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超高層建筑幕墻面臨機遇與挑戰(zhàn)

來源:沈陽遠(yuǎn)大鋁業(yè)工程有限公司  作者:孟根寶力高  日期:2013-12-16
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  摘要:幕墻作為建筑功能外皮,是建筑內(nèi)外空間之間能量、物質(zhì)和信息交流過渡層,將逐漸向建筑“皮膚”方向發(fā)展,對實現(xiàn)建筑各項功能起著重要作用。隨著高層建筑特別是超高層建筑迅猛發(fā)展,幕墻面臨著機遇與挑戰(zhàn)。超高層建筑具有對建筑重量敏感,能力消耗總量大,對智能化控制依賴度高,安全要求高等特點。本文綜合分析幕墻面臨的挑戰(zhàn),結(jié)合幕墻新技術(shù)發(fā)展趨勢,試圖回答:迎接挑戰(zhàn)的對策,并提出幕墻新技術(shù)、新工藝、新材料的發(fā)展路徑建議,揭示幕墻發(fā)展既是被挑戰(zhàn)的結(jié)果,又是超髙層建筑發(fā)展推動力之一的事實。   關(guān)鍵詞:幕墻新技術(shù)、超高層建筑節(jié)能舒適、智能化、集成化、數(shù)據(jù)化

  2.2超大尺寸

  藝術(shù)吸引力根源在于功能、陌生、極端、真善美、假丑和惡的夸張’超大尺寸是其中一種。隨著經(jīng)濟和建筑技術(shù)的飛速發(fā)展,建筑外皮的功能性和裝飾性越來越多的受到人們的重視。為了迎合人們曰益多元化的審美方式和使用要求,各種形式的個性建筑越來越多的出現(xiàn)在我們的大街小巷,大尺度的建筑藝術(shù)形式也被大量的應(yīng)用到各類建筑之中。然而,相當(dāng)一部分的大尺度構(gòu)件必然會給設(shè)計、施工和安裝帶來不小的困難,例如超大門窗構(gòu)件,裝飾構(gòu)件等。隨著人們對建筑外皮大尺度構(gòu)件不斷提出新的、更高的要求,這些都使建筑外皮大尺度構(gòu)件不斷面臨更多、更新的挑戰(zhàn)。

  2.2.1大尺度超長的幕墻龍骨

  我們在設(shè)計大尺度的超高舉架框架玻璃幕墻時,最關(guān)心的問題莫過于幕墻龍骨的截面大小,巨大的層高要求幕墻豎框有很強的承載能力,這通常會大大增加幕墻豎框的截面,大多數(shù)建筑師往往留給幕墻面到結(jié)構(gòu)的距離都過于狹小,無法容納過大幕墻豎框,這樣更加增加了幕墻設(shè)計的難度。如何減小幕墻豎框的截面,加大幕墻豎框的承載能力,這些都是我們在進行這種高層間的大尺度框架幕墻所面臨的挑戰(zhàn)。

  解決方案:

  A、碳纖維材料加強豎龍骨

  碳纖維具有較高的比強度和和高模量,被大量用于復(fù)合材料的増強材料。碳纖維是一種力學(xué)性能優(yōu)異的新材料,它的比重不到鋼的1/4,碳纖維樹脂復(fù)合材料抗拉強度一般都在3500Mpa以上,是鋼的7至9倍,抗拉彈性模量為23000~43000Mpa亦高于鋼。因此碳纖維復(fù)合材料的比強度即材料的強度與其密度之比可達到2000Mpa/(g/cm3)以上,而A3鋼的比強度僅為59Mpa/(g/cm3)左右,其比模量也比鋼高。材料的比強度愈高,貝購件自重愈小,比模量愈高,則構(gòu)件的剛度愈大,從這個意義上已預(yù)示了碳纖維在工程的廣闊應(yīng)用前景。

  B、高強度鋼型材龍骨

  眾所周知,相同截面的情況下鋼材要好于我們常用的鋁合金型材的力學(xué)性能。所以我們?nèi)绻娩摬娜〈?a href='../../zsk/ct.asp?id=3129' target='_blank' style='font-size:1em; border-bottom:1px dotted blue;'>鋁型材,必然能夠減小大尺度玻璃幕墻龍骨的截面大小。鋼龍骨源于歐洲,到現(xiàn)在已具有近百年的發(fā)展歷史,他們的鋼型材精度高,截面較復(fù)雜,幕墻系統(tǒng)較為成熟。目前,國內(nèi)也有不少廠家也已經(jīng)開始生產(chǎn)這種龍骨玻璃幕墻。

  2.2.2超高肋駁接全玻璃幕墻玻璃肋

  由玻璃面板和玻璃肋組成的全玻璃精墻系統(tǒng),由于其所具有的通透、美觀、大方等許多優(yōu)點,已經(jīng)被更多的人所接受,在工程中的應(yīng)用也越來越多。這種全玻璃幕墻一般在12米以內(nèi)時,可由單塊玻璃實現(xiàn),超過12米以上時大多會采取肋駁接的形式實現(xiàn),這主要是由玻璃生產(chǎn)的限制所決定的。對于超高肋駁接全玻璃幕墻來說,玻璃肋就是幕墻的主受力結(jié)構(gòu),它是幕墻安全性和可靠性的保證。但是,對于玻璃這種脆性材料的結(jié)構(gòu)來說,目前尚缺少全面而又詳細(xì)的理論與試驗而且,對于超高肋駁接全玻璃幕墻這種幕墻類型,規(guī)范中也沒有明確的規(guī)定。

  

  玻璃肋作為幕墻的受力系統(tǒng),一般都與玻璃面板垂直放置,承受玻璃面板傳來的風(fēng)荷載地震荷載。相對來說玻璃類的厚度一般都較薄,在受力計算時玻璃肋板類似于承受平面內(nèi)荷載薄板,在風(fēng)荷載或自重作用下會產(chǎn)生壓應(yīng)力,一旦壓應(yīng)力較大,就會發(fā)生薄板的局部屈曲失穩(wěn)現(xiàn)象,因此,玻璃肋的局部穩(wěn)定性是需要考慮的大問題。所以,在做這種超高肋駁接全玻璃幕墻時,坡璃肋如何做的更結(jié)實、更穩(wěn)定,幕墻系統(tǒng)如何做得更高都是我們所面臨的挑戰(zhàn)。

  2.2.3其它一些大尺度構(gòu)件

  在設(shè)計和施工大尺度的構(gòu)件時常會遇到這樣或那樣的困難,這些困難都是大尺度構(gòu)件在設(shè)計和施工時說面臨的挑戰(zhàn),需要我們在日常的設(shè)計和施工工作中予以克服和解決。可以說大尺度建筑或構(gòu)件給我們帶來的不光是震撼,是美的享受,還有許多它帶給我們的困難和我們需要面臨的挑戰(zhàn)。

  在我們常見的建筑中,大尺度構(gòu)件的應(yīng)用非常廣泛,任何一件東西只要設(shè)計得當(dāng)都會成為一件震撼的大尺度構(gòu)件。這些構(gòu)件往往最能吸引我們的眼球,給我們以視覺上的沖擊,給我們留下深刻的印象。這就是人類藝術(shù)史上聞名遐邇的都是些超大尺度藝術(shù)品一樣,經(jīng)久不衰?梢哉f大尺度的構(gòu)件所帶給我們的不僅是震撼的沖擊,還有美的享受,它所帶給我們的是震撼之美。

  2.3超節(jié)能

  能源是人類社會經(jīng)濟發(fā)展和文明進步的重要條件。全世界已普遍認(rèn)識到,面對即將枯竭的化石能源,必須最大釀地提高能源生產(chǎn)與利用效率,清潔、有效地利用各種能源。最近幾年,隨著LEED (Leadership in Energy and Environmental Design)以及其他綠色建筑認(rèn)證獲得全球范圍內(nèi)的認(rèn)可和普及,零能耗建筑就是綠色建筑設(shè)計的特例。零能耗建筑設(shè)計對于很多地區(qū)的很多建筑類型是可行的。

  零能耗建筑:

  零能耗建筑是不消耗常規(guī)能源,完全依靠太陽能或者其它可再生能源的建筑,達到節(jié)約或

  者不用傳統(tǒng)化石能源而實現(xiàn)“零排放”的目的,即大大降低其自身排放二氧化碳等溫室氣體,

  高效循環(huán)收集利用再生能源。

  零能耗建筑的評估方法:

  A、獨立的零能耗建筑。不依賴外界的能源供應(yīng),建筑利用其自身產(chǎn)生的能源獨立運行。這是真正意義上的零能耗建筑。

  B、收支相抵的零能耗建筑。這種“自循環(huán)”式的模式不是不耗能、不排放,而是指建筑在實現(xiàn)低能耗的基礎(chǔ)上補充太陽能、風(fēng)能和地表能等可再生資源,并且能夠?qū)U棄的能量回收再利用的模式,達到節(jié)約或者不用傳統(tǒng)化石能源的目的。

  C、使用外部綠色能源的零能耗建筑。在建筑之外利用風(fēng)能、太陽能、生物質(zhì)能等這些城市新能源,來支建筑運行的能源需求。

  D、將上述模式有機結(jié)合而成的多樣化零能耗建筑。

  零能耗建筑的要素:

  零能耗---對不可再生能源的消耗低,甚至是不消耗不可再生能源。建筑的全部能量來自于太陽能、風(fēng)能等綠色環(huán)保的可再生能源。

  零排放---能量形式在轉(zhuǎn)換過程中的損失低,即在消耗能源的過程中沒有碳排放。

  自循環(huán)---把支撐人類活動中無效消耗的能量通過某些裝置貯存起來,以備重新進行有效利用。零能耗建筑以集成可再生能源的節(jié)能幕墻為基礎(chǔ),例如再生能源綜合應(yīng)用到動力遮陽系統(tǒng)中,這就是適用于零能耗建筑外皮的產(chǎn)品。

  

  2.4透明化、纖細(xì)化

  建筑材料是幕墻建設(shè)的物質(zhì)基礎(chǔ),新材料不斷涌現(xiàn),使幕墻制造與建造業(yè)顯現(xiàn)蓬勃生機,這又帶動了建筑的表現(xiàn)形式推陳出新。這些新材料具有性能好、能源低、占用資源少、重量輕、耐久性好等優(yōu)點。新材料的大量應(yīng)用將對房屋建筑幕墻產(chǎn)生極大的影響,建筑幕墻的設(shè)計與施工將產(chǎn)生革命性的變化。建筑透明化是其趨勢之一,其中膜結(jié)構(gòu)和全玻璃幕墻是其代表。

  膜材料及膜結(jié)構(gòu)工程建造技術(shù):

  膜材料是一種廣泛應(yīng)用的新型材料,它是由高分子聚合物涂層與基材按照所需的厚度、寬度通過特定的加工工藝粘合而成。可以發(fā)揮極大承載力,構(gòu)筑靈活大空間,并且具有自然生態(tài)美外觀。膜結(jié)構(gòu)是建筑結(jié)構(gòu)中最新發(fā)展起來的一種形式,它以性能優(yōu)良的織物及化纖產(chǎn)品為材料,或是向膜內(nèi)充氣,由空氣壓力支撐膜面,或是利用柔性鋼索或剛性支撐結(jié)構(gòu)將面繃緊,從而形成具有一定剛度、能夠覆蓋大跨度空間的透明或半透明結(jié)構(gòu)體系。

  國家游泳中心是北京2008年奧運會主要比賽場館之一,如圖2.4所示,其創(chuàng)意來自于晶瑩剔透的肥皂泡外觀,如圖所示,因其外觀酷似一個藍色方盒子而被形象的稱為“水立方”,主體是由ETFE膜與鋼框架相組合的充氣薄膜結(jié)構(gòu)。

  

  加拿大蒙特利爾國際博覽會美國館從自然界的晶體與蜂窩的菱形結(jié)構(gòu)中獲得了啟發(fā),如圖2.4A所示,它仿照一種深海魚類的網(wǎng)狀骨骼結(jié)構(gòu)和放射蟲的組織結(jié)構(gòu),創(chuàng)造了立體網(wǎng)架的短線彎窿,高度達60m,直徑為76.2m,彎窿外部用塑料敷貼,并可啟閉,夜間燈光照亮,通體透明,猶如星球落地。

  

  全玻璃幕墻(玻璃作為承重結(jié)構(gòu)):

  全玻璃幕墻是隨著玻璃生產(chǎn)技術(shù)的提高和產(chǎn)品多樣化而誕生的,它為建筑師創(chuàng)造一個奇特、透明、晶瑩的建筑提供了條件。全玻璃幕墻改變了過去著重用玻璃表現(xiàn)戶、表現(xiàn)建筑的傳統(tǒng)手法,而是更多地利用玻璃透明的質(zhì)感特性,追求建筑物內(nèi)外空間的流通和融合。人們可以透過玻璃清楚地看到玻璃幕墻的整個結(jié)構(gòu)系統(tǒng),使這種結(jié)構(gòu)系統(tǒng)從單純的支承作用轉(zhuǎn)向表現(xiàn)其可見性。由于這種奇特的效果,全玻璃幕墻被各類大型公共建筑(大劇院、會展中心、機場候機樓等)廣泛采用。如圖2.4B

  全玻璃幕墻已發(fā)展成為一個多品種的家族,它包括玻璃肋膠接全玻璃幕墻、桁架式(玻璃肋)點連接全玻璃幕墻、拉索(桿)式點連接全玻璃幕墻。

  

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