玻璃幕墙构造原理与实例

玻璃幕墙构造原理与实例分析摘要：玻璃幕墙是一种新型墙体，它将建筑美学、功能、技术和施工等因素有机的地统一起来。目前，玻璃幕墙在公共建筑中得到普遍使用，极大提升城市形象，同时，玻璃幕墙构造连接措施也得到充足发展。关键词：玻璃幕墙，外围护体系，构造技术一.玻璃幕墙的定义玻璃幕墙（reflectionglasscurtainwall），是指由支承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。墙体有单层和双层玻璃两种。玻璃幕墙是一种美观新颖的建筑墙体装饰方法，是现代主义高层建筑时代的显著特征。二.玻璃幕墙的发展1851年约瑟夫·帕克斯顿在英国世界博览上设计的水晶宫是历史上第一个大型的玻璃幕墙建筑，开创了采用标准构件、钢铁和玻璃两种新材料的设计和建造的先河。此后，随着20世纪初钢筋混凝土结构体系的成熟、框架理论的应用，传统建筑中墙体结构与建筑的支撑体系得以分离。简洁实用、直截了当和功能至上，成为先锋派设计师们的价值追求。大面积的连续横向开窗替代了旧式建筑厚重的外墙和各式窄窗，解放了建筑的立面，使室外景观传统立面设计的束缚。随着高层建筑的发展，玻璃幕墙的使用更加广泛，世界许多著名的高层建筑都采用玻璃幕墙，如美国芝加哥西尔斯大厦、德国法兰克福商业银行大厦、马来西亚佩重纳斯双塔、香港中国银行大厦、上海金茂大厦等。三．玻璃幕墙HYPERLINK错误！超链接引用无效。分类与构成玻璃幕墙包括：斜玻璃幕墙、框支承玻璃幕墙、全玻幕墙及点支承玻璃幕墙。框支承玻璃幕墙按幕墙形式可分为：1.明框玻璃幕墙2.隐框玻璃幕墙3.半隐框玻璃幕墙按幕墙安装施工方法可分为：1.单元式玻璃幕墙2.构件式玻璃幕墙1.明框玻璃幕墙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。其特点在于铝合金型材本身兼有骨架结构和固定玻璃的双重作用。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。隐框玻璃幕墙又可分为全隐框玻璃幕墙和半隐框玻璃幕墙两种，半隐框玻璃幕墙可以是横明竖隐，也可以是竖明横隐注。隐框玻璃幕墙的构造特点是：玻璃在铝框外侧，用硅酮结构密封胶把玻璃与铝框粘结。幕墙的荷载主要靠密封胶承受。3.点支式玻璃幕墙点支式玻璃幕墙是近年来新出现的一种支承方式。但一经出现，在城市发展很快。下面对这种较新型的支承方式作一介绍：①点式玻璃幕墙的分类金属支承结构点式玻璃幕墙这是目前采用最多的一种形式，它是用金属材料做支承结构体系，通过金属连接件和紧固件将面玻璃牢固地固定在它上面，十分安全可靠。充分利用金属结构的灵活多变以满足建筑造型的需要，人们可以透过玻璃清楚地看到支承玻璃的整个结构体系。玻璃的晶莹剔透和金属结构的坚固结实，“美”与“力”的体现。增强了“虚”、“实”对比的效果。金属支承结构点式玻璃幕墙金属支承结构点式玻璃幕墙全玻璃结构点式玻璃幕墙通过金属连接件及紧固件将玻璃支承结构(玻璃肋)与面玻璃连成整体，成为建筑围护结构。施工简便造价低，玻璃面和肋构成开阔的视野，使人赏心悦目，建筑物室内、外空间达到最大程度的视觉交融。全玻璃结构点式玻璃幕墙全玻璃结构点式玻璃幕墙拉杆(索)结构点式玻璃幕墙采用不锈钢拉杆或用与玻璃分缝相对应拉索做成幕墙的支承结构。玻璃通过金属连接件与其固定。在建筑中充分运械加工的精度，使构件均为受拉杆件，因此，施工时要加以预应力，这种柔接可降低震动时玻璃的破损率。拉杆拉杆(索)结构点式玻璃幕墙②建筑点式玻璃幕墙的主要组成部分1支承体系支承体系是将面玻璃所受的各种荷载直接传递到建筑主构上。因此，它是主要受力构件，一般是根据承受的荷载大小和建筑造型来结构形式和材料，如玻璃肋、不锈钢立柱、铝型材柱或加上适当的防腐、防面处理的钢析架、钢立柱及不锈钢拉杆(索)等。2金属连接件金属连接件包括固定件(俗称爪座和爪子)和扣件。固定件通常用不锈普通钢铸造而成，而扣件则是不锈钢机加工件。考虑到金属相容性，爪座必须采用与支承体系相同的材质，或使用机械固定。金属连接件是建筑点式技术的精华所在。它把面玻璃固定在支承结构上不仅产生玻璃孔边缘附加应力，而且能够允许少量的位移来调节由于建筑安装带来的施工误差，同时还有减震措施以提高抗震能力，因此设计时考虑的因素是多方面的。金属连接件还产生显著的装饰效果，因此它除满足功能上的要求之外，还要有优美的造型设计和精细的加工制造，起“画龙点睛”的作用。3.玻璃建筑点式玻璃幕墙所用的玻璃，由于钻孔而导致孔边玻璃强度降低约30%，因此建筑点式玻璃幕墙必须采用强度较高的钢化玻璃(钢化玻璃的抗冲击强度是浮法玻璃的3-5倍，抗弯强度是浮法玻璃的2-5倍)注，钢化玻璃另一个重要特性是使用安全，在遇到较大外力而破坏时产生无锐角的细小碎块(俗称”玻璃雨”)，不易伤人。当地处北方的建筑物或对保温隔热有较高要求的建筑物，往往采用中空玻璃，它是在两片玻璃之间有一干燥的空气层或惰性气体层，中空玻璃能大幅度提高保温隔热性能的原因是玻璃的传热系数K值为0.8w/(m2.K)，而空气的K值为0.03w/(m2.K)注，惰性气体就更低了。另外，中空玻璃防结露和隔音性能都比较好。由于热传导系数较小，考虑到换到节能的需要，现在中空玻璃也广泛应用于南方广大地区。在人流比较大或采光顶这类对安全性能要求高的场合，往往选用夹胶玻璃，即在两层玻璃之间夹入聚乙烯醇缩丁醛(PVB)胶片，使碎片会与PVB胶片粘在一起，避免玻璃掉落而造成人员伤害或财产损失。密封材料玻璃与玻璃之间采用耐候硅酮胶密封，玻璃与金属结构之间采用结构硅酮胶粘结。建筑点式玻璃技术中密封胶只起密封作用，不必进行强度计算。在使用前必须进行胶与接触材料的相容性试验，性能检测合格，并且在有效期内使用，严格遵守操作规程，以确保施工质量。四．玻璃幕墙构造方法分析1.构造件式玻璃幕墙的构造构件式玻璃幕墙是在施工现场将金属边框、玻璃、填充层和内衬墙，以一定顺序安装组合而成。玻璃幕墙通过边框把自重和风荷载传递到主体结构，有两种方式：通过垂直方向的竖梃或通过水平方向的横档。金属框的断面与连接方式：（1）金框常用的断面形式铝合金型材易加工、外表美观、耐久、质轻，是玻璃幕墙最理想的边框材料。（2）竖梃和楼板的连接竖梃通过连接件连接在楼板上，连接件的设计与安装，要考虑竖梃在上下、左右、前后三个方向均可调节移动，所以连接件上的所有螺栓孔都设计成椭圆形的长孔（3）竖梃与横档的连接竖梃与横档的角形铝铸件或专用铝型材连接。铝角与竖梃、铝角与横档均用螺栓固定。（4）竖梃与竖梃的连接通常玻璃幕墙的竖梃依一个层间高度来划分，即竖梃的高度等于层高。因此，相邻间的竖梃需要通过套筒来连接，竖梃与竖梃之间需要留有15~20mm的空隙，已解决金属的热胀问题。考虑到防水还需要密封胶嵌缝。2.单元式玻璃幕墙构造这是一种工厂预制组合系统，它将面板和金属框架在工厂组装为幕墙单元，以幕墙单元形式在现场完成安装施工的框支承玻璃幕墙。

五．玻璃幕墙构造连接分析镶框连接镶框固定方式一般选用铝合金与断热桥两种材料。铝合金窗框部分在室内，部分暴露于室外，由于铝合金的导热系数大，会形成传热通道，降低玻璃窗的保温性能。在室内外的铝合金截面之间放置隔热断桥可以解决这个问题；断热桥采用导热系数很低的工程塑料制作，它在强度、弹性模数和线膨胀系数方面与铝合金相匹配，相互之间可以紧密结合不致脱落。为了防止因为放置隔热条造成的压力不均匀，在垫条下设置过度垫条。（图2-1）图2-1玻璃幕墙镶框连接构造图压条连接压条连接采用木、铝、钢或塑料压条在玻璃边界的全长将玻璃面板与支承框架相互压固。玻璃与压条及框架之间采用弹性硅材或EPDM垫条来确保密封并使压力均匀。这种连接中，主结构在玻璃后面，压条是可见的，所以应该尽量减小压条尺寸。压条的宽度取决于玻璃缝与紧固件的宽度。对于中空玻璃采用金属压条来说，50mm的宽度已经足够满足要求，如图2-2所示。图2-2玻璃幕墙压条连接构造图隐框玻璃幕墙的结构胶连接隐框玻璃幕墙中，玻璃直接粘接于周边框架上，并通过幕墙的支撑结构框架连接于主体结构上。粘接剂必须具有严格的质量保障，并具有抵抗潮湿、光线、温度和微生物的耐久性。玻璃周边框架可以采用钢材或铝合金，采用钢材时必须注意其与铝合金的电腐蚀问题。当中空玻璃的两个面板同时粘结于框架上时，必须采用一侧连接较强另一侧较弱的方法。否则玻璃因为温度等原因产生的变形会在面板边缘产生较大的剪力，因而导致粘结部位的破损。为了防止结构胶在使用过程中长期受到剪切力的作用而破损，在结构设计时，可以加设金属托条保证结构胶受力合理，如图2-3所示。图2-3隐框玻璃幕墙密封条连接构造图点支式玻璃幕墙的连接点式玻璃幕墙分为玻璃钻孔和不钻孔两种构造方式。其中，图2-4中不钻孔点式玻璃幕墙H形爪件夹住玻璃面板的角部。此构造连接耐久性好、质感强，在实际工程中应用较多。图2-4不钻孔H形点式玻璃幕墙节点构造图玻璃钻孔的点式玻璃幕墙的连接方式有很多，点式玻璃幕墙的连接处玻璃面板要承受弯矩和剪力，所以安装一定要精细，金属和玻璃面板之间必须采用合适的中间垫层予以隔开，确保玻璃面板能够自由转动和弯曲，且做好密封处理。如图2-5所示。图2-5钻孔点式玻璃幕墙节点构造图全玻璃幕墙的玻璃连接全玻璃幕墙玻璃面板之间的连接，先在玻璃缝之间压入硅或者EPDM嵌条，嵌条必须具备一定的预压力，与玻璃端部紧密结合，随后注入密封胶。连接槽必须确保无密封胶以保证压力平衡和排水通畅，如图2-6所示。图2-6全玻璃幕墙玻璃间连接构造六．实例分析现代建筑大师密斯对于玻璃材料始终情有独钟，他一直幻想着能用玻璃和钢铁制造出大体量、透明精致又能够体现现代艺术的玻璃建筑。在现代社会，他的这个梦想早已成为现实，然而密斯的精神——对透明性、整体性、艺术性的追求，却一直是现代玻璃幕墙构造技术和材料技术的焦点。我们知道，玻璃材料的透明、反射等物理性能使玻璃墙面具有丰富而微妙的表情，但玻璃幕墙的魅力不仅在于玻璃材料的这些物理特性，玻璃幕墙的构成、构造支撑体系的采用以及与建筑结构、立面设计的结合等都反映出建筑设计中对空间及墙体艺术的认识。由于玻璃的尺寸受到材料制作和施工的限制，大面积玻璃墙面只能通过玻璃的各种构造体系来完成。如何最大限度地将大面积玻璃墙面的透明性展示出来，同时又使墙面具有整体性和艺术性是现代玻璃幕墙构造体系研究的重点。不同的构造体系具有不同的造型特色，也带有各自的局限性，善用不同的构造技术是玻璃幕墙造型设计的基础，在设计中，构造体系的选择、与建筑主体结构的连接方式以及细部造型设计都是建筑空间设计的重要内容。在玻璃幕墙构造技术方面，除了传统的金属框架支撑体系之外，近几十年来随着建筑技术和玻璃材料技术的发展，玻璃幕墙的构造技术也发生了巨大的变化，玻璃幕墙的构造体系开始向着表层完全玻璃化的方向发展，如何能够完全取缔金属框架，制造出完全由玻璃组成的透明表层成为玻璃幕墙构造技术研究的重点。至今为止，多种新型玻璃幕墙构造方式不断出现并渐趋成熟，使得玻璃幕墙更加透明，同时也在艺术性和整体性上有了更多突破性的进展。下面将就几种主要的玻璃幕墙构造体系的技术特点进行归纳分析，并通过实例探讨在建筑造型设计中的应用。1.框式玻璃幕墙构造体系这是最为常见的玻璃幕墙构造方式，它利用金属框架作为墙体构造承重体系，金属框架与建筑主体结构框架相连，其分割与构图根据玻璃的尺寸以及立面设计而定。这种方式的特点在于构造技术相对成熟，幕墙的规模、高度、角度等基本不受限制，且利于建筑的防火、隔音等技术设计。由于这些优点，加上在长期实践中积累了大量的经验，这种构造方式目前仍是高层玻璃幕墙的首选构造方式。在这种框式幕墙的造型设计中，幕墙的细部划分与表面材料设计对于建筑造型具有重要的意义，同时，如何与其他材料如铝合金等材料的结合也是幕墙设计中的重要因素，这些都直接影响到幕墙的立面形象。铝合金是现代玻璃幕墙中常用的构造材料，与钢铁相比，它轻质高强，加工性能好，能够制造出高精度的构造框架，也能较好地实现幕墙的气密性。在常见的玻璃幕墙构造中，铝合金既作为外墙装饰板，也作为幕墙的构造支撑。当代建筑中的玻璃幕墙往往是玻璃和铝合金的复合体，两者的组合构图成为幕墙立面设计的重点。以富士电台本部大厦（フジテレビ本部）为例，建筑的外墙由玻璃和铝合金组成，从外立面设计中我们可以看出，玻璃和铝合金在墙面上的有序组合，使得建筑的细部形象既具有简洁明快的风格，又不失丰富细腻的构图表现，这种利用各种材料进行组合构图的手法是现代玻璃幕墙设计的基本方法。在筑波三井大厦的玻璃幕墙设计中我们也可以看到同样的方法，不同的是在立面设计中建筑的低层部分采用了连续的横向划分方法。在幕墙的造型设计中，建筑师强调了水平方向的结构构件，同时取消了竖向分割，从而形成整体的水平弧面幕墙效果，使玻璃墙面构图完整、流畅。但是，框式玻璃在造型上有很大的局限性。金属框在内外立面上的明确存在限制了玻璃造型的发挥，也妨碍了玻璃墙面的整体性和透明性。由于受制于金属框架，因而在造型上无法形成完全由玻璃组成的立面，在追求纯粹性的玻璃空间设计中显得力不从心。2.玻璃肋幕墙构造方式玻璃肋构造方式是通过在玻璃墙面中增加垂直于墙面的短尺寸玻璃（玻璃肋），来保证玻璃幕墙的稳定性。这种方式的特点在于从幕墙中取消了用于支撑的金属框架，玻璃之间通过黏接剂结合在一起，形成完全由玻璃组成的透明墙面。由于完全取消了金属框架的存在，玻璃墙面变得完全透明化，令人体会到玻璃空间中前所未有的开放感。妹岛和世与西泽立卫共同设计的熊野古道美术馆的外墙立面就是其中之一。在这栋建筑中，建筑师追求空间的模糊性，希望以尽量淡化建筑材质的手法来体现建筑的抽象性，进而追求一种模糊空间的艺术效果。在墙体设计中，建筑师采用玻璃肋构造方式和半透明玻璃材料，形成完全由玻璃组成的单纯统一的半透明外墙，有效地淡化了墙体的实体形象。从建成后的效果来看，单纯的半透明玻璃墙面产生模糊的、带有抽象性的墙体艺术效果，与周围的山峦和前庭的碎石地面有着构图上和形象上的协调性，建筑与环境共同构成了一个空间艺术的世界。玻璃肋构造方式的优点在于它能够完全去除金属构件，形成完全由玻璃组成的通透的墙面，但是，由于构造方式的特点，玻璃肋幕墙在高度方面受到限制，这使得它无法在高度较大的建筑空间中得到应用。隐框玻璃幕墙构造方式是将框式幕墙构造方式与玻璃肋幕墙构造方式相结合发展而来的一种构造方式。具体做法是：与框式玻璃一样，幕墙的结构支撑体系由铁、不锈钢、铝合金等金属框架来完成，不同的是金属框架设在玻璃墙面的内部，幕墙的外部完全由玻璃组成，玻璃与金属之间采用黏接的方式来完成玻璃的支撑。这种方法的特点是可以使金属框隐在墙体的内侧，出现在建筑表面的是完全齐平对接的玻璃墙面，在建筑的外部，有效地实现了玻璃的连续性和整体性。与玻璃肋构造方式相比，它突破了玻璃肋方式在高度上的限制，同时墙体的倾斜角度也基本不受限制，可以灵活应用于大面积、带有倾斜角度的玻璃幕墙造型设计之中。贝聿铭设计的卢浮宫新美术馆的玻璃金字塔是隐框玻璃幕墙构造方式应用中具有代表性的实例。这个底边长35米，高21米的玻璃金字塔结构全面采用了隐框幕墙构造方式，这在当时是一个带有创新性的结构尝试。在金属框架的外部，20mm厚的高透光性玻璃进行拼接，形成表面简洁平整、整体晶莹通透的建筑形象，有效地体现出建筑师关于玻璃金字塔的设计意图。从下图中可以看出，隐框幕墙构造方式能够有效地实现玻璃墙面在外立面中的连续性，同时也能较好地适应带有倾斜角度的造型设计。当然，隐框构造方式也有其在建筑设计中的难点。最主要的问题在于它仍然无法避免金属框的存在，虽然金属框被隐藏在了玻璃的背后，但由于玻璃透明的特性，金属框仍然会成为建筑造型的重要表现元素，妨碍玻璃造型的纯粹性。仍以卢浮宫美术馆为例，由于金属框架的存在，根据视角与光线的不同，金属框架常常会取代玻璃成为视觉的主体，因而无法完全体现玻璃金字塔的轻巧透明，在这里，构造方式的局限性使得该建筑难以完美地实现玻璃造型的最终目标。点支式玻璃幕墙构造方式20世纪60年代英国比尔金顿公司开发了一种在玻璃四角处用165mm见方的钢板对玻璃进行固定的幕墙构造手法，该手法在之后多年的不断改进中渐渐定型为今日的点支式构造方式。点支式构造方式的具体做法是在强化玻璃的四角钻出小孔，插入带有可自由旋转系统的金属支撑点，四点为一组，综合成一个支撑点，每块玻璃靠四角的支撑点来支撑和固定。墙面支撑体系与玻璃面完全脱离，并可以根据建筑的结构形式有多种不同的变化，其中通过金属索网进行连接和支撑的方式较为常见。应该说这是一种杰出的构造方式，它有许多优点：首先，由于没有金属框的存在，玻璃墙面具有更好的单纯性和整体性；其次，由于金属支撑体系与玻璃面完全脱离，相对来说对玻璃造型的妨碍程度也较小，更容易形成完整的玻璃造型；在技术上，点支式构造方式基本上可不受限制地制造出大面积和任意倾斜角度的玻璃墙面；另外，与框式玻璃相比，金属索网的断面相对较小，形式也灵活多样，能够有效地避免框式玻璃的呆板。这诸多的优点使得点支式玻璃幕墙构造方式在现代建筑设计中倍受青睐。长谷川逸子在新泻市民艺术文化会馆玻璃幕墙的设计中大量采用了点支式构造方式来实现幕墙的整体性和透明性。为了减少玻璃幕墙所造成的能源浪费的问题，幕墙采用了双层玻璃墙面的做法。用以支撑幕墙的金属索网设在双层幕墙的中间，有效地利用了两层墙面中部的空间。从图中我们可以看出，由于采用了点支式构造方式，并对金属索网进行了巧妙的设计，虽然是双层玻璃，但幕墙的透明性仍然得到了充分的保证，并没有双层支撑容易造成的双重构件的繁琐。点支式玻璃幕墙构造方式在墙体支撑结构体系方面也有相对灵活的地方，除金属索网支撑体系之外，也可根据建筑主体结构体系设计出符合个体建筑特征的支撑方式，从而形成不同的构造特色。小田急新宿大厦底层大厅的入口玻璃墙面，即是根据自身特点设计而成的富有特色的玻璃支撑结构方式。在这片玻璃幕墙中，玻璃的支撑体不是常见的金属索网，而是利用建筑的主体支柱，在玻璃的节点处伸出水平的支撑构件，这种方式避免了全面金属索网的琐碎，更增加了墙面的透明度。构件的造型经过建筑师独具匠心的细部设计，在发挥构造作用的同时，也形成了墙面自身的造型特色。东京皇宫前休息所是一栋现代木结构建筑，建筑面临广场的一片外墙采用了点支式玻璃幕墙的方式，连续纯净的玻璃墙面淡化了墙体形象，有效地突出了木结构的造型效果，并较好地求得了室内外环境的交融。该墙面玻璃的支撑点设在木结构立柱之上，简洁有效，避免了大量使用钢构件所带来的钢构件与木结构之间的形象冲突。虽然点支式玻璃幕墙构造方式有着诸多的优点，但也不可避免地存在一定的缺点：首先，点支式构造必须在玻璃上转出孔洞，这为玻璃的加工增加了难度，同时，孔洞处应力集中，成为构造与施工的难点。另外，点支式玻璃幕墙在建筑的防火设计中存在难点，造价也相对较高，目前为止仍难以在高层建筑中得到广泛的应用。无孔点支式玻璃幕墙构造方式这是在点支式构造方式的基础上发展起来的一种构造方式，它针对点支式构造方式中需要在玻璃四角打孔的缺点进行改造，采用金属夹的方式，用一组钢构件将四片玻璃夹住，达到固定和支撑的目的（图15）。与点支式构造方式相比，这种方式有许多优点：首先，它避免了在玻璃上打孔的缺点，是一种更为优越的构造方式；其次，它将点支式的四点支撑综合为一点支撑，在建筑造型上更为简洁，起支撑作用的钢索网与玻璃的分割在造型上重合，避免了常见的点支式