超高层建筑幕墙疑难问题解惑

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高层建筑典范。

　　根据《民用建筑设计通则》GB50352—2005规定：建筑高度过100m时，不论住宅及公共建筑均为高层建筑。而按照国际惯例，过150m的建筑为高层建筑，顾本文重点讨论150m以上的高层建筑。

　　高层建筑的显著特点是高度高、特高。高度本身就是一种标志、一种形象、一种特殊的意义。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，因而需要针对外围护“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。

　　高层建筑主要结构形式：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。

　　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。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、高层建筑幕墙设计中的疑难问题解惑

　　目前高层建筑幕墙工程，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、高建筑主体结构变形及板块间缝隙设计

　　1.1 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。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 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。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，而地震缝需要贯穿整个建筑，基础与主体的地震缝需要是一体的。对于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。

　　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。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，属于高层建筑，甚至高度出大多数普通高层建筑，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，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很大的困惑和麻烦，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高值作为计算依据

　　模式二，同一类型的幕墙取风压区面积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，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，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。

　　在高层的建筑中，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，现今已成为世界上大的幕墙产品生产国也可以说是大的消费国。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需要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。