规定。
●基层墙体内部空腔及建筑幕墙与基层墙体、窗间墙、窗槛墙及裙墙之间的空间，应在每层楼板处采用防火封堵材料封堵。
●铝塑板的火灾要引起注意。
聚乙烯芯材的铝塑板近年来多次发生火灾，因为聚乙烯80度失去黏着力，随即燃烧、冒烟、熔滴，更高温度下裂解为可燃气体。2006年乌鲁木齐某工程铝塑板幕墙大火;2008年上海一座20层大楼发生火灾，30分钟内铝塑板一楼烧到20楼;2011年2月3日凌晨，沈阳某五星级酒店发生大火，大火从3层裙楼燃烧到20层以上，如图所示，不能不令人担心铝塑板幕墙的火灾安全性。作为铝板幕墙的面板，应优先采用单层铝板和蜂窝铝板。
3.3.2 超高层建筑玻璃幕墙的防火
首先，普通的玻璃幕墙是不防火的，我国只对幕墙层间的防火有些规定，而对普通的幕墙没有具体的规定，那么如何实现普通玻璃幕墙的防火呢，保障普通幕墙在一定时限内的完整性有以下三种模式。
其一，普通幕墙+防火喷淋(由其他单位完成)
具体由防火设计、防火措施、试验方法及实验报告四部分组成,主要针对喷淋的选用、相邻喷淋的距离及房间分布、喷淋的安装角度、每秒的出水量等参数进行设定。
其二，普通幕墙+防火单向水幕(由其他单位完成)
具体由防火设计、防火措施、试验方法及实验报告四部分组成, 主要针对单向水幕的选用、单向水幕出水口的距离及房间分布、单向水幕的安装角度、每秒的出水量等参数进行设定。
其三，普通幕墙+防火卷帘或带有防火功能的感应式遮阳窗帘(由其他单位完成)，卷帘或带有防火功能的感应式遮阳窗帘的耐火极限既是普通幕墙的耐火时限。
以上三种模式均与建筑主体的消防系统联动。其次，对建筑的特殊部位(与幕墙相关联)有特殊要求时，如除完整性外，还要求限制热传导、热辐射时，只能选用防火幕墙，即铯钾玻璃+不锈钢框+防火涂料。
3.3.3 超高层建筑玻璃幕墙防火分区的封堵
超高层建筑玻璃幕墙(同样也适用其他形式的幕墙)层间的封堵是建筑主体楼板的延续，可以理解为楼板的防火、保温、隔声等要求，同样也是对幕墙层间封堵的要求。其中，设计的主要难点集中在材料选择、结构的可伸缩式模式等，而侧封修的防火设计比较简单，不做阐述。
●按本规定需要设置防火隔离带时，应沿楼板位置设置宽度不小于300mm的A级保温材料。防火隔离带与墙面应进行全面积粘贴。
●建筑外墙的装饰层，除采用涂料外，应采用不燃材料。当建筑外墙采用可燃保温材料时，不宜采用着火后易脱落的瓷砖等材料。
幕墙层间的封堵材料应是不燃材料(防火等级A)
目前，从下到上，我国的规范是1.5mm镀锌钢板+防火岩棉(厚度根据层间防火要求)+800mm裙墙，其结构形式如下图所示。
在欧美等发达国家，在幕墙单元板块和封堵防火材料上，已经放弃使用镀锌钢板，其原因主要是成本很高、对大板块来说平整度不好、防火性能不好、加工和组装等工艺复杂、现场切割困难等因素。
新型的层间封堵主要有以下几种模式：
模式一，普通幕墙：10mm厚的防火板(如硅酸钙板、不含石棉的水泥纤维板等)+8mm厚的防火板(如硅酸钙板、不含石棉的水泥纤维板等)+防火岩棉+防火安装附件。
模式二，对隔声要求高的幕墙：10mm厚的防火板(如硅酸钙板、不含石棉的水泥纤维板等)+8mm厚的防火板(如硅酸钙板、不含石棉的水泥纤维板等)+防火岩棉+6mm防火板+玻璃吸音棉+防火安装附件。
模式三，对隔声及保温要求高的幕墙：10mm厚的防火板(如硅酸钙板、不含石棉的水泥纤维板等)+8mm厚的防火板(如硅酸钙板、不含石棉的水泥纤维板等)+防火岩棉+6mm防火板+玻璃吸音棉+6mm防火板+保温岩棉+10mm厚的防火板+防火安装附件。
3.3.4 结构位移对层间封堵的影响
大部分幕墙设计师都忽视了一个层间封堵构造形式问题，实际上大部分工程也没有发生问题，毕竟火灾的概率比较低，但相对于超高层建筑幕墙来说，极大的结构变形给层间封堵埋下了极大的隐患，可导致层间封堵的防火性能失效，一旦发生火灾，后果不堪设想，那么如何解决呢。
解决方案流程：
第一步，幕墙设计师在设计层间封堵时，需综合考虑超高层建筑特点，所有的层间封堵根据工程要求选用合理的防火模式(见上)
第二步，所有的封堵材料必须与建筑结构主体固定,现有的工程绝大部分都没有做到这一点，主要是安装顺序导致。
第三步，使用新的安装模式来替代传统模式。如先安装层间封堵后再安装幕墙板块。
第四步，由幕墙设计师完成层间封堵的《安装工艺卡》
第五步，根据工程结构变形及其他非结构变形，合理设计层间封堵与单元板块之间缝隙设计
第六步，缝隙使用防火胶进行密封，且满足结构变形。
3.3.5 超高层建筑幕墙的排烟设计
对整体的建筑主体来说，排烟的设计极为重要，却也是个世界难题，至今也没有世界上公认的非常有效的方案，主要是室内外的“风”影响
但对幕墙设计师来说，只需做到在幕墙与结构主体之间(主指构造柱与墙体部位)不能形成排烟通道，要加设排烟隔断(10mm厚的防火板)，杜绝烟囱效应即可，主要的措施有两点：
措施1，有自然排风设施，如窗等，两层加设一道排烟隔断。
措施2，没有自然排风设施，如窗等，一层加设一道排烟隔断并加设机械排烟设备。
4、防水系统设计
超高层建筑幕墙形式均应采用单元式幕墙的结构形式，而单元式幕墙的主要缺陷还是集中在防水系统上，幕墙设计师在正常建筑的防水系统设计外，超高层建筑的特殊性，导致更高的防水要求，特别在十字区域。使防水系统的设计在超高层建筑中变成了关键性难点。
根据超高层建筑自身的结构变形、温差变形、加工组装误差、安装偏差及单元结构和防水材料的选用等等因素，综合考虑并选择防水系统的模式
4.1 单元幕墙防水构造分析
单元幕墙的三道密封线
其一，尘密线。
为阻挡灰尘设计的一道密封线，一般由相邻单元的胶条相互搭接实现， 起到阻挡灰尘和披水的作用。
其二，水密线。
它是单元幕墙的重要防线，通过幕墙表面的少量漏水可以越过这条线，进入单元幕墙的等压腔，通过合理的结构设计，进入等压腔水将被有组织的排出，没有继续进入室内的能力，达到阻水的目的，有时为了提高幕墙的水密性能，也可能同时设置多道水密线。
其三，气密线。
它也是单元幕墙的重要防线，由于水密线和气密线之间的等压腔和室外基本上是相通(有时在连通孔上放置防止灰尘的海棉)的，因此水密线不能阻止空气的渗透，阻止空气的渗透任务由最后一道防线 — 气密线来完成。
4.2单元幕墙防水原理分析
单元幕墙漏水具备三个要素：①存在通道;②水;③动力。设置“等压”状态下的“雨幕”是主动防水的关键，也是提高防水可靠性和寿命的基本策略。通常被忽略的事实是：“室内侧密封不严密或漏气”从而等压难于实现。
在幕墙表面，为了运用雨幕原理进行防水，设计上使等压腔的压力Pc等于或接近室外压力Po，即水密线两侧的风压基本相等，消除或减轻了风压的作用，使水不通过或很少通过尘密线和水密线进入等压腔。
右图为防水设计的“等压”“雨幕”原理图。
图2为单元幕墙防水的实现方式。图中，型材腔壁上的孔洞主要起排水作用，同时使不同的腔体间保持等压。工程施工中，先在胶条1上切两个豁口，使腔一、腔二与室外空气连通，成为等压腔，使水沿型材斜坡顺利排出。胶条2使室内与其他腔体均隔绝，虽然室内与其他腔体有压力差，但没有水的通道，这样就实现了幕墙的水密性。
气密泡棉的功能是有效提高气密，即“室内侧实现严密气密是形成等压原理的关键”。这是实际工程设计中往往被忽略的因素，从而出现气密性低 气体流动 稳定等压难以实现 腔体内水积累 发生渗漏现象。
气密泡棉作为单元幕墙的最后一道密封线，对于整个幕墙系统的防水性能至关重要。尤其是超高层建筑，高度气流相对稳定，如果腔一腔二之间的气压稍有差别，就会有持续的水流进入腔二，胶条二与气密泡棉如果密封处理的不好，水就会流入室内。所以超高层建筑幕墙单元系统的最后一道气密泡棉需要通长设计(常规单元幕墙只在十字交叉位置铺设300mm左右的气密泡棉即可)。
4.3 超高层幕墙防水设计难点
从大多数幕墙测试的过程来看，单元式幕墙在测试过程中存在不同程度这样或那样的问题。其中水密性、气密性是比较突出的问题。说明幕墙在防水系统设计上存在一定缺陷。
单元式幕墙单元板块是在厂房里制作、组装完成的，能在现场直接安装到建筑主体结构上。无论是插接还是对接，单元板块在上下左右以及单元板块“十字”接口处均需要密封处理。
如何从系统设计中处理好这些自由缝是解决单元式幕墙水密性的关键。由于缝隙腔内外的气压差是雨水渗漏的主要动力，因此要求缝隙空腔内的气压与室外气压相等，以防止内外空气压力差将雨水压入腔内。
4.3.1型材断面构造设计的合理性
A.合理设计型材端面及型材咬合位置，尽量将水密线与气密线分离，保证等压腔发挥作用。
B.断面上尽可能避免在制作过程中开工艺孔，气密线腔壁上禁止开工艺孔。
C.断面设计时应考虑在竖向(或横向)构件上设置传递荷载与作用的专用装置，尽可能避免气密线胶条参与传力，
D.插接式单元幕墙在断面设计时应考虑板块安装后插接件之间有不小于15毫米的搭接长度。以便有能力适应层间变位和吸收现场安装产生的误差。
E.断面设计时应考虑预留安装软披水胶条的槽口，以便板块安装后在缝隙处形成阻水屏障。
F.断面设计时应尽可能考虑减少零件数量，降低构件的加工量和加工难度，以便保证板块的组装质量。
G.幕墙板块的型材断面种类应考虑尽可能的少，同时应考虑到尽可能减少零件的组合量，以便减少板块组装所形成的缝隙。
H.单元幕墙的气密线应形成闭合。在结构上必须防止十字接口处存在漏气的通道，图2的构造中幕墙板块在十字接口处可用胶板10实现密封。
4.3.2胶条设计的合理性
胶条决定了单元式幕墙的水密性、气密性以及幕墙防水性能的耐久性。目前工程上所用的胶条大多存在一些问题。究其原因是对胶条的产品性能缺乏了解，胶条的断面设计存在不合理现象。事实上胶条的材质、延伸率、压缩量以及断面形式都很关键。单元式幕墙密封性胶条主要是三元乙丙(EPDM)胶条，这种材料具有卓越的耐臭氧老化性、耐气候老化性、耐热老化性、耐水性，还具有较好的耐化学药品性，可以长期在阳光、潮湿、寒冷的自然环境中使用。EPDM橡胶有很多种牌号，不同的牌号各有不同的特点，因此可以说三元乙丙橡胶的化学成分及配方决定了胶条的使用环境和工作性能。
幕墙用三元乙丙胶条的基本成分为三元乙丙胶，碳黑，活性剂，增塑剂，硫化促进剂等。其中胶条的含胶率控制在35%左右，含胶率过低，材料的力学性能特别是拉伸强度、回弹性、耐老化性等变差，使用寿命大为缩短。但含胶率过高，成本会提高，同时材料的性能也同样变差。其中补强剂，硫化剂，增塑剂并不仅仅起到降低成本的作用，只要加入适量，比例得当，能够改善材料的性能。
根据不同的气候特点，应选用不同的EPDM牌号。总结近些年的应用经验，胶条的设计可遵循以下原则：
A.在北方地区，温差大，冬天温度很低，最好选用部分充油牌号，在配方设计中充分考虑材料的低温脆性，这样硬度对温度的依赖性小，便于安装和使用。
B.胶条在设计时必须确定合理的断面形式，选择合适的EPDM橡胶牌号，胶条的位置和作用不同，其断面形式也应该不同。
C.在胶条设计时，必须合理确定压缩比和硬度。
D.对有特殊环境要求的胶条，有必要与胶条供应商进行联合设计，弥补设计人员知识面的不足，充分利用胶条材料的优良性能。
E.对接型单元幕墙的气密线胶条竖横应相同，确保胶条在板块四角周圈形成闭合。
4.3.3 单元板块插接方式的合理性
目前大部分工程的单元板块竖向插接需要300mm左右的插接过程，主要是因为转接系统的构造设计，而出问题往往就在这300mm的插接过程，胶条设计的不合理或材质选用不对，导致胶条变形，甚至脱落等，进而丧失功能。
有以下两种模式，来改善：
其一，调整转接系统，将插接过程缩小到50mm左右
其二，调整胶条截面及材质。
5、防雷系统设计
5.1 雷击事故
雷电作为自然界破坏力巨大的自然现象，给人们的生产生活造成了巨大的影响。从古至今人们对雷电现象充满了敬畏，但是人类从未停止对雷电的探索。从富兰克林发明避雷针开始，雷电对人类的生活的影响发生了崭新的变化。
雷击事故是由自然界中正、负电荷形式的能量造成的事故。
雷击分为直击雷、静电感应雷和球雷。当带电积云接近地面，与地面凸出物之间的电场强度达到空气的击穿强度(25～30kV/cm)时，所发生的激烈的放电现象称为直击雷。其每一放电过程包含先导放电、主放电、余光三个阶段。当带电积云接近地面凸出物时，在其顶部感应出大量异性电荷，当带电积云与其他部位或其他积云或地面设施放电后，凸出物顶部的电荷失去束缚，高速传播形成高压冲击波。此冲击波由静电感应产生，具有雷电特征，称为静电感应雷。雷电放电时，雷电流在周围空间产生迅速变化的强磁场，在邻近的导体上感应出很高的电动势。该电动势具有雷电特征，称为电磁感应雷。雷电放电时产生的球状发光带电体称为球雷。球雷也可能造成多种危害。示图表示的示被雷电击中的上海中心工程和迪拜塔遭雷击图片。
雷电放电具有电流大、电压高、冲击性强的特点。其能量释放出来可表现出极大的破坏力。雷击除可能毁坏设施和设备外，还可能伤及人、畜，引起火灾和爆炸，造成大规模停电等。因此，电力设施、建筑物，特别是有火灾和爆炸危险的建筑物，均需考虑防雷措施。造成重大人身伤亡和经济损失的黄岛油库火灾就是由雷击引起的。
高大的建筑物和工程设施，特别是有爆炸或火灾危险的建筑物和工程设施，变配电装置等应采取直击雷防护措施;凡遭受雷电冲击波袭击可能导致严重后果的建筑物或设施均应采取雷电冲击波防护措施。
5.2 高层建筑防雷设计原理
高层建筑的防雷系统主要由接闪器，等电位连接系统，接地连接系统组成。设计主要是利用避雷针的原理特性：雷雨天气，高楼上空出现带电云层时，避雷针和高楼顶部都被感应上大量电荷，由于避雷针针头是尖的，而静电感应时，导体尖端总是聚集了最多的电荷，这样，避雷针就聚集了大部分电荷。避雷针又与这些带电云层形成了一个电容器，由于它较尖，即这个电容器的两极板正对面积很小，电容也就很小，也就是说它所能容纳的电荷很少，而它又聚集了大部分电荷，所以，当云层上电荷较多时，避雷针与云层之间的空气就很容易被击穿，成为导体。这样，带电云层与避雷针形成通路，而避雷针又是接地的，避雷针就可以把云层上的电荷导入大地，使其不对高层建筑构成危险，保证了它的安全。
楼体主要是利用均压等电位原理，形成局部等电位和整体等电位，以免不同位置出现大的电位差，从而伤人或损坏建筑设备等。原理图见示意图。
5.3 幕墙防雷设计
《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ102-2003规定：“玻璃幕墙的防雷设计应符合国家现行标准《建筑物防雷设计规范》GB50057和《民用建筑电气设计规范》JGJ/T16的有关规定。”《金属与石材幕墙工程技术规范》防雷问题专题审查会纪要将送审稿中“防雷体系”改为防雷装置。取消关于接地电阻的要求。
《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ102-2003第4.4.13条还规定：“幕墙的金属框架应与主体结构的防雷体系可靠连接，连接部位应清除非导电保护层。” 《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ102-2003条文说明第4.4.13条指出：“玻璃幕墙是附属于主体建筑的围护结构，幕墙的金属框架一般不单独作防雷接地，而是利用主体结构的防雷体系，与建筑本身的防雷设计相结合，因此要求应与主体结构的防雷体系可靠连接，并保持导电通畅。”《建筑物防雷设计规范》GB50057主编林维勇告知：“金属幕墙防侧雷：通过将安装金属幕墙的垂直金属杆件于每层与圈梁或柱子钢筋连接的予埋件连通。”
案例：
深圳京基大厦采用将建筑物楼体以及内部所有金属物，用电气连接的方法引入地下的联合接地防雷系统。包括幕墙系统的防雷体系与外框钢骨架相接形成良好的电气连接，屋顶的擦窗机等金属部件与接地网络可靠连接，室外泛光照明灯具接地与幕墙形成良好的电气通路等，形成一个法拉第笼式网状结构整体，并保证接地电阻小于1欧姆，使整座建筑物成为一个良好的等电位体，把雷电对接闪器闪击的电荷尽快地泄放到大地，使其与大地的异种电荷中和。当雷电来袭时，由于建筑物内部及其附近基本上做到等电位，因而不会发生建筑物内部的设备被高电位反击和人被雷击的事故。
5.4 高层建筑防雷设计误区
幕墙的设计师在设计避雷系统时，往往忽略了一个问题，如果幕墙系统在室内外均有金属结构时，幕墙的设计师大部分都不会考虑室外的金属结构，如扣板等，但是如果幕墙受到的侧雷击，那么室内的避雷系统便会形同虚设，室外的金属结构就会被击穿，幕墙使用功能便会受到损失，严重时会丧失功能。
6、施工工艺性及维护方便性设计
6.1 超高层建筑施工工艺性设计
超高层建筑幕墙的安装施工是超高层幕墙设计最大的难点之一。包括单元的生产加工、运输、吊装等程序都需要认真的设计。由于每个工程都有自己独特的特点和环境，所以很难归纳成统一的知识进行学习。本书以上海中心大厦为例，通过实际的案例来学习超高层幕墙的施工工艺。
上海中心施工工艺简介
上海中心采用整体式单元式幕墙，玻璃单元和层间转换连接的凹凸台不锈钢板在厂内组合完成，现场进行整体吊装，单元板块需一次安装到位。因此，无论是工厂内加工制作，还是现场定位安装，都需达到“汽车级”的施工要求。
钢结构的设计精度。外幕墙及支撑钢结构都通过径向和横向钢桁架从主体结构外挑，其所有荷载和能量也通过钢桁架传递给主体结构。钢桁架的刚度与支撑钢结构的位移有直接的关系。为减小悬挑钢桁架的不均匀沉降，降低由其他不确定因素引起的施工、安装误差，设计院在进行悬挑钢桁架设计时，适当提高钢桁架的刚度。在钢结构安装时，考虑到结构在幕墙重力荷载作用下的沉降，环形钢梁的实际定位线经计算需比设计定位线上调，在本区的幕墙安装完成后，环形钢梁实际定位线在幕墙重力荷载作用下沉降了约28mm，在上部的幕墙相继安装完成后，环形钢梁实际定位线与设计定位线最终重合。
超高层建筑幕墙安装首先要将整个建筑进行规划分区，然后按照各区域特点选择适当的施工机具。如下图所示。
6.2.2超高层建筑幕墙玻璃的更换
由于超高层建筑施工工艺较难，所以工程设计的同时要充分考虑后期维护的方便性。尤其是玻璃的更换或补片。上海中心大厦和俄联邦大厦为例，这两个工程在完工后整整花费了几个月的时间去更换施工过程中破损的玻璃。
因此在幕墙的设计阶段要合理的选择幕墙系统，尽量避免隐框系统，选择更换方便的明框、半隐框或装配式幕墙结构。另外，目前玻璃破损的更换主要依靠擦窗机，但清洗机器人的发展，注定要替代擦窗机的主要使用功能，那么取消擦窗机就会面临玻璃更换的新模式。
三、超高层建筑幕墙材料技术应用中的问题解惑
1超高层建筑幕墙对幕墙玻璃的要求
超高层建筑幕墙对幕墙玻璃的要求，主要是外观、节能、隔音及安全性。
第一外观，玻璃幕墙的外观颜色主要考虑玻璃外侧的镀膜面的颜色，还有反射率的问题，以及光学变形的问题，另外还有加一些特殊彩釉的效果。幕墙上墙的时候颜色是反射的，看到的其实是透过色，所以正常的应该是用黑色背景去观察，观察反射天空的颜色。因为镀膜除了节能还有它的颜色非常丰富，配合镀膜来说，透过率高反射率也高，透过率高反射低，要求通透，透过率低反射率高，这是以前老式的商业建筑，透过率低反射率也低，显得比较厚重稳重，就是政府大楼这些，所以透过反射有一定的配合意义。镀膜的反射性，色彩丰富的反射率肯定会高，金色绝对会超过30%的限制，所以这是一个概念。第二如果像这种无色，反射率就会低一点，当然还有环境的因素，晴天跟阴天就不一样，因为我们膜是多层纳米膜，晴天观测到的颜色效果肯定会更好一些。包括光污染的问题，上海都是15—16%的反射要求，深圳是20%的反射要求，幕墙最终要保证这个颜色的一致性和效果，所以反射率太低，反正不利于颜色一致性的遮蔽效果，当然像裙楼对交通影响很大的，这个一定要控制反射率，主体可能反射率还是要去平衡。同时还有光畸变的问题，玻璃整体板面的变形无可避免。同时这个变形除了玻璃本身的设计，钢化质量，厚度设计有关系，还包括环境因素，安装因素。
第二节能，首先我们要看热源，第一个来源就是阳光辐射，有太阳就可以辐射，第二是远红外线辐射，对于辐射来说，阳光辐射主要通过遮阳，远红外辐射主要通过辐射率，辐射率的概念其实就是远红外的吸收率，对红外基本不吸收，90%都被反射掉了。衡量这个玻璃节能的指标，热量传递最主要的还是SC和U值，U值可以根据公司计算出来的，其实U值大家记住这三点，一个玻璃结构的配置，只要跟它整个材料的导热系数有没有变化，辐射率有没有降低，空气的厚度有没有改变，这三个因素就会决定它最后的K值或者U值。普通玻璃的导热系数是1，因为它的空气导热系统只有0.024，导热系数、辐射率和空气层的厚度就决定了玻璃层的K值。这是降低玻璃K值的方法，为什么说夹层K值比较高呢?导热系数没有变，辐射率没有变，拿这三个指标去判断，这是一个依据。另外一个因素就是空气层厚度，这里有实验数据也有理论分析，美国标准跟中国标准一样，大概12厚是最佳的厚度，按照欧洲标准大概16，同时根据气侯条件，北方偏12，南方偏16会更好一点，因为这里面的差别就是边界和室内外的条件，中国的标准U值和SC值总是偏大一点，所以在讨论的时候一定要明确你到底是哪个标准，所以一定要有一个统一的前提条件。SC值这里面有一个概念，SC值透过玻璃太阳能隔热因子，完全用g值就可以衡量过热的效果，SC值是大于g值的，整个太阳能直接透过，280—2500纳米。这个图可以更直观的说明普通玻璃隔离红外线的能力，同时对于双银和单银的区别，光热比会更高一些。同时北方的遮阳也有问题，北方高好还是低好?夏天用来遮阳，越低越好。同样的遮阳系数0.37的情况下，单银大概35，双银62，差了将近30个点，遮阳系数可以用来衡量遮阳的效果，但是遮阳的效果不能只用SC来衡量，单用SC来衡量不科学。这里面有一个概念，引入了LSG，更科学的评价玻璃的采光和隔热，单银1.2、1.3，双银做到1.5、1.6，它们之间有这样的内在关系。说到节能，北方关注K值，南方关注SC值，当然现在节能已经走到了第四步，三步节能相比国外来说，我们能耗还是高50%，所以现在提到第四步节能，再节省30%，累计节能达到75%。
第三隔音，声音基本知识，因为隔声这一块开始关注越来越多，里面还有一些误区。声音的特征就是特质强度，还有分贝值，在20赫兹和2万赫兹，比如3分贝变化感觉不到，5分贝会有感觉，10分贝感觉非常明显，我们的会场环境大概50、60分贝。隔声材料都有三个原理，第一是共振效应，第二是表面质量定律，质量越大，它的隔声的损失会越大，一般来说质量增加一倍，隔音值会增加6个分贝，同时对空气层的厚度，我们普通的住宅门窗595的结构隔音效果不好，虽然有9毫米的空气层，但是远达不到要求，其实还不如单片，所以隔音值至少要超过10对隔音才有贡献。同时空气层12的时候，附加值大概有1分贝，再加上调整系数，翻倍的话只增加3个分贝，所以这是跟空气层厚度表面质量的关系。吻合效应，所以隔音的角度8+6肯定比8+8要好。其实中空比单片玻璃的隔音还差，单片会小于夹层，夹层中空会更好，普通夹层都可以到38、39，如果像我们高端幕墙夹层中空，这个隔音是最佳的配置，比如6、1.52，或者8的话，这个隔音值会更高，外面80分贝很吵，但是你通过玻璃一隔，窗要配合起来，室内只有40分贝，40分贝就会非常安静。
第四安全，钢化玻璃自爆的原因是什么?钢化玻璃在没有机械外力作用下会产生自爆，除了玻璃本身其实还有设计的因素，也有包括安装的因素，不一定所有的自爆都是玻璃本身。关于这个话题，国家3月份也出台了新的规定，关于进一步增加幕墙安全防护的通知，建筑门窗幕墙用钢化玻璃，4月1号刚开始执行，这里面有五点避免钢化玻璃自爆的方法：第一选择优质平板玻璃;第二适度钢化;第三保证钢化玻璃表面应均匀;第四提高钢化玻璃边部加工质量;第五限制钢化玻璃尺寸。因为现在建筑尺寸越做越大，比如6毫米建议最好不要超过3个平方，8毫米4个平方，10毫米5个平方，建议大家在考虑幕墙设计过程中尽量把尺寸做小一点，这个对安全来说肯定有好处。自爆解决方案，第一是均质处理，第二是夹层钢化，第三是SGP夹层，它的性能非常好，安全性非常高，但是造价非常贵，第四是半钢化夹层，第五是超白玻璃，因为超白的铁含量只有普通玻璃的1/10，最主要的优势就是缺陷非常少，同时还有一个优点就是它的颜色非常白。
2 石材与陶土板性能对比
3铝型材设计难点
3.1 铝型材的截面特性设计
目前，大部分的幕墙设计师对铝型材计算完全依靠于结构计算，基础的计算知识匮乏，而绝大部分的结构计算人员同时对幕墙系统结构没有合理的优化能力。所以会往往产生很大的浪费。所以在实际设计中，幕墙设计师应掌握基本的结构计算知识，同时应对结构计算人员进行幕墙基本知识培训，提高结构优化能力。
3.2 铝型材的加工与组装
对超高层建筑玻璃幕墙来说，产品的加工与组装、安装精度要求会很高，所以铝型材的加工与组装工艺越简单、工序越少就越容易保障产品的质量，特别是针对异型玻璃幕墙。
3.3铝型材的表面划伤、擦伤、碰划
铝型材(除先天缺陷外)表面划伤、擦伤、碰划等后天缺陷，产生于型材商家的挤压过程、转运、包装、发运等;幕墙厂家的加工、转运、运输、包装、组装、存储、安装等等环节，应尽量加大在每个环节的质量控制，特别对超高层建筑，因风力较大，所以在吊装安装过程中，必须进行防磕伤保护措施。将缺陷降到最低，并引进新型的修补工艺。
