双中空玻璃幕墙在中信大厦中的应用

秦继红，徐 立

(中信和业投资有限公司，北京 100026)

1 工程概况

1.1 项目概况

中信大厦位于北京市商务中心区核心区，东至金和东路，南邻规划中的绿地，西至金和路，北至光华路，项目规划用地面积11 478m2，总建筑面积43.7万m2，其中地上35万m2，地下8.7万m2；建筑高度528m，地上108层，地下8层，深度达40m，基础桩深100m，是北京最高且最深的建筑。以办公为主，为集会议、观光及多功能商业的超高层智能化建筑，该工程于2013年7月30日开工，2018年12月20日完工。建筑效果如图1所示。

1.2 结构形式

主体结构形式为内筒采用钢骨劲性混凝土结构(型钢柱、钢板剪力墙)，外筒采用由混凝土巨型柱、巨型斜撑和带状桁架组成的三维巨型框架结构，结构钢材最高材质为Q390GJC，厚度达120mm，是世界上唯一一幢结构高度>500m、抗震设防烈度为8度的超高层建筑。

1.3 幕墙系统

幕墙系统形式多样，包含单元式幕墙系统、框架式幕墙系统、半单元式幕墙系统、巨柱区域的锌板系统、拉索幕墙系统、观光入口玻璃及石材幕墙系统。面积占比最大的标准层可视区域采用双中空超白夹胶Low-E 玻璃；窗间墙采用夹胶中空超白 Low-E 玻璃及氟碳喷涂铝背衬板，外立面设置通长竖向铝合金装饰翼，擦窗机导轨隐藏于竖向铝合金装饰翼槽口内，与擦窗机导向轮配合紧密连接、安全可靠，全彩LED灯带隐藏于竖向次肋，是拉索幕墙设置高度(503～522m)最高建筑。

2 幕墙设计选择

2.1 幕墙造型需要

中信大厦在设计造型的同时兼顾了城市效果、结构限制及功能需求，需解决位于8度抗震设防区的技术难度外，主要设计难题为如何以中国传统礼器“樽”为主题，创作出既与古都历史面貌相呼应，又面向未来并富有动态和曲线形体创意的首都新地标，同时要在高度上超越同样在8度抗震设防区高度>500m的台北101大厦。经组织多家设计单位反复研讨、对比和论证，在完成的14个设计方案中最终选择平面为圆角方形，塔楼底部宽78m、中部收分处宽54m、顶部宽69m的方案。各层轮廓尺寸因塔楼外形曲线变化而略有不同，自下而上自然缩小，顶部逐渐放大，最终形成中部有收分曲线形建筑。

2.2 玻璃幕墙方案论证

超高层建筑空调系统能耗巨大，占大厦运营总能耗55%以上。为降低超高层项目运营成本，经测算及论证，提高幕墙系统热工性能，降低系统能耗是性价比最好的解决措施。针对如何提高系统热工性能，选择3个方案进行综合比对。

2.2.1方案1 增加中空层厚度并填充惰性气体

对中空玻璃中空层进行针对性优化，能起到提高幕墙热工性能的作用。将最初设计的中空层常规厚度12mm提高至16mm甚至20mm，经测算，能小幅度提高传热系数U值；在中空层中充入惰性气体氩气或氦气，能显著提高U值。但中空层内惰性气体带来的性能提升，只在实验室能有效检测。在实际工程中，惰性气体的填充质量很难控制，对热工性能的直接影响也不易测量。虽然玻璃制造工艺水平稳步提高，但截至目前，惰性气体在中空层的逸散问题仍未得到有效解决。试验观察发现，当幕墙板块安装完毕，中空层内惰性气体即因温度冷热循环而开始逸散，当惰性气体逸散至填充量80%后，即认为中空玻璃性能不能达到设计标准。根据国内外一流幕墙厂家制作经验，在现有最好的填充工艺和玻璃封边技术条件下，投入使用5年后的中空玻璃，将因惰性气体逸散而导致热工性能显著下降。

2.2.2方案2 采用双层幕墙系统

双层幕墙也称主动式幕墙，通过内、外2层相对独立幕墙构造形成空气墙，阻断室内外热交换。双层幕墙分为内循环式、外循环式和混合式，优点为隔热、隔声效果好，缺点为构造复杂、造价高、维护成本高，特别是室内实用空间占用大。中信大厦7～102层为办公楼层，总周长>25km。若采用双层幕墙系统，则需在室内侧沿每层楼板边缘向内收，大幅增加幕墙系统厚度，减少室内办公可使用面积；若采用内循环双层幕墙，幕墙系统厚度需增加300mm，将占用室内可使用面积约7 650m2；若采用外循环幕墙，幕墙系统厚度需增加600mm，将占用室内可使用面积约15 300m2。因此，采用双层幕墙整体将降低大厦出房率，降低使用品质。

2.2.3方案3 采用单中空玻璃与双中空玻璃论证

双中空玻璃幕墙构造简单，性能稳定。仅在原设计单中空玻璃方案上增设1道12mm厚中空层和1片8mm厚钢化玻璃，与单中空玻璃幕墙系统对比，仅改变了玻璃配置，未提高幕墙系统构造复杂程度。无需考虑中空层充入惰性气体的性能逐年下降，也不会大幅度减少室内可用空间面积。国内同类超高层建设项目中，中空玻璃为普遍选择，根据国内一线工业玻璃供应单位提供的资料显示，中空玻璃根据不同镀膜，传热系数U为1.4～1.6。采用双中空玻璃，U可控制在1.2～1.3，能有效将热工性能全面提升，是幕墙系统的理想解决方案。

为确保幕墙整体性能，组织幕墙顾问、节能顾问、设计单位、物业运维公司、幕墙实施单位在遮阳系数、隔热性能、隔声、舒适度、造价及节能持续性等多方面对双中空玻璃和单中空玻璃综合分析比对，双中空玻璃综合性能均优于单中空玻璃，最终在标准办公楼层全面采用双中空玻璃，这在同类超高层项目中尚属首次。双中空玻璃在建设期比单中空玻璃投入的成本增加1 000万元，经测算，后期运营过程中，即使在未来能源价格不上涨的前提下，通过节约能源约经过10年即可收回投资；如能源价格持续上涨，投资回报期将大幅缩减。

钢化玻璃自爆无法避免，若采用双中空玻璃，优势会突显：因幕墙玻璃自爆破损后，更换玻璃的材料成本和措施费用极高，备货及更换时间至少45d，在此期间给客户造成压力及不便导致办公效率降低。

在运维阶段，若采用3层4片双中空玻璃，即使外层某片玻璃发生破损，PVB胶片能保障外层玻璃在更换前不散落，不影响正常使用；若中间层玻璃破损，不会产生安全隐患，且幕墙常规隔热功能完整，不影响正常使用；若内层玻璃破损，存在玻璃散落风险，可能造成客户使用中的紧张情绪，但因采用双中空玻璃，可破除内层破损玻璃，消除安全风险，仍具备幕墙常规隔热功能，也不影响正常使用，如图2所示。

图2 双中空玻璃示意

经多次方案对比和论证，最终采用双中空夹胶玻璃，性能对比如表1所示。

表1 玻璃幕墙方案性能对比

3 幕墙设计

3.1 幕墙视觉样板

2012年，中信大厦初步设计图纸完成后，为确保大厦整体外观效果，通过招标选取幕墙样板施工单位，在其加工厂按初步幕墙图纸进行视觉样板安装。视觉样板安装完成后(见图3)，通过效果对比，确定大厦整体外立面建筑设计方案，不同部位玻璃配置及膜系，拉索幕墙系统索具表面处理方式，铝板及铝型材颜色、表面处理等细节，明确系统细部构造节点做法并限定玻璃等主要材料供应商的范围，从而锁定幕墙系统成本，为幕墙工程设计、招标和实施奠定坚实基础。

图3 幕墙分布及视觉样板

3.2 标准楼层设计

根据抗震和抗风摆功能和安全要求，幕墙整体采用单元式幕墙体系，除首层人员进出大门和设备层通风口开口，其余部位均封闭。为完美拟合外立面双曲面造型并满足安装工艺，将大厦每层幕墙分隔为 192个单元体，由于位置不同，每块幕墙板块均存在差异。

基于大厦设计理念和造型特点，为达到44%通透率和高效热工性能，以达到大厦外装饰节能效果并兼顾幕墙清洁、维护及楼体景观照明等功能需求，需将楼体外立面设计得简洁流畅，但为增强表皮肌理丰富性，外表皮设计借鉴了古代“樽”的肌理构成技巧，以竖向铝合金装饰翼造型和主次层次化处理，强调弧形体量变化效果。主次间隔2种铝合金型材竖条，主装饰翼宽度沿竖向渐变，形成微收分和拉伸的外壳肌理(见图4)，与大厦形体渐变形成整体和局部呼应关系。不仅在竖向增强了大厦造型效果，而且横向一致性有助于平边与弯角之间的平缓过渡。铝合金装饰翼断面为上下统一的三角形，起到一定遮阳效果，同时起到减轻设备层通风口突出性。擦窗机导轨上下连贯设置于装饰翼中缝，次肋条上下尺寸不变，内部嵌有3条线形全彩LED灯具，其中左右2条用于照射两侧主装饰翼，中部1条RGB灯带直射发光，构成大厦楼体景观照明系统。

图4 双中空玻璃幕墙造型

3.3 塔冠及裙摆幕墙设计

大厦105层以上为观光等多功能商业区域，包括 106 层高度>20m的360°观光大厅。此处幕墙边线高低起伏，最高约24m，由竖向钢桁架支撑，幕墙主肋条连续至顶，但次肋条在其下停止，并由含水平肋板支撑的拉索系统取代，增强了可视部分光线和景观通透性。整个塔冠采用曲线造型，将顶部天际线设计为波浪形，富有动态。

大厦4层以下为大堂、会议及部分商业区域，在底部造型设计中，为体现裙边起伏波动，并与顶部曲线造型上下呼应，裙边采用一体化的雨篷造型，通过在大部分弯曲部位做鳞片形态设计处理，将幕墙简化为平整板块间的错落衔接(见图5)，简化了建造及更换的复杂性，减少了幕墙结构因温度变化而热胀冷缩导致玻璃板块变形或损坏，降低成本。

图5 塔冠及裙摆幕墙造型

4 幕墙安装

4.1 标准楼层幕墙安装

为缩短总工期，需幕墙单元板安装与主体结构施工同步实施，为确保施工安全，必须采用硬质隔离作为防护平台，利用可调节环形轨道进行幕墙单元板安装。

大厦主体共划分为9个施工段，其中标准楼层为7～104层，为其中7个施工段。安装前，分别在16，28，42，56，72，86，102层搭设外挑3.5m硬质安全防护，在硬防护下2层即14，26，40，54，70，84，100层分别安装特制固定悬挑2.5m、最大悬挑3.35m可调节双排环形轨道，利用电动葫芦在环形轨道移动进行幕墙单元板块吊装(见图6)。

图6 采用可调节环形轨道现场安装示意

标准楼层每层单元幕墙板块共 192个单元，包括64块铝合金大装饰翼和128块玻璃板块，其中玻璃单元板块标准尺寸为：宽1 500～2 100mm，高4 500mm 或5 000mm。 根据每天楼层及幕墙单元板块安装顺序，提前将待安装幕墙单元板块运抵现场，采用塔式起重机将单元板块吊运至楼层暂时存放，将待安装单元板块钢丝绳与电动葫芦挂钩连接，系好防风锁扣，缓慢启动电动葫芦，使单元板块沿钢丝绳缓慢提升，单元板块吊出楼层后，翻转180°，在环形轨道左右移动至安装位置后，缓慢向下吊运，进行插接就位安装，吊点在安装到位后方可解开。标准楼层每块单元板块均采用该方法准确安装就位，保证了施工安全、质量品质和工程进度。

4.2 塔冠幕墙安装

105层及以上塔冠部位单元板块共2 304块，主要根据结构造型自行设计及拥有自主专利的4台行走悬臂式吊装施工设备进行吊装(见图7)，75d完成塔冠幕墙单元板块安装。

图7 采用行走悬臂式吊装设备现场安装示意

4.3 裙摆幕墙安装

6层及以下裙摆部位单元板块共2 484块，主要利用满堂红脚手架+汽车式起重机或卷扬机方式进行吊装(见图8)，90d完成幕墙安装。

图8 采用满堂脚手架+汽车式起重机现场安装示意

5 施工效果

1)通过标准化设计流程，系统性解决幕墙性能、擦窗机导轨、夜景照明等技术难题，成功解决了不规则变化单元体设计、加工、组装、吊运和安装等复杂问题，保证安装精度及视觉效果。

2)幕墙窗墙比为0.44，系统U值控制在1.92W/(m2·K)，气密性满足国标4级(中国规范中最高要求)和美标ASTME283，在6.24psf (300Pa)气压差下，漏气率≤0.018 2m3/(min·m2)，在同类超高层项目中最优。

3)双中空幕墙完成后实测办公区平均噪声为 32dB(A),低于设计值45dB(A)。

4)双中空玻璃的应用实践证明，在玻璃板块总厚度受到限制的前提下，双中空配置为结合建筑美学、空间占用及热工性能的最佳选择。

6 结语

在位于8度抗震设防区，采用双中空玻璃幕墙的超高层建筑尚属首次，无任何成熟经验可借鉴，中信大厦经过多方论证、精心设计、综合选择、合理组织安装，克服了安装工序相互影响、相互搭接和众多单位配合等难题，在30个月的极限工期内，实现了交付使用目标。