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摘要：國內幕墻技術經過近40年的蓬勃發展，由初期的僅憑經驗設計階段升級為今天的理論化、系統化和規范化的發展階段。幕墻為現代建筑重要的組成部分，將逐漸成為建筑的多功能“皮膚”。本文通過長時程對比分析開放式與封閉式幕墻體系、全隱光滑與設有裝飾線條幕墻、粗壯與纖細通透幕墻、平面與自由曲面異形幕墻、大批量標準化與小批量參數化異形肌理幕墻特點，介紹了相應的核心技術進步演化過程，挖掘神經建筑學背后的追求堅固、舒適和新穎不變的本質。
關鍵詞：幕墻風格;幕墻核心技術;綠色幕墻;
前言
我國建筑幕墻工業規模逾2500億， 已為實現建筑個性化外形及其功能，創造了不可替代的價值。國內建筑幕墻從1983年興建的長城飯店以來有近40年的發展歷程，步入了新技術、新材料、新工藝的智能信息化、綠色環保化、工廠裝配化等全方位發展階段。
數字化、智能化和節能技術為新的多樣化創新提供了強有力的工具，造型及其功能的多樣性越來越符合現代人的需求。例如，非線性和個性化肌理元素為建筑設計創造新感受，為建筑提供更多復合而彈性使用機會。隨著互聯網基礎設施的完善以及5G技術的應用普及、智能控制產品成本的下降、建筑人性化需求和環保要求的升級，幕墻必然向智能信息化控制、綠色低碳環保化、裝配化方向發展。而且幕墻作為建筑子系統，在滿足建筑量身定制設計的過程中“個性化”既是必然，也是審美和商業價值的共同需求，業主強調自我個性與商業利益追求，建筑師表達自我獨創藝術造詣和城市管理要求等多重動力互動，建筑與表皮協同共創使得建筑設計在個性化道路上進一步分化發展。
在行業發展進程中，幕墻的“風格”不斷演化，圍繞安全性、舒適性、美觀和經濟性而持續改進，這恰恰表明建筑幕墻與人性及人的社會性緊密聯系在一起。世界上諸多重要事情均發生在界面處，地球表面孕育生命，大腦皮層產生意識，而建筑表皮同樣也是建筑與外界交換物質、能量和信息的重要界面(如表1所述)。將生物皮膚與建筑表皮對比，相對皮膚通過生物機體內穩態化進行調節，建筑則通過人與表皮互動，反饋調節建筑內環境。可以預見，建筑外皮的發展趨勢將以皮膚功能作為參考，并且能彰顯建筑個性化的方向，終將成為“靈敏性皮膚”。
1. 幕墻核心技術演變過程
從建筑發展視角來看，一種幕墻風格盛行一段時間后產生內在的轉向需求。所以，往往一種風格無論是造型、結構體系、材料還是工藝，通過改變風格來滿足人們喜新厭舊的審美定位，唯獨不變的是對安全、舒適和美觀的需求。這一點符合神經建筑學基本原理，同時也與維特魯威的經典解析：“建筑應基于堅固、實用和美觀的三原則進行設計”的觀點相一致。國內幕墻技術風格經歷了以下略為互相交錯重疊的階段，每個階段都將涉及一些核心技術。如今處于大綜合的階段。
(1)全隱框幕墻：適應了人們追求無框鏡子隱喻的審美需求。但很快轉向帶多樣化裝飾條幕墻。
(2)干掛裝配幕墻系統：著重體現工業化產品味道，而單元式幕墻技術為其提供了便于實現的途徑;集成石材、金屬板、玻璃和裝飾條在內的多種構件，滿足了兼容裝配、節能設計需求。(3)點式玻璃幕墻：展現新穎結構美學。隨即又轉向表皮簡潔大氣與結構美學結合方向。
(4)雙層幕墻：提供節能、舒適和多樣性演繹可能性，特別是采用準外遮陽成為可能。
(5)單層索網幕墻：帶來柔性簡潔結構美學體驗，滿足了視覺通透和探索好奇心的內在需求。
(6)綜合集成幕墻：幕墻功能配套與幕墻集成，如LED屏幕、光伏和BMU與幕墻深度一體化。
(7)自由曲面幕墻：能獲得動感體驗和親切感，滿足了人們不斷轉向的審美內在需要。
(8)肌理幕墻：滿足個性化體驗和韻律之美。成為表征自己獨特性的一種設計手法。
為了把握幕墻核心技術風格轉變脈絡，下面選擇一些具有全局性的開放式、纖細通透化、自由曲面和個性化肌理等幕墻技術，進行針對性剖析。
2. 開放式與封閉式幕墻體系之爭
開放式幕墻能體現工業化產品味道，而材料集成單元幕墻（詞條“單元幕墻”由行業大百科提供）結構，為其提供了便于實現的工藝。集成材料包括石材、金屬板、玻璃和人造板在內的所有面板，從而滿足了兼容設計需求。例如，陸家嘴浦東發展銀行，高度150米，外面采用了仿古型階梯式開放式石材與玻璃幕墻有機結合的手法，來表現其莊重典雅的建筑風格。(開放式石材幕墻，1999年)。中銀大廈采用開放式石材、鋁板和玻璃組成的單元式幕墻體系。與若干座封閉系統比，多年后既干凈又保持了品質感。說明開放式體系，能經受時間考驗，屬于得到實際驗證而值得推廣的體系范例。
上海中銀大廈，經歷20年，開放式石材依然如新、精致。
那么，開放式體系是否經受時間考驗，并獲得驗證的系統呢? 下面我們考察一下被時間洗禮的開放系統。
上圖為上海南京路旁的某開放式石材幕墻體系，15年后拆開發現鋼構依然防銹（詞條“防銹”由行業大百科提供）完整。
開放式體系，不管框架式石材或金屬板幕墻，還是混合面板單元式幕墻，應關注1)以等壓原理為基礎進行可靠的防水設計。因為開放系統雖先進，如果做不到“室內一側氣密性要達標，即氣密性連續完整，形成不了等壓條件(p0=p1)，不斷流動的氣流帶雨水進入結構內部，不僅會導致漏水，還加速墻體內幕墻構件;2)腔體要有良好的通風條件，通風使得腔體保持干燥的同時改善節能效果;3)要與環境適應的完備保溫層，否則因保溫層薄弱，按“保溫層暖的一邊結露”規律，防水板上產生結露水，進而加速腐蝕腔體內構件;滄州鐵獅子，由于為它而建的涼亭里表面揭露水，無法及時曬干而加速老化道理相同。圖6顯示因室內側氣密性達不到標準，無法形成等壓，從而發生雨水滲漏（詞條“滲漏”由行業大百科提供）的實際案例(參考文獻6)。
滄州鐵獅子的傳奇經歷也從另一角度驗證了“表皮呼吸”的重要性。公元953年鑄造（詞條“鑄造”由行業大百科提供）的滄州鐵獅子，在裸露條件下經歷千年不倒，而專家建議下為它建涼亭，欲想從雨水進行保護獅子，不料20年內加速生銹腐蝕，不得不重新在太陽底下進行“曬干保護”。說明，表皮通過有效呼吸保持干燥，對鋼材防腐（詞條“防腐”由行業大百科提供）具有積極作用。
近30年的幕墻構造要“開放”還是“封閉”之爭，以無可辯駁的開放系統優越性得到了回應。不過對先進的開放式系統來說，室內側氣密性達標、保溫連續和良好的腔體通風是其成功的前提，應值得重視。
3. 實現通透纖細幕墻策略
幕墻界追求制造通透幕墻的努力從未停止過。實現通透幕墻一般通過增加幕墻單塊玻璃面積、提高玻璃可見光透過率、使用更加纖細的構件等措施實現的。根據系統性調研發現，深圳和上海等地的玻璃幕墻單塊玻璃面積30年來普遍增加了4倍以上。以深圳、上海幕墻玻璃為例，單塊玻璃板塊面積從最初的1.8m2到現在的8m2，增長約4.5倍。目前單塊玻璃的寬度 2.4m很普遍(參考文獻5)。裙房所用玻璃更是由6米高增加到20米左右(北京泰康保險：3.1m*17.1m)。可見光的透過率從早期鍍膜玻璃普遍30%左右提高到現在的60%左右，甚至通過采用高透LOW-E玻璃，光透過率可以提高到近80%。從而能獲得明亮的涼爽室內光環境。纖細構件使用方面，更是創新做法層出不窮。幕墻龍骨從采用鋁合金構件到鋼構件，如精致鋼;從支撐鋼桁架（詞條“鋼桁架”由行業大百科提供）到索桁架結構，再到單層索網結構;
構件纖細化策略：替換鋁構件為精致鋼、 單層索網、加輔助支撐等
隨著索網幕墻體系的成熟和普及，開始以索網體系為基礎進行創新，創造出更具科技感和纖細感一體的幕墻體系。如果說傳統框式幕墻利用剛性構件剛度傳力，傳統樓板上固定索網幕墻利用分樓層單索的纖細感弱化支撐體系的同時，借索預緊力提供平面外剛度，索在任何工況條件下確保不松弛。早期一些項目和最近實施的上海博物館浦東新館等一批新項目采用索—裝飾框結合方式。
圖11為通過索—裝飾框體系，獲得纖細感的策略例子。可以單層索外包異形鋁型材（詞條“鋁型材”由行業大百科提供），通過單或雙索受力，以型材進行簡化裝飾。給人豐富的想象空間。相信將來更多的項目采用基于該原理完成的幕墻或其某種變化形態。
玻璃肋支撐大玻璃是入口大堂和裙房上經常使用的通透幕墻之又一例子。早期吊掛全玻璃幕墻一般采用膠粘夾板工藝，吊裝工藝如下圖12。這種工藝對施工要求比較高，離散性也較大。而最新發展的打孔吊掛工藝離散性小得多，這種全玻璃吊掛系統，能保證安全性和壽命的同時，滿足了施工方便性要求。其所用填充膠性能如表2。不過，建筑設計一味地追求超大規格玻璃，并非理性之舉，即便玻璃吊掛孔中填充高抗壓膠，能均化邊緣應力避免應力集中，若不能嚴格按工藝施工，同樣會失效。
索--裝飾框幕墻設計要點：(1)一般系統邊界為剛性與彈性之間，應進行包絡模擬計算;(2)預緊力任何工況都不能松弛;(3)玻璃要適應結構變形，要考慮恢復初始位置的構造措施;(4)剛度突變處，設置玻璃接縫;(5)要充分模擬施工中間工況，確保施工過程中安全;
建筑設計師為了表達設計思想，常出現挑戰纖細極限的情況。正在上海后灘建設的上海大歌劇院就是例子：為了獲得纖細感，甚至豎向鋼龍骨上下均采用雙支點，以降低鋼龍骨在風壓和地震作用下的擾度變形，避免玻璃被龍骨擠壓。(如下圖13)
4. 自由曲面幕墻及冷彎工藝
從神經美學觀點來看，曲面建筑給人動感體驗和親近感。所以不管經典建筑中的弧線元素還是最近“數字化”為風格的流線型異形建筑幕墻，給人帶來獨特的建筑審美體驗。隨著數字化設計手段和材料工藝的進步，如參數化正向設計和低成本的冷彎金屬板或玻璃技術，為這一類項目成功落地創造了良好的條件。一般曲率大于1500倍玻璃厚度時，就適合采用冷彎工藝。但對一批已完成的此類項目考察中發現，由于對冷彎工藝的研究把握不足、對建筑幕墻運行工況的評估不到位，常出現表面不流暢、玻璃自爆率偏高等現象。追究其原因，多數為多點施壓過程中導致局部附加應力過大造成的。為此我們可以提出以下幾種策略加以改善：一種策略是采用高彈性的壓板替代偏剛性壓板，避免玻璃變形時應力過度集中;再者，通過優先角部施壓變形，允許玻璃邊緣形成微弧形態，降低總冷彎附加應力水平。
例如，俄羅斯聯邦大廈(如圖14)，外立面為雙曲面形態。該項目中把玻璃組裝為單元幕墻板塊，現場通過拉單元掛件實現雙曲面玻璃，使邊框形成微弧線，保持較低的玻璃板塊內永久附加應力。 圖14 俄羅斯聯邦大廈，采用單元板（詞條“單元板”由行業大百科提供）塊整體冷彎工藝 針對冷彎玻璃幕墻，玻璃附加集中應力較小的方式為，“單元化框與玻璃組裝為整體，再進行整體冷彎”工藝。實際案例應用和理論計算表明，當翹起量小于短邊長的1/60時，單元板按平板尺寸進行組裝，現場通過單元連接件拉接安裝即可。翹起量大于玻璃短邊1/60時，應該按扭曲后的理論形狀建單元板塊3D模型，并按構件實際尺寸和形狀進行加工和組裝完成，從而獲得扭曲的單元板塊的框單元。此時，安裝平板玻璃并壓緊時，由于玻璃平面外剛度，存在一定的回彈量。現場通過單元連接件再拉接就可以完成所要的最終玻璃和單元板形狀。這是冷彎玻璃的技術核心。
5. 肌理幕墻：滿足個性化體驗和韻律美
隨著人們追求建筑新穎個性化表皮、數字化幕墻設計和建造技術的進步，越來越多的建筑采用既具備抽象化肌理美感，又承載文化元素和光伏一體化等功能集成的幕墻形式--肌理幕墻(如圖所示)。這種幕墻相對于具有矩形平滑表面幕墻，引入更多折皺、斜線、弧線和不規則線條等幾何變化要素，形成立體感和韻律強烈的光影肌理表皮幕墻。肌理幕墻可以通過多層集成或單層褶皺實現某個性化圖案。一般來說，如果采用多層如雙層幕墻，通過外層構件表達圖案。由于該策略采用多層幕墻體系，其材料和施工成本高，但技術難度不大。相比之下，單層肌理幕墻的設計和制造難度較大，實現精致面臨更多挑戰。其核心技術是1)如何形成褶皺;2)斷折框位置剛度連續和防水密封;3)實現室內美觀度;4)實現通風、遮陽、防水和照明，甚至發電集成。
6. 結束語
國內建筑幕墻經歷30多年的發展，已建立起了國家行業標準體系，并完成了巨量幕墻工程，同時與建筑設計一體化程度大幅提升，但其性能和品質提高空間依然很大。
國內幕墻發展早期產品沒有形成體系，構造設計顯得極為重要，但現在幕墻系統集成設計和其高效實施顯得極為重要。當下“設計參數化、管理實物-虛擬同步化、現場施工機械化”是提高幕墻品質的有效手段，不過每種幕墻體系核心技術依然是項目實施短板之一，還不能系統性降低設計風險，需要認真對待每個項目核心材料、技術和工藝。
一、面對核心技術演化，只有通過夯實基礎，補齊技術短板，才能做到設計既可靠又先進。降低玻璃等脆性材料破碎風險，依然是幕墻設計和實施過程中的短板，如大批量破碎的玻璃所承受的臺風荷載和風速并沒有超越規范規定的風壓值。所以，通過玻璃孔內受力均化、降低應力集中、變形適應和冷彎過程中消除過大的附加應力是，提高安全儲備的核心措施。
二、應該多研究幕墻相關規范的精神，掌握規范條紋邏輯和原理，才能活用規范條紋本身，完成好高品質幕墻產品。規范是成熟經驗的總結，一般來說滯后于行業的發展和實踐，所以應該多研究規范相關條款的制定背景、提出原因和邏輯，掌握其應用原理，避免落入教條。
三、創新是時代主題，但要認識到安全、節能、舒適、美觀和經濟性作為終極評判標準的重要性，扎實推動數字智能化在內的創新。
四、綠色低碳應進行務實評估。不要使綠色低碳成為轉瞬即逝的風格，應實現其靈魂，進行務實評估。如，評估幕墻全生命周期里的綠色，而非“斷時取節能”。
四、杰出的幕墻是設計、加工、安裝等系統性技術實施的產物，不過識別核心技術并把握它依然是提高幕墻完成度的關鍵所在。
參考文獻
1、邵唯晏著的《當代建筑的逆襲》;2、羅憶、黃圻和劉忠偉主編的《建筑幕墻設計與施工》
3、李百戰等編著的《室內熱環境與人體熱舒適》;4、孟根寶力高主編的《現代建筑外皮》
5、玻璃幕墻在高層建筑中的演變與應用;6、黃亮，《某既有建筑幕墻及屋面安全檢測評估及修復建議》
作者單位：華東建筑設計研究院總院
