论现代建筑中的玻璃幕墙

全　波

摘要:玻璃幕墙在现代建筑中具有十分诱人的魅力,建造玻璃幕墙已经成为一种时尚,文章阐述了建筑玻璃幕墙的基本概况,以点式玻璃幕墙为例分析在建筑中的使用,文章最后介绍玻璃幕墙应用中的一些注意事项。

关键词:玻璃幕墙;现代建筑;金属镀膜

中图分类号:TV767 文献标识码:A

文章编号:1674-1145(2009)24-0128-03

一、玻璃幕墙介绍

玻璃幕墙是指由支撑结构体系与玻璃组成的、可相对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。有单层和双层玻璃的墙体。反光绝缘玻璃厚6毫米,墙面自重约40kg/m2,有轻巧美观、不易污染、节约能源等优点。幕墙外层玻璃的里侧涂有彩色的金属镀膜,从外观上看整片外墙犹如一面镜子,将天空和周围环境的景色映入其中,光线变化时,影像色彩斑斓、变化无穷。在光线的反射下,室内不受强光照射,视觉柔和。中国1983年首次在北京长城饭店工程中采用。去过美国纽约的人大凡会被其繁华的都市风貌所折服,那高耸入云的摩天大楼蔚为壮观,而其通体的玻璃幕墙映衬出空明的蓝天和飘舞的白云,更为之增添了绚丽的色彩。那么,玻璃幕墙是怎么做成的呢?玻璃幕墙是指作为建筑外墙装潢的镜面玻璃,它是在浮法玻璃组成中添加微量的Fe、Ni、Co、Se等,并经钢化制成颜色透明板状玻璃,它可吸收红外线,减少进入室内的太阳辐射,降低室内温度。它既能像镜子一样反射光线,又能像玻璃一样透过光线。

二、玻璃幕墙分类

玻璃幕墙主要包括:(1)明框玻璃幕墙,是金属框架构件显露在外表面的玻璃幕墙。它以特殊断面的铝合金型材为框架,玻璃面板全嵌入型材的凹槽内。(2)隐框玻璃幕墙:隐框玻璃幕墙的金属框隐蔽在玻璃的背面,室外看不见金属框。(3)点式玻璃幕墙:点式玻璃幕墙是近年来新出现的一种支撑方式。但一经出现,在城市发展很快。本文仅对点式玻璃幕墙进行分析。

点式玻璃是用金属连接杆和紧固件将建筑玻璃和金属(或玻璃)支撑结构连接成整体的新型组合式建筑结构形式。根据不同的情况和设计要求,玻璃可以部分承重,因而减少结构构件对于空间的占用和光线的阻挡。同时通过纤细的金属杆件同纯净的玻璃的对比,使建筑形象更加透明和精细。这种建筑体系不但可以适应不同建筑类型,而且还能应用到建筑的各个局部,大到屋顶、幕墙,小至栏杆和楼梯,包括室内装饰构件都可以用这种体系来表达。

三、点式玻璃幕墙及采光顶在现代建筑中的应用

(一)点式玻璃幕墙

点式玻璃幕墙又称点驳接玻璃幕墙、点支式玻璃幕墙、点式无框玻璃幕墙、拉维来特玻璃幕墙等,是于20世纪六七十年代首先在国外开发出来的新型幕墙结构安装体系,是随着玻璃物理性能和玻璃加工的提高及建筑事业的发展而产生和不断完善的。点式玻璃幕墙充分利用了玻璃材料通透的特性,使建筑物内外空间融为一体,扩大了建筑物内部的空间感,同时也从外立面效果显示了建筑的结构美。巴黎罗浮宫玻璃金字塔、法国拉维来特科学城、德国莱比锡展览中心以及我国的上海大剧院等建筑堪称点式玻璃幕墙应用的典范。

按照点式玻璃幕墙的结构特征形式及发展历史将点式玻璃幕墙分为三类:

第一类是第一代:点式玻璃幕墙为夹板式或补丁式幕墙,其基本结构是在玻璃四角打孔,以矩形金属板及螺栓内外夹紧固定,位于内侧的金属板再与支撑结构连接,玻璃通过夹板承接并将自重力和其他荷载力传至支撑结构及建筑结构上。

夹板式连接方法因其金属夹板与玻璃接触面较大,限制玻璃在风压作用下的均匀弯曲变形,在金属板与玻璃接触边缘会造成较大的应力集中,且外观效果较差,因此目前已较少采用。

第二类是第二代:点式玻璃幕墙为皮尔金顿平面系统,其基本结构为在玻璃四角钻孔,然后用螺柱固定,为了减少钻孔部位的附加应力,在支撑结构连接处设置柔性垫片,并用弹簧支撑螺栓安装,形式有沉头式和浮头式两种。此种结构对外立面效果的改善做了很大的改进,但因其四角用螺栓直接与板后的支撑结构固定,螺栓连接处的自由位移空间较小,使钻孔边缘仍产生较大的附加应力,所以有逐渐被第三代结构所取代的趋势。

第三类是第三代:点式玻璃幕墙为铰接螺栓,连接固定方式,又称拉维来特式系统。基本结构仍为在玻璃四角钻孔,用螺栓固定,与皮尔金顿系统不同的是连接螺栓采用球铰状螺栓紧固玻璃,球铰螺栓可在±10°范围内转动,其转动中心与玻璃板中心一致,这种上结构体系可大大减少连接处的附加弯矩,减少了因附加弯矩产生局部应力集中造成的玻璃破裂现象,使整个墙面在风压作用下更趋近一种柔性体系,缓和了风压对幕墙造成的破坏。

(二)点式玻璃屋顶应用于建筑

点式玻璃屋顶是另一种较为常见的点式玻璃技术应用于建筑的形式。同样是出于对通透性增强的考虑,采用点式玻璃技术作屋顶,能加大自然采光的程度。同时点式玻璃的支撑结构形式多样,设计灵活,而且施工便利,有利于设计出形式独特的建筑屋顶。

按照点式玻璃屋顶的支撑结构形式将点式玻璃屋顶分为5种:

1.全玻璃结构点式玻璃屋顶,主要案例:德国Arnhem展览馆;东京文化广场地铁站出口;Bretten某地铁站台。

2.拱、梁和刚架支撑的点式玻璃屋顶,主要案例:汉诺威Lindener Volksbank银行;莱比锡新展览馆中心大厅。

3.下张拉索式桁架支撑点式玻璃屋顶,主要案例:亚琛工大试验作品;斯图加特游乐中心。

4.空间杆系或索系统的点式玻璃屋顶,主要案例:伦敦Brackenhaus主入口雨篷;Eindhoven的Evoluon广场屋顶雕塑;巴黎卢浮宫倒金字塔;Gniebel的某办公室建筑。

全玻璃结构点式玻璃屋顶以玻璃作为主要结构支撑体系,钢构件仅作为连接用的点式构件或稳定构件。这种点式玻璃屋顶通透性最好,对自然采光量最大。但对玻璃强度与工程设计水平要求较高,因此应用不广。

将拱、梁和刚架支撑的点式玻璃屋顶作为一类,是因为这三种结构对屋顶来说,受力的方式较为接近。在通常情况下它们都由钢构件组成受拉的结构体系,再从钢构件上伸出点式构件连接玻璃,构造较为简单。这种点式玻璃屋顶和雨篷形式由于结构设计和构造的相对简单,应用较广。

下张拉索式桁架指由拉索在屋顶玻璃下方形成桁架体系中的拉杆结构,玻璃或钢杆作为桁架体系中的压杆,是一种特殊的桁架结构形式。同时它的杆件纤细,形式十分精美,同点式玻璃技术能很好地结合,从而表现出点式玻璃屋顶机械美学和光学通透性良好的特点,是近年来应用较多的一种点式玻璃屋顶形式。

空间杆系或索系统的点式玻璃屋顶是利用空间结构和点式玻璃技术结合形成的一种屋顶形式。点式玻璃技术和空间结构有很好的结合点,例如:点式构件的铰接能很好地满足空间结构这一柔性空间结构产生变形的要求;以及玻璃通过点式玻璃屋顶点式构件单片连接,施工和维护简单,而与整体结构无关;另外玻璃可以作为体系的压杆承载部分荷载,以减少额外构件数量,增大屋顶透明性。空间杆系或索系统的点式玻璃屋顶因此在跨度较大空间的应用上十分受欢迎。

但是整体来说,作为屋顶材料,玻璃的巨大自重与结构材料的重量对整个结构来说形成了巨大的弯距,这与幕墙结构是非常不同的,因此它对于结构的承载能力和稳定性都有更高的要求,除了在一些小型的雨棚或入口空间以外,我们看到的大多数点式玻璃屋顶的结构尺度与节点的密集程度都会较幕墙高得多。为了能够产生同样光明璀璨的光学效果,建筑师与结构设计师要付出更多的努力与尝试。

四、点式玻璃幕墙及采光顶设计应注意的问题

(一)点式玻璃幕墙方面应注意玻璃面板及支撑结构两方面

1.玻璃面板

玻璃面板的受力计算通常采用有限元和矩形板四角支撑力学模型两种方法。

有限元法的建模要尽量接近工程实际。采用铰接螺栓,四个角的旋转自由度约束可忽略不计,上面一个支撑点限制X、Y、Z向三个位移自由度,另一个点限制Y、Z向两个位移自由度。下面两个支撑点均限制Y向位移自由度。重力作用应叠加在Y向自由度中同时考虑。

四角支撑矩形板数学模型是一种简化的计算方法,可通过手算很快得出结果,但存在一些问题,如:(1)对玻璃四角固定位置的附加应力估计不足;(2)未考虑边缘效应;(3)对一边为金属槽一边为支撑点的玻璃安装方式因边界条件不同,计算结果与实际情况差异较大。

经过计算分析,在选择玻璃时,应特别注意以下几点:(1)最大应力部位均在长边中点,玻璃强度校核要以边缘强度为准;(2)最大挠度是随着玻璃长短边比值的变化而变化的,当长短边长度差别不大时,玻璃内应力分布趋于均匀,在确定玻璃尺寸时,以正方形玻璃最为有利,且相对挠度极限应不大于短边的1/100,绝对挠度值应不大于30mm;(3)玻璃厚度,采用浮头式紧固螺栓时应不小于6mm;采用沉头式紧固螺栓时应不小于10mm。如采用夹胶玻璃,外片玻璃厚度应不小于10mm,内片玻璃厚度应不小于6mm,内外片玻璃厚度不宜相差太大。

2.支撑结构

(1)鱼腹式或空腹式桁架在实践中常常将靠近玻璃的前管管径的选择较后管的管径大。其实,根据风压计算公式,支撑桁架所受正负风压相同,桁架横截面形状应为对称形状,这样才可保证桁架在承受负风压时挠度变形符合设计要求。

(2)鱼腹式或空腹式桁架横撑杆与主受力杆连接时不应穿通主杆管壁,横撑杆端部应切出与主杆接缝的相贯线后再与主杆焊接。焊接时,主杆材料与焊缝交接边缘不得出现咬肉现象,焊缝高度不应大于主杆管壁厚度。

(3)拉索桁架的钢索接近理想柔性杆件,只能承受同心轴向拉力。在某些节点拉索可能出现折转的部位,应在设计中采用正确的设计构造,防止受力方向与拉索轴线不同向的情况产生。拉索的几何形状、材料、节点等处要保持对称和一致。

(4)拉索强度计算时应将安装预应力计人钢索外力荷载一并考虑,且总荷载拉应力强度值不应大于钢索拉伸强度许用设计值。

(5)双层拉索结构自预应力状态算起,承力索的最大位移与其跨度之比不应大于1/250。

(6)拉索两端的牵拉固定装置要考虑钢索在自振和风力作用下的摆动,避免钢索根部出现因应力集中产生的疲劳断裂现象。

(7)钢索在使用前应进行预张拉,消除钢索受初始拉力时的非弹性变形现象。钢索在桁架上固定后在施予一定的张拉预应力,各条拉索的预施拉应力应相等,施加预应力时,要用扭力扳手控制拉索的张紧力一致。

(二)玻璃采光顶方面应注意面板、保温隔热性能、过热及屋面防排水等问题

1.玻璃采光顶最大的问题是保温隔热性能较差,如果室内外温差较大,容易产生冷凝水的滴落。解决冷凝水的问题有三种办法:首先是可以考虑采用双层玻璃,改善保温隔热的性能;其次是将玻璃顶设计成一定的坡度和弧度,并组织好完善的排水系统,一般地说,玻璃采光顶坡面与水平的夹角以不小于18度,不大于45度为宜;还有一种办法是将玻璃顶下面的墙体上留风缝或孔,让外面的冷空气渗入室内,使玻璃顶的内外侧温差减小,这种玻璃顶的下面难以形成凝结水,而且可以改善室内的空气质量,但要稍微损失一些能源。

2.由于屋顶覆盖在建筑物的最上面,因此玻璃顶的防水问题就特别突出。玻璃采光顶的防水和排水是靠玻璃和杆件经过构造处理而形成的,防水性能的好坏与构造组织的好坏有很大关系。

玻璃采光顶屋面防水基本方法,归纳起来有两种:“导”即利用玻璃采光顶的坡度,将顶面雨水因势利导地迅速排除,使渗漏的可能性缩到最小范围。“堵”即利用防水材料,堵塞玻璃与杆件间的缝隙,要求无缝、无孔,以防止雨水渗漏。导与堵二者,导是主要方面,防水效果好,省工、省料,因此综合处理玻璃采光顶防水时,应以导为主,以堵为辅,导堵结合。

不管什么形式的采光顶,排水都是十分重要的,因为如果玻璃采光顶排水系统设计紊乱或排水的细部处理不当,造成排水不畅或积水,都是产生渗漏的因素,长期积水会使密封胶老化,所以对玻璃采光顶的排水问题应予足够的重视。

玻璃采光顶排水设计主要解决以下两个问题:(1)决定适宜的排水坡度为了排除雨水,玻璃采光顶需要一定的排水坡度,坡度越大,排水就越畅快。但当坡度相当大时,会给施工和结构布置造成不利条件,因此根据具体要求确定一个合适的坡度是很重要的。玻璃采光顶的坡度是由多方面因素决定的,其中地区降水量,玻璃采光顶的体形、尺寸和结构构造形式对玻璃采光顶坡度影响最大,玻璃采光顶内侧冷凝水的排泄和玻璃采光顶的自净也是必须考虑的重要因素,一般地说,玻璃采光顶坡面与水平的夹角以不小于18度,不大于45度为宜。(2)合理组织排水系统合理组织排水系统,主要是确定玻璃采光顶的排水方向和檐口排水方式。为了使雨水迅速排除,玻璃采光顶的排水方向应该直接明确,减少转折。

3.玻璃采光顶的玻璃。玻璃采光顶的玻璃应采用安全玻璃,如钢化玻璃、热反射夹层玻璃、中空玻璃、夹胶玻璃。

4.玻璃采光顶的眩光、过热问题。当采用普通夹层玻璃时,太阳光透射率及传热系数均较大,且直射的太阳光使人眩目;而采用热反射夹层玻璃,由于单向透像性能,能防止眩目,且传热系数较低。另外采用在采光顶的内侧加遮阳膜、适当地增加室内的绿化也可以有效地避免眩光、过热问题。

五、玻璃幕墙应用中应考虑的问题

在一条街规划中编制它的光环境规划,限制在并列的和相对的建筑物上采用全部玻璃幕墙。要根据玻璃幕的一些参数选择适用的玻璃,诸如建造地点的光气候参数,对可见光的透射系数、反射系数、对日光的透射系数、反射系数和吸收系数、热透射系数、热膨胀系数,以及厚度、最大尺寸、重量、抗风力等,这些参数能够提供出可供选用的玻璃幕墙性能。直射日光的反射光的产生方向取决于玻璃面对太阳位置的几何位置关系,使反射光向天空散溢,而不入射到街道或人行道上。

从外部环境考虑遮光设施,例如在人行道旁种植街道树,在建筑物的周围种植树木等,使反射光被树木吸收,减少反射光的危害性。

综上所述,玻璃幕墙在现代建筑中具有十分诱人的魅力, 建造玻璃幕墙已经成为一种时尚,但是从城市防灾、保持合理的光环境、热环境和生态平衡等众多方面考虑,今后建造玻璃幕墙应有所选择,不能盲目选用。

六、结语

玻璃幕墙是当代的一种新型墙体,它赋予建筑的最大特点是将建筑美学、建筑功能、建筑节能和建筑结构等因素有机地统一起来,建筑物从不同角度呈现出不同的色调,随阳光、月色、灯光的变化给人以动态的美。在世界各大洲的主要城市均建有宏伟华丽的玻璃幕墙建筑,如纽约世界贸易中心、芝加哥石油大厦、西尔斯大厦都采用了玻璃幕墙。香港中国银行大厦、北京长城饭店和上海联谊大厦也相继采用。当然,玻璃幕墙也存在着一些局限性,例如光污染、能耗较大等问题。但这些问题随着新材料、新技术的不断出现,正逐步纳入到建筑造型、建筑材料、建筑节能的综合研究体系中,作为一个整体的设计问题加以深入的探讨。

参考文献

[1]Francisco Asensio Cerver.The architecture of Glass:Shaping Light,Arco,1997.

[2]P.Rice & H.Dutton.Transparente Architectur–Glasfassaden mit Structural Glazing,Birkhaeuser,1995.

[3]James Carpenter.讲演和教学.

[4]A.Compagno:Interlligente Glasfassaden,Birkhaeuser,2000.

[5]殷永炜,等.点支式玻璃结构体系发展概况及技术评述.