华体会电竞:从学习到超越!中国幕墙演变史

  国内幕墙技术经过近40年的蓬勃发展,由初期的仅凭经验设计阶段升级为今天的理论化、系统化和规范化的发展阶段。幕墙为现代建筑重要的组成部分,将逐渐成为建筑的多功能“皮肤”。本文通过长时程对比分析开放式与封闭式幕墙体系、全隐光滑与设有装饰线条幕墙、粗壮与纤细通透幕墙、平面与自由曲面异形幕墙、大批量标准化与小批量参数化异形肌理幕墙特点,介绍了相应的核心技术进步演化过程,挖掘神经建筑学背后的追求坚固、舒适和新颖不变的本质。

  我国建筑幕墙工业规模逾2500亿, 已为实现建筑个性化外形及其功能,创造了不可替代的价值。国内建筑幕墙从1983年兴建的长城饭店以来有近40年的发展历程,步入了新技术、新材料、新工艺的智能信息化、绿色环保化、工厂装配化等全方位发展阶段。

  数字化、智能化和节能技术为新的多样化创新提供了强有力的工具,造型及其功能的多样性越来越符合现代人的需求。例如,非线性和个性化肌理元素为建筑设计创造新感受,为建筑提供更多复合而弹性使用机会。随着互联网基础设施的完善以及5G技术的应用普及、智能控制产品成本的下降、建筑人性化需求和环保要求的升级,幕墙必然向智能信息化控制、绿色低碳环保化、装配化方向发展。而且幕墙作为建筑子系统,在满足建筑量身定制设计的过程中“个性化”既是必然,也是审美和商业价值的共同需求,业主强调自我个性与商业利益追求,建筑师表达自我独创艺术造诣和城市管理要求等多重动力互动,建筑与表皮协同共创使得建筑设计在个性化道路上进一步分化发展。

  在行业发展进程中,幕墙的“风格”不断演化,围绕安全性、舒适性、美观和经济性而持续改进,这恰恰表明建筑幕墙与人性及人的社会性紧密联系在一起。世界上诸多重要事情均发生在界面处,地球表面孕育生命,大脑皮层产生意识,而建筑表皮同样也是建筑与外界交换物质、能量和信息的重要界面(如表1所述)。将生物皮肤与建筑表皮对比,相对皮肤通过生物机体内稳态化进行调节,建筑则通过人与表皮互动,反馈调节建筑内环境。可以预见,建筑外皮的发展趋势将以皮肤功能作为参考,并且能彰显建筑个性化的方向,终将成为“灵敏性皮肤”。

  从建筑发展视角来看,一种幕墙风格盛行一段时间后产生内在的转向需求。所以,往往一种风格无论是造型、结构体系、材料还是工艺,通过改变风格来满足人们喜新厌旧的审美定位,唯独不变的是对安全、舒适和美观的需求。这一点符合神经建筑学基本原理,同时也与维特鲁威的经典解析:“建筑应基于坚固、实用和美观的三原则进行设计”的观点相一致。国内幕墙技术风格经历了以下略为互相交错重叠的阶段,每个阶段都将涉及一些核心技术。如今处于大综合的阶段。

  (1)全隐框幕墙:适应了人们追求无框镜子隐喻的审美需求。但很快转向带多样化装饰条幕墙。

  (2)干挂装配幕墙系统:着重体现工业化产品味道,而单元式幕墙技术为其提供了便于实现的途径;集成石材、金属板、玻璃和装饰条在内的多种构件,满足了兼容装配、节能设计需求。(3)点式玻璃幕墙:展现新颖结构美学。随即又转向表皮简洁大气与结构美学结合方向。

  (4)双层幕墙:提供节能、舒适和多样性演绎可能性,特别是采用准外遮阳成为可能。

  (5)单层索网幕墙:带来柔性简洁结构美学体验,满足了视觉通透和探索好奇心的内在需求。

  (6)综合集成幕墙:幕墙功能配套与幕墙集成,如LED屏幕、光伏和BMU与幕墙深度一体化。

  (7)自由曲面幕墙:能获得动感体验和亲切感,满足了人们不断转向的审美内在需要。

  (8)肌理幕墙:满足个性化体验和韵律之美。成为表征自己独特性的一种设计手法。

  为了把握幕墙核心技术风格转变脉络,下面选择一些具有全局性的开放式、纤细通透化、自由曲面和个性化肌理等幕墙技术,进行针对性剖析。

  开放式幕墙能体现工业化产品味道,而材料集成单元幕墙结构,为其提供了便于实现的工艺。集成材料包括石材、金属板、玻璃和人造板在内的所有面板,从而满足了兼容设计需求。例如,陆家嘴浦东发展银行,高度150米,外面采用了仿古型阶梯式开放式石材与玻璃幕墙有机结合的手法,来表现其庄重典雅的建筑风格。(开放式石材幕墙,1999年)。中银大厦采用开放式石材、铝板和玻璃组成的单元式幕墙体系。与若干座封闭系统比,多年后既干净又保持了品质感。说明开放式体系,能经受时间考验,属于得到实际验证而值得推广的体系范例。

  那么,开放式体系是否经受时间考验,并获得验证的系统呢? 下面我们考察一下被时间洗礼的开放系统。

  上图为上海南京路旁的某开放式石材幕墙体系,15年后拆开发现钢构依然防锈完整。

  开放式体系,不管框架式石材或金属板幕墙,还是混合面板单元式幕墙,应关注1)以等压原理为基础进行可靠的防水设计。因为开放系统虽先进,如果做不到“室内一侧气密性要达标,即气密性连续完整,形成不了等压条件(p0=p1),不断流动的气流带雨水进入结构内部,不仅会导致漏水,还加速墙体内幕墙构件;2)腔体要有良好的通风条件,通风使得腔体保持干燥的同时改善节能效果;3)要与环境适应的完备保温层,否则因保温层薄弱,按“保温层暖的一边结露”规律,防水板上产生结露水,进而加速腐蚀腔体内构件;沧州铁狮子,由于为它而建的凉亭里表面揭露水,无法及时晒干而加速老化道理相同。图6显示因室内侧气密性达不到标准,无法形成等压,从而发生雨水渗漏的实际案例(参考文献6)。

  沧州铁狮子的传奇经历也从另一角度验证了“表皮呼吸”的重要性。公元953年铸造的沧州铁狮子,在条件下经历千年不倒,而专家建议下为它建凉亭,欲想从雨水进行保护狮子,不料20年内加速生锈腐蚀,不得不重新在太阳底下进行“晒干保护”。说明,表皮通过有效呼吸保持干燥,对钢材防腐具有积极作用。

  近30年的幕墙构造要“开放”还是“封闭”之争,以无可辩驳的开放系统优越性得到了回应。不过对先进的开放式系统来说,室内侧气密性达标、保温连续和良好的腔体通风是其成功的前提,应值得重视。

  幕墙界追求制造通透幕墙的努力从未停止过。实现通透幕墙一般通过增加幕墙单块玻璃面积、提高玻璃可见光透过率、使用更加纤细的构件等措施实现的。根据系统性调研发现,深圳和上海等地的玻璃幕墙单块玻璃面积30年来普遍增加了4倍以上。以深圳、上海幕墙玻璃为例,单块玻璃板块面积从最初的1.8m2到现在的8m2,增长约4.5倍。目前单块玻璃的宽度 2.4m很普遍(参考文献5)。裙房所用玻璃更是由6米高增加到20米左右(北京泰康保险:3.1m*17.1m)。可见光的透过率从早期镀膜玻璃普遍30%左右提高到现在的60%左右,甚至通过采用高透LOW-E玻璃,光透过率可以提高到近80%。从而能获得明亮的凉爽室内光环境。纤细构件使用方面,更是创新做法层出不穷。幕墙龙骨从采用铝合金构件到钢构件,如精致钢;从支撑钢桁架到索桁架结构,再到单层索网结构;

  随着索网幕墙体系的成熟和普及,开始以索网体系为基础进行创新,创造出更具科技感和纤细感一体的幕墙体系。如果说传统框式幕墙利用刚性构件刚度传力,传统楼板上固定索网幕墙利用分楼层单索的纤细感弱化支撑体系的同时,借索预紧力提供平面外刚度,索在任何工况条件下确保不松弛。早期一些项目和最近实施的上海博物馆浦东新馆等一批新项目采用索—装饰框结合方式。

  图11为通过索—装饰框体系,获得纤细感的策略例子。可以单层索外包异形铝型材,通过单或双索受力,以型材进行简化装饰。给人丰富的想象空间。相信将来更多的项目采用基于该原理完成的幕墙或其某种变化形态。

  玻璃肋支撑大玻璃是入口大堂和裙房上经常使用的通透幕墙之又一例子。早期吊挂全玻璃幕墙一般采用胶粘夹板工艺,吊装工艺如下图12。这种工艺对施工要求比较高,离散性也较大。而最新发展的打孔吊挂工艺离散性小得多,这种全玻璃吊挂系统,能保证安全性和寿命的同时,满足了施工方便性要求。其所用填充胶性能如表2。不过,建筑设计一味地追求超大规格玻璃,并非理性之举,即便玻璃吊挂孔中填充高抗压胶,能均化边缘应力避免应力集中,若不能严格按工艺施工,同样会失效。

  索--装饰框幕墙设计要点:(1)一般系统边界为刚性与弹性之间,应进行包络模拟计算;(2)预紧力任何工况都不能松弛;(3)玻璃要适应结构变形,要考虑恢复初始位置的构造措施;(4)刚度突变处,设置玻璃接缝;(5)要充分模拟施工中间工况,确保施工过程中安全;

  建筑设计师为了表达设计思想,常出现挑战纤细极限的情况。正在上海后滩建设的上海大歌剧院就是例子:为了获得纤细感,甚至竖向钢龙骨上下均采用双支点,以降低钢龙骨在风压和地震作用下的扰度变形,避免玻璃被龙骨挤压。(如下图13)

  从神经美学观点来看,曲面建筑给人动感体验和亲近感。所以不管经典建筑中的弧线元素还是最近“数字化”为风格的流线型异形建筑幕墙,给人带来独特的建筑审美体验。随着数字化设计手段和材料工艺的进步,如参数化正向设计和低成本的冷弯金属板或玻璃技术,为这一类项目成功落地创造了良好的条件。一般曲率大于1500倍玻璃厚度时,就适合采用冷弯工艺。但对一批已完成的此类项目考察中发现,由于对冷弯工艺的研究把握不足、对建筑幕墙运行工况的评估不到位,常出现表面不流畅、玻璃自爆率偏高等现象。追究其原因,多数为多点施压过程中导致局部附加应力过大造成的。为此我们可以提出以下几种策略加以改善:一种策略是采用高弹性的压板替代偏刚性压板,避免玻璃变形时应力过度集中;再者,通过优先角部施压变形,允许玻璃边缘形成微弧形态,降低总冷弯附加应力水平。

  例如,俄罗斯联邦大厦(如图14),外立面为双曲面形态。该项目中把玻璃组装为单元幕墙板块,现场通过拉单元挂件实现双曲面玻璃,使边框形成微弧线,保持较低的玻璃板块内永久附加应力。图14 俄罗斯联邦大厦,采用单元板块整体冷弯工艺 针对冷弯玻璃幕墙,玻璃附加集中应力较小的方式为,“单元化框与玻璃组装为整体,再进行整体冷弯”工艺。实际案例应用和理论计算表明,当翘起量小于短边长的1/60时,单元板按平板尺寸进行组装,现场通过单元连接件拉接安装即可。翘起量大于玻璃短边1/60时,应该按扭曲后的理论形状建单元板块3D模型,并按构件实际尺寸和形状进行加工和组装完成,从而获得扭曲的单元板块的框单元。此时,安装平板玻璃并压紧时,由于玻璃平面外刚度,存在一定的回弹量。现场通过单元连接件再拉接就可以完成所要的最终玻璃和单元板形状。这是冷弯玻璃的技术核心。

  随着人们追求建筑新颖个性化表皮、数字化幕墙设计和建造技术的进步,越来越多的建筑采用既具备抽象化肌理美感,又承载文化元素和光伏一体化等功能集成的幕墙形式--肌理幕墙(如图所示)。这种幕墙相对于具有矩形平滑表面幕墙,引入更多折皱、斜线、弧线和不规则线条等几何变化要素,形成立体感和韵律强烈的光影肌理表皮幕墙。肌理幕墙可以通过多层集成或单层褶皱实现某个性化图案。一般来说,如果采用多层如双层幕墙,通过外层构件表达图案。由于该策略采用多层幕墙体系,其材料和施工成本高,但技术难度不大。相比之下,单层肌理幕墙的设计和制造难度较大,实现精致面临更多挑战。其核心技术是1)如何形成褶皱;2)断折框位置刚度连续和防水密封;3)实现室内美观度;4)实现通风、遮阳、防水和照明,甚至发电集成。

  国内建筑幕墙经历30多年的发展,已建立起了国家行业标准体系,并完成了巨量幕墙工程,同时与建筑设计一体化程度大幅提升,但其性能和品质提高空间依然很大。

  国内幕墙发展早期产品没有形成体系,构造设计显得极为重要,但现在幕墙系统集成设计和其高效实施显得极为重要。当下“设计参数化、管理实物-虚拟同步化、现场施工机械化”是提高幕墙品质的有效手段,不过每种幕墙体系核心技术依然是项目实施短板之一,还不能系统性降低设计风险,需要认真对待每个项目核心材料、技术和工艺。

  一、面对核心技术演化,只有通过夯实基础,补齐技术短板,才能做到设计既可靠又先进。降低玻璃等脆性材料破碎风险,依然是幕墙设计和实施过程中的短板,如大批量破碎的玻璃所承受的台风荷载和风速并没有超越规范规定的风压值。所以,通过玻璃孔内受力均化、降低应力集中、变形适应和冷弯过程中消除过大的附加应力是,提高安全储备的核心措施。

  二、应该多研究幕墙相关规范的精神,掌握规范条纹逻辑和原理,才能活用规范条纹本身,完成好高品质幕墙产品。规范是成熟经验的总结,一般来说滞后于行业的发展和实践,所以应该多研究规范相关条款的制定背景、提出原因和逻辑,掌握其应用原理,避免落入教条。

  三、创新是时代主题,但要认识到安全、节能、舒适、美观和经济性作为终极评判标准的重要性,扎实推动数字智能化在内的创新。

  四、绿色低碳应进行务实评估。不要使绿色低碳成为转瞬即逝的风格,应实现其灵魂,进行务实评估。如,评估幕墙全生命周期里的绿色,而非“断时取节能”。