論現(xiàn)代建筑中的玻璃幕墻

全　波

摘要:玻璃幕墻在現(xiàn)代建筑中具有十分誘人的魅力,建造玻璃幕墻已經(jīng)成為一種時尚,文章闡述了建筑玻璃幕墻的基本概況,以點式玻璃幕墻為例分析在建筑中的使用,文章最后介紹玻璃幕墻應用中的一些注意事項。

關(guān)鍵詞:玻璃幕墻;現(xiàn)代建筑;金屬鍍膜

中圖分類號:TV767 文獻標識碼:A

文章編號:1674-1145(2009)24-0128-03

一、玻璃幕墻介紹

玻璃幕墻是指由支撐結(jié)構(gòu)體系與玻璃組成的、可相對主體結(jié)構(gòu)有一定位移能力、不分擔主體結(jié)構(gòu)所受作用的建筑外圍護結(jié)構(gòu)或裝飾結(jié)構(gòu)。有單層和雙層玻璃的墻體。反光絕緣玻璃厚6毫米,墻面自重約40kg/m2,有輕巧美觀、不易污染、節(jié)約能源等優(yōu)點。幕墻外層玻璃的里側(cè)涂有彩色的金屬鍍膜,從外觀上看整片外墻猶如一面鏡子,將天空和周圍環(huán)境的景色映入其中,光線變化時,影像色彩斑斕、變化無窮。在光線的反射下,室內(nèi)不受強光照射,視覺柔和。中國1983年首次在北京長城飯店工程中采用。去過美國紐約的人大凡會被其繁華的都市風貌所折服,那高聳入云的摩天大樓蔚為壯觀,而其通體的玻璃幕墻映襯出空明的藍天和飄舞的白云,更為之增添了絢麗的色彩。那么,玻璃幕墻是怎么做成的呢?玻璃幕墻是指作為建筑外墻裝潢的鏡面玻璃,它是在浮法玻璃組成中添加微量的Fe、Ni、Co、Se等,并經(jīng)鋼化制成顏色透明板狀玻璃,它可吸收紅外線,減少進入室內(nèi)的太陽輻射,降低室內(nèi)溫度。它既能像鏡子一樣反射光線,又能像玻璃一樣透過光線。

二、玻璃幕墻分類

玻璃幕墻主要包括:(1)明框玻璃幕墻,是金屬框架構(gòu)件顯露在外表面的玻璃幕墻。它以特殊斷面的鋁合金型材為框架,玻璃面板全嵌入型材的凹槽內(nèi)。(2)隱框玻璃幕墻:隱框玻璃幕墻的金屬框隱蔽在玻璃的背面,室外看不見金屬框。(3)點式玻璃幕墻:點式玻璃幕墻是近年來新出現(xiàn)的一種支撐方式。但一經(jīng)出現(xiàn),在城市發(fā)展很快。本文僅對點式玻璃幕墻進行分析。

點式玻璃是用金屬連接桿和緊固件將建筑玻璃和金屬(或玻璃)支撐結(jié)構(gòu)連接成整體的新型組合式建筑結(jié)構(gòu)形式。根據(jù)不同的情況和設計要求,玻璃可以部分承重,因而減少結(jié)構(gòu)構(gòu)件對于空間的占用和光線的阻擋。同時通過纖細的金屬桿件同純凈的玻璃的對比,使建筑形象更加透明和精細。這種建筑體系不但可以適應不同建筑類型,而且還能應用到建筑的各個局部,大到屋頂、幕墻,小至欄桿和樓梯,包括室內(nèi)裝飾構(gòu)件都可以用這種體系來表達。

三、點式玻璃幕墻及采光頂在現(xiàn)代建筑中的應用

(一)點式玻璃幕墻

點式玻璃幕墻又稱點駁接玻璃幕墻、點支式玻璃幕墻、點式無框玻璃幕墻、拉維來特玻璃幕墻等,是于20世紀六七十年代首先在國外開發(fā)出來的新型幕墻結(jié)構(gòu)安裝體系,是隨著玻璃物理性能和玻璃加工的提高及建筑事業(yè)的發(fā)展而產(chǎn)生和不斷完善的。點式玻璃幕墻充分利用了玻璃材料通透的特性,使建筑物內(nèi)外空間融為一體,擴大了建筑物內(nèi)部的空間感,同時也從外立面效果顯示了建筑的結(jié)構(gòu)美。巴黎羅浮宮玻璃金字塔、法國拉維來特科學城、德國萊比錫展覽中心以及我國的上海大劇院等建筑堪稱點式玻璃幕墻應用的典范。

按照點式玻璃幕墻的結(jié)構(gòu)特征形式及發(fā)展歷史將點式玻璃幕墻分為三類:

第一類是第一代:點式玻璃幕墻為夾板式或補丁式幕墻,其基本結(jié)構(gòu)是在玻璃四角打孔,以矩形金屬板及螺栓內(nèi)外夾緊固定,位于內(nèi)側(cè)的金屬板再與支撐結(jié)構(gòu)連接,玻璃通過夾板承接并將自重力和其他荷載力傳至支撐結(jié)構(gòu)及建筑結(jié)構(gòu)上。

夾板式連接方法因其金屬夾板與玻璃接觸面較大,限制玻璃在風壓作用下的均勻彎曲變形,在金屬板與玻璃接觸邊緣會造成較大的應力集中,且外觀效果較差,因此目前已較少采用。

第二類是第二代:點式玻璃幕墻為皮爾金頓平面系統(tǒng),其基本結(jié)構(gòu)為在玻璃四角鉆孔,然后用螺柱固定,為了減少鉆孔部位的附加應力,在支撐結(jié)構(gòu)連接處設置柔性墊片,并用彈簧支撐螺栓安裝,形式有沉頭式和浮頭式兩種。此種結(jié)構(gòu)對外立面效果的改善做了很大的改進,但因其四角用螺栓直接與板后的支撐結(jié)構(gòu)固定,螺栓連接處的自由位移空間較小,使鉆孔邊緣仍產(chǎn)生較大的附加應力,所以有逐漸被第三代結(jié)構(gòu)所取代的趨勢。

第三類是第三代:點式玻璃幕墻為鉸接螺栓,連接固定方式,又稱拉維來特式系統(tǒng)。基本結(jié)構(gòu)仍為在玻璃四角鉆孔,用螺栓固定,與皮爾金頓系統(tǒng)不同的是連接螺栓采用球鉸狀螺栓緊固玻璃,球鉸螺栓可在±10°范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動,其轉(zhuǎn)動中心與玻璃板中心一致,這種上結(jié)構(gòu)體系可大大減少連接處的附加彎矩,減少了因附加彎矩產(chǎn)生局部應力集中造成的玻璃破裂現(xiàn)象,使整個墻面在風壓作用下更趨近一種柔性體系,緩和了風壓對幕墻造成的破壞。

(二)點式玻璃屋頂應用于建筑

點式玻璃屋頂是另一種較為常見的點式玻璃技術(shù)應用于建筑的形式。同樣是出于對通透性增強的考慮,采用點式玻璃技術(shù)作屋頂,能加大自然采光的程度。同時點式玻璃的支撐結(jié)構(gòu)形式多樣,設計靈活,而且施工便利,有利于設計出形式獨特的建筑屋頂。

按照點式玻璃屋頂?shù)闹谓Y(jié)構(gòu)形式將點式玻璃屋頂分為5種:

1.全玻璃結(jié)構(gòu)點式玻璃屋頂,主要案例:德國Arnhem展覽館;東京文化廣場地鐵站出口;Bretten某地鐵站臺。

2.拱、梁和剛架支撐的點式玻璃屋頂,主要案例:漢諾威Lindener Volksbank銀行;萊比錫新展覽館中心大廳。

3.下張拉索式桁架支撐點式玻璃屋頂,主要案例:亞琛工大試驗作品;斯圖加特游樂中心。

4.空間桿系或索系統(tǒng)的點式玻璃屋頂,主要案例:倫敦Brackenhaus主入口雨篷;Eindhoven的Evoluon廣場屋頂?shù)袼?巴黎盧浮宮倒金字塔;Gniebel的某辦公室建筑。

全玻璃結(jié)構(gòu)點式玻璃屋頂以玻璃作為主要結(jié)構(gòu)支撐體系,鋼構(gòu)件僅作為連接用的點式構(gòu)件或穩(wěn)定構(gòu)件。這種點式玻璃屋頂通透性最好,對自然采光量最大。但對玻璃強度與工程設計水平要求較高,因此應用不廣。

將拱、梁和剛架支撐的點式玻璃屋頂作為一類,是因為這三種結(jié)構(gòu)對屋頂來說,受力的方式較為接近。在通常情況下它們都由鋼構(gòu)件組成受拉的結(jié)構(gòu)體系,再從鋼構(gòu)件上伸出點式構(gòu)件連接玻璃,構(gòu)造較為簡單。這種點式玻璃屋頂和雨篷形式由于結(jié)構(gòu)設計和構(gòu)造的相對簡單,應用較廣。

下張拉索式桁架指由拉索在屋頂玻璃下方形成桁架體系中的拉桿結(jié)構(gòu),玻璃或鋼桿作為桁架體系中的壓桿,是一種特殊的桁架結(jié)構(gòu)形式。同時它的桿件纖細,形式十分精美,同點式玻璃技術(shù)能很好地結(jié)合,從而表現(xiàn)出點式玻璃屋頂機械美學和光學通透性良好的特點,是近年來應用較多的一種點式玻璃屋頂形式。

空間桿系或索系統(tǒng)的點式玻璃屋頂是利用空間結(jié)構(gòu)和點式玻璃技術(shù)結(jié)合形成的一種屋頂形式。點式玻璃技術(shù)和空間結(jié)構(gòu)有很好的結(jié)合點,例如:點式構(gòu)件的鉸接能很好地滿足空間結(jié)構(gòu)這一柔性空間結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形的要求;以及玻璃通過點式玻璃屋頂點式構(gòu)件單片連接,施工和維護簡單,而與整體結(jié)構(gòu)無關(guān);另外玻璃可以作為體系的壓桿承載部分荷載,以減少額外構(gòu)件數(shù)量,增大屋頂透明性?？臻g桿系或索系統(tǒng)的點式玻璃屋頂因此在跨度較大空間的應用上十分受歡迎。

但是整體來說,作為屋頂材料,玻璃的巨大自重與結(jié)構(gòu)材料的重量對整個結(jié)構(gòu)來說形成了巨大的彎距,這與幕墻結(jié)構(gòu)是非常不同的,因此它對于結(jié)構(gòu)的承載能力和穩(wěn)定性都有更高的要求,除了在一些小型的雨棚或入口空間以外,我們看到的大多數(shù)點式玻璃屋頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)尺度與節(jié)點的密集程度都會較幕墻高得多。為了能夠產(chǎn)生同樣光明璀璨的光學效果,建筑師與結(jié)構(gòu)設計師要付出更多的努力與嘗試。

四、點式玻璃幕墻及采光頂設計應注意的問題

(一)點式玻璃幕墻方面應注意玻璃面板及支撐結(jié)構(gòu)兩方面

1.玻璃面板

玻璃面板的受力計算通常采用有限元和矩形板四角支撐力學模型兩種方法。

有限元法的建模要盡量接近工程實際。采用鉸接螺栓,四個角的旋轉(zhuǎn)自由度約束可忽略不計,上面一個支撐點限制X、Y、Z向三個位移自由度,另一個點限制Y、Z向兩個位移自由度。下面兩個支撐點均限制Y向位移自由度。重力作用應疊加在Y向自由度中同時考慮。

四角支撐矩形板數(shù)學模型是一種簡化的計算方法,可通過手算很快得出結(jié)果,但存在一些問題,如:(1)對玻璃四角固定位置的附加應力估計不足;(2)未考慮邊緣效應;(3)對一邊為金屬槽一邊為支撐點的玻璃安裝方式因邊界條件不同,計算結(jié)果與實際情況差異較大。

經(jīng)過計算分析,在選擇玻璃時,應特別注意以下幾點:(1)最大應力部位均在長邊中點,玻璃強度校核要以邊緣強度為準;(2)最大撓度是隨著玻璃長短邊比值的變化而變化的,當長短邊長度差別不大時,玻璃內(nèi)應力分布趨于均勻,在確定玻璃尺寸時,以正方形玻璃最為有利,且相對撓度極限應不大于短邊的1/100,絕對撓度值應不大于30mm;(3)玻璃厚度,采用浮頭式緊固螺栓時應不小于6mm;采用沉頭式緊固螺栓時應不小于10mm。如采用夾膠玻璃,外片玻璃厚度應不小于10mm,內(nèi)片玻璃厚度應不小于6mm,內(nèi)外片玻璃厚度不宜相差太大。

2.支撐結(jié)構(gòu)

(1)魚腹式或空腹式桁架在實踐中常常將靠近玻璃的前管管徑的選擇較后管的管徑大。其實,根據(jù)風壓計算公式,支撐桁架所受正負風壓相同,桁架橫截面形狀應為對稱形狀,這樣才可保證桁架在承受負風壓時撓度變形符合設計要求。

(2)魚腹式或空腹式桁架橫撐桿與主受力桿連接時不應穿通主桿管壁,橫撐桿端部應切出與主桿接縫的相貫線后再與主桿焊接。焊接時,主桿材料與焊縫交接邊緣不得出現(xiàn)咬肉現(xiàn)象,焊縫高度不應大于主桿管壁厚度。

(3)拉索桁架的鋼索接近理想柔性桿件,只能承受同心軸向拉力。在某些節(jié)點拉索可能出現(xiàn)折轉(zhuǎn)的部位,應在設計中采用正確的設計構(gòu)造,防止受力方向與拉索軸線不同向的情況產(chǎn)生。拉索的幾何形狀、材料、節(jié)點等處要保持對稱和一致。

(4)拉索強度計算時應將安裝預應力計人鋼索外力荷載一并考慮,且總荷載拉應力強度值不應大于鋼索拉伸強度許用設計值。

(5)雙層拉索結(jié)構(gòu)自預應力狀態(tài)算起,承力索的最大位移與其跨度之比不應大于1/250。

(6)拉索兩端的牽拉固定裝置要考慮鋼索在自振和風力作用下的擺動,避免鋼索根部出現(xiàn)因應力集中產(chǎn)生的疲勞斷裂現(xiàn)象。

(7)鋼索在使用前應進行預張拉,消除鋼索受初始拉力時的非彈性變形現(xiàn)象。鋼索在桁架上固定后在施予一定的張拉預應力,各條拉索的預施拉應力應相等,施加預應力時,要用扭力扳手控制拉索的張緊力一致。

(二)玻璃采光頂方面應注意面板、保溫隔熱性能、過熱及屋面防排水等問題

1.玻璃采光頂最大的問題是保溫隔熱性能較差,如果室內(nèi)外溫差較大,容易產(chǎn)生冷凝水的滴落。解決冷凝水的問題有三種辦法:首先是可以考慮采用雙層玻璃,改善保溫隔熱的性能;其次是將玻璃頂設計成一定的坡度和弧度,并組織好完善的排水系統(tǒng),一般地說,玻璃采光頂坡面與水平的夾角以不小于18度,不大于45度為宜;還有一種辦法是將玻璃頂下面的墻體上留風縫或孔,讓外面的冷空氣滲入室內(nèi),使玻璃頂?shù)膬?nèi)外側(cè)溫差減小,這種玻璃頂?shù)南旅骐y以形成凝結(jié)水,而且可以改善室內(nèi)的空氣質(zhì)量,但要稍微損失一些能源。

2.由于屋頂覆蓋在建筑物的最上面,因此玻璃頂?shù)姆浪畣栴}就特別突出。玻璃采光頂?shù)姆浪团潘强坎ＡШ蜅U件經(jīng)過構(gòu)造處理而形成的,防水性能的好壞與構(gòu)造組織的好壞有很大關(guān)系。

玻璃采光頂屋面防水基本方法,歸納起來有兩種:“導”即利用玻璃采光頂?shù)钠露?將頂面雨水因勢利導地迅速排除,使?jié)B漏的可能性縮到最小范圍?！岸隆奔蠢梅浪牧?堵塞玻璃與桿件間的縫隙,要求無縫、無孔,以防止雨水滲漏。導與堵二者,導是主要方面,防水效果好,省工、省料,因此綜合處理玻璃采光頂防水時,應以導為主,以堵為輔,導堵結(jié)合。

不管什么形式的采光頂,排水都是十分重要的,因為如果玻璃采光頂排水系統(tǒng)設計紊亂或排水的細部處理不當,造成排水不暢或積水,都是產(chǎn)生滲漏的因素,長期積水會使密封膠老化,所以對玻璃采光頂?shù)呐潘畣栴}應予足夠的重視。

玻璃采光頂排水設計主要解決以下兩個問題:(1)決定適宜的排水坡度為了排除雨水,玻璃采光頂需要一定的排水坡度,坡度越大,排水就越暢快。但當坡度相當大時,會給施工和結(jié)構(gòu)布置造成不利條件,因此根據(jù)具體要求確定一個合適的坡度是很重要的。玻璃采光頂?shù)钠露仁怯啥喾矫嬉蛩貨Q定的,其中地區(qū)降水量,玻璃采光頂?shù)捏w形、尺寸和結(jié)構(gòu)構(gòu)造形式對玻璃采光頂坡度影響最大,玻璃采光頂內(nèi)側(cè)冷凝水的排泄和玻璃采光頂?shù)淖詢粢彩潜仨毧紤]的重要因素,一般地說,玻璃采光頂坡面與水平的夾角以不小于18度,不大于45度為宜。(2)合理組織排水系統(tǒng)合理組織排水系統(tǒng),主要是確定玻璃采光頂?shù)呐潘较蚝烷芸谂潘绞?。為了使雨水迅速排?玻璃采光頂?shù)呐潘较驊撝苯用鞔_,減少轉(zhuǎn)折。

3.玻璃采光頂?shù)牟Ａ?。玻璃采光頂?shù)牟Ａ捎冒踩Ａ?如鋼化玻璃、熱反射夾層玻璃、中空玻璃、夾膠玻璃。

4.玻璃采光頂?shù)难９?、過熱問題。當采用普通夾層玻璃時,太陽光透射率及傳熱系數(shù)均較大,且直射的太陽光使人眩目;而采用熱反射夾層玻璃,由于單向透像性能,能防止眩目,且傳熱系數(shù)較低。另外采用在采光頂?shù)膬?nèi)側(cè)加遮陽膜、適當?shù)卦黾邮覂?nèi)的綠化也可以有效地避免眩光、過熱問題。

五、玻璃幕墻應用中應考慮的問題

在一條街規(guī)劃中編制它的光環(huán)境規(guī)劃,限制在并列的和相對的建筑物上采用全部玻璃幕墻。要根據(jù)玻璃幕的一些參數(shù)選擇適用的玻璃,諸如建造地點的光氣候參數(shù),對可見光的透射系數(shù)、反射系數(shù)、對日光的透射系數(shù)、反射系數(shù)和吸收系數(shù)、熱透射系數(shù)、熱膨脹系數(shù),以及厚度、最大尺寸、重量、抗風力等,這些參數(shù)能夠提供出可供選用的玻璃幕墻性能。直射日光的反射光的產(chǎn)生方向取決于玻璃面對太陽位置的幾何位置關(guān)系,使反射光向天空散溢,而不入射到街道或人行道上。

從外部環(huán)境考慮遮光設施,例如在人行道旁種植街道樹,在建筑物的周圍種植樹木等,使反射光被樹木吸收,減少反射光的危害性。

綜上所述,玻璃幕墻在現(xiàn)代建筑中具有十分誘人的魅力, 建造玻璃幕墻已經(jīng)成為一種時尚,但是從城市防災、保持合理的光環(huán)境、熱環(huán)境和生態(tài)平衡等眾多方面考慮,今后建造玻璃幕墻應有所選擇,不能盲目選用。

六、結(jié)語

玻璃幕墻是當代的一種新型墻體,它賦予建筑的最大特點是將建筑美學、建筑功能、建筑節(jié)能和建筑結(jié)構(gòu)等因素有機地統(tǒng)一起來,建筑物從不同角度呈現(xiàn)出不同的色調(diào),隨陽光、月色、燈光的變化給人以動態(tài)的美。在世界各大洲的主要城市均建有宏偉華麗的玻璃幕墻建筑,如紐約世界貿(mào)易中心、芝加哥石油大廈、西爾斯大廈都采用了玻璃幕墻。香港中國銀行大廈、北京長城飯店和上海聯(lián)誼大廈也相繼采用。當然,玻璃幕墻也存在著一些局限性,例如光污染、能耗較大等問題。但這些問題隨著新材料、新技術(shù)的不斷出現(xiàn),正逐步納入到建筑造型、建筑材料、建筑節(jié)能的綜合研究體系中,作為一個整體的設計問題加以深入的探討。

參考文獻

[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.講演和教學.

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

[5]殷永煒,等.點支式玻璃結(jié)構(gòu)體系發(fā)展概況及技術(shù)評述.