建筑创作中玻璃幕墙的应用研究

孟 欣

(现代设计集团华东建筑设计研究院有限公司，上海 200002)

2012年2月1日上海市正式出台《上海市建筑玻璃幕墙管理办法》，该管理办法对上海市建筑玻璃幕墙的使用提出了各项具体要求，其产生的背景在于“为加强对本市建筑玻璃幕墙建设和使用的管理、保障社会公共安全和公民人身财产安全，促进环境保护和建筑节能，提供规章依据。”对于此管理办法社会各界人士产生了各自不同的看法，有鉴于此，本文试图从建筑设计角度对玻璃幕墙的各项要点进行简述，以供建筑设计人员理解建筑玻璃幕墙的特性和更加科学、合理地使用建筑玻璃幕墙。

1 玻璃幕墙概述

1.1 玻璃幕墙的历史概述

据记载玻璃最早起源于两河流域和埃及。1687年，法国人发明了浇筑玻璃法，这种办法使玻璃面积变大，并且大大节省了人力，提高了质量，也降低了造价。进入19世纪，工业革命改变了世界，铁和玻璃改变了传统建筑的样貌。1851年Paxton的水晶宫设计方案从竞赛中脱颖而出预示着新时代建筑表皮设计的新方向。其后玻璃幕墙迅速发展，密斯的西格拉姆大厦及SOM的利华大厦使玻璃幕墙在世界各地迅速被大量复制[1]。

1.2 玻璃幕墙在中国

我国从1983年前后开始使用大型建筑玻璃幕墙，北京的长城饭店和上海的联谊大厦首开大厦玻璃幕墙的先河(见图1)。1983年～1996年中国大陆建筑幕墙平均年产量约800万m2，1997年以后平均年产量约2000万m2，到21世纪初，我国已发展成世界第一幕墙生产大国和使用大国。

1.3 玻璃幕墙与建筑创作

现代建筑大师赖特这样评价玻璃:“这种我们使用的超级材料玻璃就是一项神迹:空气中的空气，既能导入又能隔绝空气。光中的光，漫射、反射、折射自身”[2]。玻璃幕墙由于其有效地减轻了主体结构的荷载，新颖、通透的外观，超强的可塑性，使其成为现代建筑创作中举足轻重的新型材料。

2 玻璃幕墙在建筑创作中的几个要点

2.1 节能

近几年我国建筑业发展迅猛，建筑能耗已接近社会总能耗的1/3。在上海市浦东新区陆家嘴地区约1.7 km2的区域里，集中了大约100多万平方米的玻璃办公楼。这些办公楼仅空调用电负荷一项就已经占到了整个浦东新区总用电负荷的1/10，而其面积仅为整个新区的0.33%(见图2)[3]。按照规划，“十二五”期间，上海市节能将确保18%，到2015年年末本市民用建筑总能耗相比2010年的净增量力争控制在800万t标煤以下。要实现这一目标，包括玻璃幕墙在内的建筑节能设计就显得尤为重要了。

2.1.1 玻璃的节能要求

玻璃的热工性能是通过两个参数来表征的:传热系数和遮阳系数。通过表1可以看出，建筑外幕墙采用中空玻璃是毋庸置疑的，即使是6+12A+6的中空玻璃，其隔热能力也不亚于100mm厚的混凝土墙，而低辐射玻璃乃至充惰性气体的中空玻璃对玻璃幕墙的保温性能会有更明显的提高。根据GB50189-2005公共建筑节能设计标准规定，普通中空玻璃的遮阳系数和传热系数都不能满足规范要求，只有采用Low-E中空玻璃才能满足。因此，从节能角度考虑，Low-E中空玻璃是建筑幕墙目前阶段的最佳选择。当然，建筑设计中还要具体考虑建筑物的地理方位、朝向、使用功能等来对玻璃的遮阳系数进行选择。此外，通过暖边系统等构造做法也可以进一步提高其隔热性能。

表1 典型玻璃系统的光学热工参数

2.1.2 框料型材的节能要求

早期的玻璃幕墙框料主要采用无断热铝型材(基本传热系数k=6.66)，目前建筑项目基本采用铝和塑料复合的断热型材。铝塑复合断热型材基本传热系数k均不大于4.0[4]，能够很好地满足节能保温的要求，其整体强度和刚度也能够满足使用要求。

2.2 安全性

随着国内早期建设的玻璃幕墙建筑逐渐老化，玻璃幕墙坠落伤人案一再发生，其安全性也引起了政府相关部门和社会的广泛关注，似乎一夜之间玻璃幕墙成为了吃人的魔鬼。事实上，通过对玻璃幕墙的深入了解可知这类事件还是可控可防的。

2.2.1 来自玻璃的原因

由于杂质硫化镍与热应力共同作用是幕墙玻璃产生自爆的主要原因。硫化镍是玻璃生产过程中不可避免的有害杂质，当外界温度升高，硫化镍体积会产生微小的变化在玻璃内部产生微小的裂缝，这些裂缝通过钢化玻璃的张力层后将内部的能量释放出来，造成玻璃破碎。应该说自爆是钢化玻璃的固有特性，无可避免。因此，在设计建筑玻璃幕墙时应该根据实际情况合理地选用“安全玻璃”，底层可以采用钢化中空玻璃，上部则采用夹胶中空玻璃或半钢化夹胶中空玻璃，即外层夹胶内层钢化，在计算通过的前提下应优先选用夹胶玻璃。

2.2.2 来自幕墙玻璃结构胶的原因

现在用于玻璃幕墙的结构胶主要是硅酮密封胶。1987年后的10年间，我国结构胶全部依赖进口。1997年我国开始对结构胶实行市场准入管理制度，2004年国产化率达到90%。20多年以来，结构胶市场也出现了保质期较短、质量参差不齐等问题。因此，对于完全依靠结构胶的隐框玻璃幕墙项目，应借鉴日本经验加设裙房。其他新建项目应尽量采用明框、半隐框玻璃幕墙，这类结构形式玻璃坠落的几率大大降低。

2.2.3 玻璃幕墙主体结构以及扣件固定装置

支撑玻璃的框架结构失效也会引起玻璃幕墙问题，解决的办法是在设计过程中对框架结构进行抗疲劳试验。另外，扣件固定装置无法预见的瑕疵也可能导致严重的结构问题，其解决办法是在安装前对固定扣件进行必要的检验[5]。同时在建筑设计方面，这两项都对建筑师合理设计构造节点提出要求，只有好的构造节点设计才能够有效地发挥各种构件的效力来确保安全性。

2.3 立面观感

纵观国内的幕墙，远近不同的建筑在玻璃幕墙上的映像都是扭曲变形的，丝毫也感觉不到美感(见图3)。钢化和热强化玻璃由于受热引起的波纹被称为应力斑，可以说映像扭曲变形是钢化玻璃给玻璃幕墙带来的副产品。相对而言，我们看到很多国外的幕墙建筑，幕墙玻璃平滑如镜对周围环境的映像没有丝毫的变形，其实是因为幕墙玻璃没有采用钢化玻璃，而是采用了夹胶玻璃或半钢化夹胶玻璃。目前，我国的一些超高层项目在设计施工中也采用了此种选择来实现建筑师最初的构想。

3 国内外玻璃幕墙规范简述

中国的玻璃幕墙规范自1991年首批三个标准诞生，至今已经二十多年过去了，其数量也由三个扩充到二十个左右(见表2)。了解和熟悉国内外标准的异同，无论对于制定规范还是使用规范，都有了更加深刻而积极的意义。以下仅对国内外玻璃幕墙相关规范的异同进行简单的陈述，以供大家探讨:1)中外标准之间最明显的差异在于框架体系的构建不同。例如，国内标准对玻璃的计算是用一系列复杂的公式得出玻璃在当前荷载下的强度和挠度，再与玻璃的强度与挠度进行比较;而ASTM标准E1300是根据玻璃的相关参数，对照图表查询出一些数值，然后进行简单的运算得出当前玻璃所能承受的最大荷载，再与加载在玻璃上的荷载进行比较，得出校核结果，这与国标计算方法的思路是恰恰相反的。2)从规范、标注的内容而言，国标往往规定得很严、很具体，但部分数据比较粗糙和僵化。这种保守和僵化固然更加“保险”，但除了对设计人员造成了束缚和约束外，一些不必要的浪费也相应地产生。相对而言，国外标准更加复杂、细致，同时也更加合理一些，使设计的选择余地也更大些，所以也更加受到专业设计人员的欢迎。3)中国的标准条文中除了推荐性条文之外，也采用了很多强制性条文，在欧洲等西方国家的标准体系中，标准的根本原则之一就是“非强制”，只有当标准升格为技术法规时才具有强制执行的法律效力。而在中国，由于相关部门的“保险”意识，很多推荐性条文也被“强制”执行，再加上部分设计人员对规范的不深刻理解就更加容易造成设计人员拿着规范做设计，做出来的设计千篇一律，而得不到精心推敲。以上几个方面的异同不是说孰优孰劣，只是希望随着行业的发展，标准规范也要不断地成熟、完善。学习和了解各个地方不同的标准，有助于我们更加深刻地了解标准的制定原委，把标准真正作为设计的工具，而不应该将其视作设计的依据。同时，对于规范的制定也要更加有利于引导设计，而不是横加干预设计，更不能替代设计。

表2 现行玻璃幕墙相关规范、标准

4 结语

随着玻璃幕墙在国内使用量的飞速发展，幕墙问题已经成为了不可忽视的社会问题。而建筑师在这些社会问题上将承担更多的责任，如何合理使用玻璃幕墙也已经成为建筑创作不可分割的一个部分。合理科学地使用玻璃幕墙，其关键在于:建筑设计思想先进;计算和施工质量控制严密;规范和相关标准严谨科学。建筑师普遍不欢迎过于僵化的地方规定和条例，但是面对玻璃幕墙无节制地、符号化地滥用，只有每一个建筑设计师都能够了解和掌握玻璃幕墙的相关知识，相关规范能够正确引导设计、施工，才能全面提高我国玻璃幕墙的设计和使用水平，使我国从玻璃幕墙大国进而转变为玻璃幕墙强国。

[1]李保峰，谯华芬.窗户的革命[J].建筑学报，2003(8):41-42.

[2]弗兰克·劳埃德·赖特.赖特论美国建筑[M].姜 涌，李振涛，译.北京:中国建筑工业出版社，2010.

[3]茅佩云.玻璃幕墙之都·上海在行动[N].第一财经日报，2006-12-01.

[4]住房和城乡建设部工程质量安全监管司，中国建筑标准设计研究院.全国民用建筑工程设计技术措施规划·建筑·景观[Z].

[5]马 宁.浅谈建筑设计中的玻璃幕墙设计[J].技术与市场，2011(7):30-31.

[6]JGJ/T151-2008，建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程[S].