建筑结构丨赵西安：超高层建筑幕墙结构，超强总结！
[摘要]高度200m以上的超高层建筑都采用幕墙作为围护结构，这是由高层建筑的特殊性质所决定的。幕墙的结构形式不仅重量小，而且能抵抗高烈度地震和强台风的袭击。幕墙可以采用多种面板材料，具备各种表面造型，充分满足建筑艺术的要求。其中大量采用的玻璃，具有透明、轻质、高强、耐久四大特性，使玻璃幕墙广泛采用。文中介绍了已建成和在建的几座500m以上的建筑的玻璃幕墙以及幕墙的新材料和新做法。
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。
笔者根据手头资料的不完全统计，截至2018年5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1。
超高层建筑的分布（至2018年5月） 表1
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高度（m） |
全世界 |
中国大陆 |
港台 |
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600m以上 |
27 |
13 |
0 |
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500m以上 |
52 |
34 |
1 |
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400m以上 |
128 |
80 |
3 |
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300m以上 |
416 |
268 |
12 |
由表1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左右。高层建筑的迅速发展，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，我国内陆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。
2017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5亿m2。这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 幕墙是超高层建筑不可代替的墙体形式
3.1 建筑幕墙
建筑幕墙不同于低层建筑常见的混凝土墙体和砌体墙。幕墙石油支承结构体系与面板组成的、可相对于主体结构有一定位移能力、不分担主体结构所受作用的建筑外围护结构或装饰结构。
幕墙相对于主体结构有一定位移能力，一般位于主体结构面的外侧（有些工程可以是主体结构在外、幕墙结构在内，如广州塔）。在地震、台风作用下，主体结构发生水平位移时，不会强迫幕墙也发生完全相同的面内水平位移，因而幕墙在强震和大风中保持完好，或者有轻微损坏。
3.2 幕墙具有良好的抗震和抗风能力
超高层建筑在地震和大风中会产生很大的水平位移，所以会采用幕墙来作为外围护结构。振动台实验表明：幕墙可以承受 1/100 至 1/50的位移量。幕墙能承受的位移值远远超出主体结构的位移限值，这就是在地震和台风灾害中，幕墙结构能保持完好或者损害轻微的原因。
图1为在2008年汶川大地震中经受烈度为9度强震后的建筑物，其玻璃幕墙、石材幕墙都保持完好。
图1 汶川地震后，都江堰、绵阳、青城山等9度区的幕墙
2016年9月，莫兰蒂台风袭击厦门，风力达14级到17级，风荷载达规范值的1.8到2倍，但是高层建筑玻璃幕墙基本保持完好，幕墙破损的建筑很少（图2）。
图2 2016年莫兰迪台风袭击后，厦门高层建筑玻璃幕墙保持完好或损坏轻微
3.3 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2）。
墙体材料的性能 表2
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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 |
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聚碳酸酯板 |
O |
X |
O |
X |
|
ETFE膜材 |
透光不透明 |
X |
O |
X |
注：O**—碳素钢要采取防腐措施。
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）的透光率可达75%~80%。薄膜材料（如ETFE）只能透过漫射光，透光不透明。
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3）。
墙体材料的抗拉强度和容重 表3
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材料 |
抗拉强度(N/mm2) |
容重(kN/m3) |
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浮法玻璃 |
50 |
25.6 |
|
钢化玻璃 |
180 |
25.6 |
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钢材 |
235 |
78.5 |
|
铝型材 |
108 |
27.1 |
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混凝土 |
2~3 |
25 |
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6mm~10mm。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0.3kN/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。
上海中心总重量76万t，玻璃幕墙重量为总重量的1/100。
目前已建成的世界最高建筑是迪拜哈利法塔，828m；国内已建成最高建筑是上海中心，632m；国内正在施工最高的建筑是武汉绿地中心，636m；这些最高建筑无一例外，全部采用玻璃幕墙。
4 超高摩天大楼的玻璃幕墙
4.1 迪拜云溪塔
建造中的迪拜云溪塔高度未最后确定，预计为960m至1196m。目前基础正在施工。云溪塔为钢筋混凝土单筒体，加上两组弧形布置的钢拉索（图3）。高度700m至900m区段布置50层高空酒店，全部为玻璃幕墙。由于工程刚开始施工，有关细节还可能变动。已初步确定，该工程上部结构将由中建总公司承建。
云溪塔高度可达1196m
由中部混凝土筒体和两组钢拉索支承
50层高空酒店
酒店的玻璃幕墙
图3 迪拜云溪塔
4.2 吉达王国塔
沙特阿拉伯王国吉达正在施工一座高度1007m、208层的王国塔（图4）。建筑平面为三叉形，立面为针形，630m高度上有一个700m2的室外观光平台。
主体为混凝土剪力墙结构，外部为玻璃幕墙。幕墙为半隐框结构，玻璃为10mm 16mm空气层 10mm中空。幕墙由中国公司设计，2017年5月完成试验，9月已经开始安装。
王国塔，1007m
外围护结构采用中空玻璃幕墙
幕墙水平剖面，采用中空玻璃
2017年5月在东莞完成幕墙试验
幕墙安装
图4沙特吉达王国塔
4.3 迪拜哈利法塔
哈利法塔的高度为828m，是目前世界上最高的建筑幕墙。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5~图11）。本工程由中国承建，玻璃、铝型材、五金件和密封胶均采用中国产品。
采用中空玻璃，16mm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1.3mX3.2m到2.25mX8m。
图5蔚蓝天空下幕墙熠熠生辉
图6塔楼幕墙的单元划分
图7设备层的不锈钢装饰条
图8标准层单元幕墙内观
图9 124层观光层幕墙
图10标准层单元板块直接安装
图11设备层大单元先装钢立柱，再装板块
4.4 武汉国际金融中心（武汉绿地）
武汉国际金融中心，即武汉绿地中心，原设计高度636m，125层；后因限高，实际结构高度为495m。平面为圆角三叉形，竖向逐渐内收呈圆滑曲线。立面上开有喇叭形洞口，可以减少主体结构和幕墙所受的风力（图12）。
采用12mm半钢化玻璃，中空，Low-E，外夹层玻璃，内单片玻璃。板块均为不规则四边形，几乎没有完全相同板块。
每层设三道水平线条，最上面为金属装饰条，下面为两道水平金属遮阳板（图13）。
原设计立面
实际建成立面
立面局部
图12武汉绿地中心立面
图13武汉绿地中心玻璃幕墙
4.5 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14~图16）。内幕墙与外幕墙之间形成12~15层高的内庭，按防火要求，内幕墙必须为防火幕墙。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17、图18）。
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19、图20）。
图14 上海中心大厦，高度632m
图15上海中心的平面，内外两道幕墙
图16内外幕墙之间是多层内庭
图17 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
图18 外幕墙的水平钢管和吊杆
图19平面单元板块锯齿形错位安装
图20 外幕墙的中国龙双曲造型
图21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22~图24）。
图22 外幕墙(下部)和防火内幕墙(上部)
图23防火内幕墙的钢骨架
图24内幕墙钢立柱
4.6 深圳平安金融中心
深圳平安金融中心高度600m，玻璃幕墙高度590m（图25、图26）。明框，单元式。玻璃为超白、Low-E，中空，外片夹胶，内片钢化（图27）。
图25 深圳平安金融中心，660m
图26 单元式明框玻璃幕墙
图27深圳平安金融中心的玻璃幕墙
4.7 广州塔
广州塔高度600m，玻璃幕墙高度460m（图28、图29）。明框玻璃幕墙采用三角形单元板块，尺寸为1500mmX3500mm。双夹层半钢化中空玻璃，（8mm 1.52mmSGP 8mm） 12mmA （8mm 1.52mmSGP 8mm）（图30~图33）。
图28广州塔，玻璃幕墙高度460m
图29 双夹层中空玻璃位于钢架构的内部
图30 广州塔内景，三角形玻璃单元板块
图31 玻璃单元下横梁
图32 横梁节点竖向剖面
图33转角处立柱水平剖面
4.8 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34）。单元式板块。玻璃超白、夹层中空（图33~图39）。
图33 广州东塔
图34 玻璃幕墙单元，外突竖向线条为陶板
图35 塔楼幕墙
图36 陶板线条正在安装
图37玻璃幕墙外观
图38幕墙水平剖面，玻璃板之间有陶板竖线条
图39节点竖向剖面
4.9 天津高银117
天津高银117高度为592m，117层。32、63、94和115~116层为高层大堂，顶部设有钻石型玻璃顶（图40）。
图40天津高银117（左、中）及其钻石型顶部（右）
幕墙总面积14.7万m2，分为2万单元板块。标准层单元4.3mX1.5m，1.4万单元板块；屋顶钻石幕墙板块约为2mX2m。玻璃配置为外玻璃PVB夹层，超白Low-E半钢化；12mm中空；内层玻璃钢化。
大面幕墙：（8mm 1.52PVB 8mm） 12A 8mm
高空大堂：（8mm 1.52PVB 8mm） 12A 12mm/10mm
钻石幕墙：（10mm 1.52PVB 10mm） 12A 10mm（倒挂）
10mm 12A （10mm 1.52PVB 10mm）（正放）
典型大样和节点见图41。
图41幕墙竖向剖面（左）和节点水平剖面（右）
图42天津高银117的玻璃幕墙
4.10 天津周大福
天津周大福高度525m,外形像立在发射台上的火箭。由于幕墙是曲面，用平面玻璃拟合时，只能上下排玻璃错缝（图43）。
图43 天津周大福的玻璃幕墙
5 结语
高度500m以上的超高摩天大楼，外维护结构的选择就是采用玻璃幕墙。超高玻璃幕墙的基本选择是：明框，单元式，双夹胶中空或外夹胶内钢化中空。夹胶的玻璃可以考虑采用半钢化。优先采用超白玻璃，钢化玻璃应采用超白玻璃。高度500m以上超高层摩天大楼的夹胶玻璃，其中间层胶片宜考虑采用离子型胶片SGP。以提高玻璃幕墙的安全性。
作者简介
赵西安，1940年7月生，1964年清华大学土木工程系毕业，1967年研究生毕业。现为中国建筑科学研究院研究员。中国建筑金属协会铝门窗幕墙委员会专家组成员，中国建筑装饰协会幕墙工程委员会专家组成员。中国建筑学会结构分会高层委员会委员。
主要从事建筑结构、建筑抗震、建筑幕墙和钢结构方面的研究、技术开发和技术咨询、工程标准规范编制工作。
建筑结构方面：主编和参编《高层建筑结构设计规定》、《高层建筑混凝土结构设计规程》、《高层民用建筑钢结构技术规程》等。参加许多大型高层建筑工程设计和技术咨询。曾获国家科技进步奖、建设部奖5次。出版了《高层建筑设计》等12部专著。发表有关高层结构的论文80余篇。
在幕墙方面：主持和主编《玻璃幕墙工程技术规范》和《金属与石材幕墙工程技术规范》。作为甲方工程顾问监管了十余座大型建筑的幕墙工程。并参与许多大型幕墙工程的咨询工作。 出版了5种幕墙方面的专著。发表了有关幕墙方面的论文40余篇。