超高层公共建筑玻璃幕墙设计

玻璃幕墙是超高层建筑中常采用的一种外围护方式。在实际工程中，建筑师对于外幕墙玻璃类型及相应参数的选择有一定的自主选择空间和主观性，如玻璃的颜色倾向、玻璃分格尺寸等，但更多的是受到客观影响因素的制约，客观因素也会对建筑幕墙外观效果产生一定的影响。面对纷繁复杂的玻璃类型及其参数，建筑师需对其背后的逻辑关系做出清晰的判断，保证建筑效果及功能需求。通过对寒冷地区超高层公共建筑外幕墙玻璃的选择所涉及的客观影响因素进行分析，探索相应的选择策略，为建筑师更好地实现超高层建筑外观效果及节能、光污染控制、幕墙安全等需求提供建议。1 玻璃幕墙常见参数解析建筑外幕墙玻璃常见的参数包括透过率、反射率、遮阳系数以及传热系数等。玻璃的透过率为光线透过玻璃的比例，数值越高，意味着通过玻璃的光线比例就越大，玻璃看起来越通透。透过率与反射率成反比，透过率越低，反射率越高，视觉遮蔽效果就越强，即越难透过玻璃看到背后的影像。以普通的6mm平板玻璃为例，透过率约为85%，反射率约为7%，还有8%的光线在玻璃的阻隔下进行二次辐射和对流，如图1所示。图1 可见光在玻璃中的透射、反射透过率和反射率的衡量对象均为可见光，而太阳光中可见光约占50%，除此之外还有约43%的红外线、7%的紫外线。太阳光中的热量主要集中在红外线部分。遮阳系数为全波段的太阳光通过玻璃的百分比，即遮阳系数越小，阻挡阳光热量向室内辐射的性能越好。传热系数为玻璃对室内外温差传热的阻挡能力，即传热系数越小，隔热性能越好。遮阳系数衡量的是辐射传热能力，传热系数衡量的是对流和传导传热能力。2 超高层玻璃幕墙的节能要求及选型超高层建筑的平面及形体具有集约特性，其体型系数一般小于0.30，建筑面积一般大于300m2，属于甲类建筑。按照GB50189—2015《公共建筑节能设计标准》，寒冷地区甲类建筑单一立面外窗的窗墙比为0.50~0.60时，传热系数K值需≤2.0；窗墙比为0.60~0.70时，传热系数K值需≤1.9。根据GB/T50378—2019《绿色建筑评价标准》，绿色二星级建筑围护结构热工性能需提高10%（或负荷降低10%），绿色三星级建筑围护结构热工性能需提高20%（或负荷降低15%），这对超高层公共建筑外幕墙玻璃传热、遮阳性能提出了更高的要求。采用中空玻璃、增加Low–E镀膜等措施可达到上述节能要求。中空玻璃是由两层或多层平板玻璃构成，四周用高强复合胶粘剂粘接、密封，中间充入干燥气体。空气的热传导率只有玻璃的1/27，与普通玻璃相比，中空玻璃具有优异的隔热性能。中间空气层的厚度太小，不利于充分发挥其隔热性能，厚度太大（>20mm）易产生对流传热，因此中间空气层一般常用厚度为12~16mm。Low–E玻璃是在玻璃表面镀上多层金属或其他化合物组成的膜，该膜具有对可见光的高透过及对红外线高反射性的特性，既能保证可见光的透光率，又能大幅降低太阳光的热辐射率，获得较低的遮阳系数。常用的Low–E镀膜有单银、双银等形式，在透光率相同的情况下，双银Low–E玻璃比单银Low–E玻璃能阻挡更多太阳热辐射热能，具有更低的遮阳系数。Low–E膜的位置对传热系数K值影响不大，但对遮阳系数SC（即热辐射传热能力）有较大的影响。在寒冷地区，Low–E膜位于空气腔靠近室内一侧玻璃面上，能有效阻挡室内热量的散失。在夏热冬暖地区，Low–E膜位于空气腔靠近室外一侧的玻璃面上，能有效阻挡室外热量的进入。3 超高层建筑反射光的控制玻璃的反射率是玻璃反射光线的比例，数值越高玻璃反光性越强。建筑玻璃反射率过高会导致污染问题，根据GB/T18091—2015《玻璃幕墙光热性能》及GB/T50378—2019《绿色建筑评价标准》的相关要求，外幕墙应采用可见光反射率不大于0.30的玻璃，且在城市快速路、主干道、立交桥、高架桥两侧的建筑物20m以下及一般路段10m以下的玻璃幕墙应采用可见光反射率不大于0.15的玻璃。部分地方标准对可见光反射的控制更严格，如DGJ08–56—2012《上海市建筑幕墙工程技术规范》要求幕墙玻璃的可见光反射率不宜大于15%，反射光影响范围内无敏感目标时可不大于20%。不同反射率的玻璃带给人眼的视觉感受有明显区别，可分为以下3个区间。（1）10%~15%的低反射率区间。低反射的玻璃透光性较好，对人眼的刺激性偏弱，不会给人很鲜明的颜色特征。（2）15%~25%的中反射率区间。中反射的玻璃颜色表现力最好，容易突显出膜层的颜色，如蓝色的玻璃，反射率在此区段，颜色会更饱满。（3）25%~30%的高反射率区间。高反射的玻璃会带来强烈太阳光或天光反射，对人眼瞳孔的刺激性强，瞳孔会适应性地缩小，以便于减少光线入射量，高反射率的玻璃的视觉效果颜色会失真，不利于表达建筑立面的细节。反射率较高的玻璃易造成光污染，造成安全隐患。超高层建筑的高度大于100m，且大量应用玻璃幕墙作为外维护，对周边的反射光影响更大。超高层建筑的玻璃幕墙，要严格控制反射率，不应使用反射率超过0.3的玻璃。在紧邻居住建筑、学校等眩光敏感的建筑区域，或者面对交通干道的建筑立面，应将玻璃的可见光反射率控制在0.15以下，有条件的情况下可采用反射率小于0.1的低反射玻璃。4 玻璃的影像畸变超高层公共建筑的高度都大于100m，且幕墙分格较大，单块玻璃面积一般都大于1.5m2，结合《建筑安全玻璃管理规定》等相关要求，超高层公共建筑外幕墙一般均采用安全玻璃。Low–E镀膜钢化玻璃的强度、安全性、节能效果与普通玻璃相比有较大提升，获得了超高层建筑设计者的普遍青睐，但同时带来了影像畸变问题。实际工程中经常出现幕墙玻璃安装完成后呈现“哈哈镜”效果，建筑影像扭曲，严重影响建筑外观效果（图2）。图2 玻璃不平整带来的建筑影像畸变影像畸变问题是由玻璃平整度过低导致。普通平板玻璃的平整度非常高，钢化玻璃平整度出现问题，主要原因是玻璃原片的二次热处理工艺控制措施不到位，不能做到均质受热和冷却，最终导致玻璃表面不平整。控制钢化玻璃生产质量是提升钢化玻璃平整度的重要措施。增加玻璃刚性可降低钢化工艺对平整度的影响。玻璃越厚刚性越好，但增加玻璃厚度会增加工程建设成本。另外，半钢化玻璃也是控制玻璃平整度的一个重要选择，其影像畸变低于钢化玻璃。因此，如果超高层建筑外幕墙选择钢化玻璃，应特别关注其平整度参数和进场产品质量，控制玻璃弓形≤1.5‰、波形变形≤1‰、钢化玻璃应力＜100Pa。其次，应尽量选用高透射、低反射玻璃，降低玻璃变形对建筑影像的影响，或选择PVB膜片复合半钢化玻璃。5 玻璃幕墙的安全问题5.1 玻璃自爆原因及危害玻璃具有的通透性、良好的工艺感和艺术感，充分体现了现代建筑的气质和特质，因此钢化玻璃在超高层建筑中得到了广泛应用，但随之而来的钢化玻璃自爆问题逐渐显现，成为危害公众安全的隐患。钢化玻璃自爆是指在没有外力的作用下玻璃自动发生破碎的现象，普通钢化玻璃的自爆率在3‰左右。玻璃自爆的诱因主要有以下几个方面。（1）玻璃自身原因。主要指玻璃生产过程中混入的硫化镍没有完全剔除。玻璃在常温下，高温相硫化镍逐步转变为低温相硫化镍，体积增长2%~4%，引起应力变化，导致玻璃自爆。（2）运输及安装原因。玻璃加工后未进行磨边或倒角处理，运输过程中包装不到位、存放不规范导致玻璃边缘与硬物磕碰以及施工中强行安装等行为，均会导致钢化玻璃应力集中，为玻璃幕墙的安全埋下隐患。由于超高层建筑的高度特性，玻璃自爆后下落时间长、速度大、玻璃碎片分布范围更广，会给公共安全造成较大的危害。5.2 控制玻璃自爆危害措施目前，控制玻璃自爆主要有以下几种方式。（1）使用半钢化玻璃。半钢化玻璃是介于普通平板玻璃和钢化玻璃之间的一个品种，其表面应力一般为24~69MPa，低于钢化玻璃表面应力值，可大幅减少玻璃自爆概率，同时兼有钢化玻璃的部分优点，如强度较普通平板玻璃高，是普通平板玻璃的2倍。半钢化玻璃破坏时，沿裂纹源呈放射状径向开裂，一般无切向裂纹扩展，所以破坏后一般情况下仍能保持整体不塌落。但其不属于安全玻璃，一般不独立作为幕墙的外片玻璃使用，需结合夹胶玻璃等其他措施使用。（2）使用夹胶玻璃。夹胶玻璃的透明性、抗冲击性非常优异，即使玻璃发生自爆破碎，碎片也会因为胶片的粘合作用而被粘在薄膜上，破碎的玻璃表面仍保持整洁光滑，有效防止碎片扎伤和穿透坠落事件的发生，确保人身安全。（3）使用超白玻璃或均质钢化玻璃。超白玻璃是一种高品质、多功能的新型高档玻璃品种，其在加工熔化过程中的控制极为精细，拥有更加均一的特性，硫化镍等杂质含量很少，自爆率极低。均质钢化玻璃（热浸玻璃）是通过均质炉的作用使高温相硫化镍彻底转变为低温相，相当于玻璃出厂前先经过高温自检的筛选，筛选后的玻璃大幅降低了自爆的可能。GB/T21086—2007《建筑幕墙》中明确规定幕墙用钢化玻璃宜经过热浸处理。5.3 玻璃幕墙室内侧的安全防护《建筑高度大于250米民用建筑加强性防火技术要求》对250m以上超高层楼板上部不燃性实体墙高度有明确要求，小于250m的超高层的外维护玻璃幕墙，往往采用落地玻璃的处理方式，可最大限度地发挥超高层建筑景观视野开阔的优势，但同时对幕墙内侧防护栏杆及栏板处理提出了更高的要求。从防冲撞性能的角度来看，如果幕墙玻璃采用双层夹胶安全玻璃，且玻璃厚度、单块玻璃面积满足相关要求，即使没有防护栏杆，其防冲撞性能也可达到1.0kN/m的栏杆水平荷载及建筑幕墙耐撞击性的要求，这种情况下是否可以取消玻璃幕墙内侧的实体栏板和栏杆，在某些地方标准中已列明了相关规定，如上海地标规定如下。（1）中空玻璃的内片选用钢化玻璃，单块玻璃面积不大于3.0m2，厚度不小于0.8mm。（2）中空玻璃的内片选用夹层玻璃，单块玻璃面积不大于4.5m2，厚度不小于12.76mm。（3）单块玻璃面积不大于4.5m2，中空玻璃的内片采用夹层玻璃，厚度经专项计算确定，计算时荷载作用于玻璃板块中央，冲击力标准值为1.5kN，冲击系数1.50，荷载分项系数1.40，且厚度不小于12.76mm。符合上述规定之一，则玻璃幕墙内侧可不设护栏。因此，在部分城市中，若玻璃幕墙满足了相关要求，可以不设内侧栏杆。但若当地地标未对上述情况进行相关规定，则应执行JGJ102—2003《玻璃幕墙工程技术规范》及JGJ113—2015《建筑玻璃应用技术规程》等国家标准规范：当与玻璃幕墙相邻的楼面外缘无实体墙时应设置防撞设