建筑幕墻
建筑幕墻不同于低層建筑常見的混凝土墻體和砌體墻。幕墻石油支承結構體系與面板組成的、可相對于主體結構有一定位移能力、不分擔主體結構所受作用的建筑外圍護結構或裝飾結構。
幕墻相對于主體結構有一定位移能力,一般位于主體結構面的外側(有些工程可以是主體結構在外、幕墻結構在內,如廣州塔)。在地震、臺風作用下,主體結構發生水平位移時,不會強迫幕墻也發生完全相同的面內水平位移,因而幕墻在強震和大風中保持完好,或者有輕微損壞。
幕墻具有良好的抗震和抗風能力
超高層建筑在地震和大風中會產生很大的水平位移,所以會采用幕墻來作為外圍護結構。振動臺實驗表明:幕墻可以承受 1/100 至 1/50的位移量。幕墻能承受的位移值遠遠超出主體結構的位移限值,這就是在地震和臺風災害中,幕墻結構能保持完好或者損害輕微的原因。
在2008年汶川大地震中經受烈度為9度強震后的建筑物如下圖,建筑物的玻璃幕墻、石材幕墻都保持完好。
圖1 汶川地震后,都江堰、綿陽、青城山等9度區的幕墻
2016年9月,莫蘭蒂臺風襲擊廈門,風力達14級到17級,風荷載達規范值的1.8到2倍,但是高層建筑玻璃幕墻基本保持完好,幕墻破損的建筑很少(圖2)。
圖2 2016年莫蘭迪臺風襲擊后,廈門高層建筑玻璃幕墻保持完好或損壞輕微
玻璃同時具備四大特點
玻璃門窗用于建筑的歷史非常久遠,甚至于難以考據。玻璃幕墻的應用,則開始于1951年建成的紐約利華大廈,此后迅速成為高層建筑,特別是超高層建筑首選的墻體材料。
玻璃作為建筑材料,同時具備四大特點:透明、高強、輕質、耐久。而其他墻體材料,都不能同時具備這些特點(表1)。
玻璃的透明性:玻璃是透明材料。普通浮法玻璃的可見光透過率為80%。超白玻璃是降低了玻璃中的鐵元素,更加晶瑩透亮,可見光透過率提升到85%以上。聚碳酸酯板(PVC板)的透光率可達75%~80%。薄膜材料(如ETFE)只能透過漫射光,透光不透明。
玻璃板的抗彎強度很高,特別是鋼化玻璃板。因此玻璃幕墻的玻璃面板很薄,通常為6mm~10mm。即使采用中空玻璃或夾膠中空玻璃,面板由2層或3層玻璃組成,單位面積的重量也不過是0.3kN/m2~0.7kN/m2,遠小于混凝土墻體的3.5kN/m2~5.0kN/m2。
玻璃幕墻的重量大概相當于磚墻、混凝土墻的1/8~1/5,玻璃幕墻的輕質,使得它成為高層建筑和超高層建筑墻體材料的首選。
金屬板(不銹鋼板、鋁板)雖然也符合輕質墻體的要求,但是金屬板不透明,不具備通透、晶瑩、飄逸的質感,因而在超高層建筑中不受建筑師的青睞,很少使用。
沒有玻璃幕墻,就沒有500m以上的超高摩天大樓
由于重量太大,強度較低,石材幕墻很少會在400m以上的建筑中采用。同樣,400m以上的超高層建筑,由于建筑藝術功能要求的因素,建筑師也不會選擇采用金屬板材。到了500m以上,幾乎清一色玻璃幕墻。可以說,沒有玻璃幕墻,就沒有500m以上的超高摩天大樓。
采用玻璃幕墻,外墻的重量大約為建筑物總重量的1/100。這為建筑物高度的向上延伸創造了必要的條件。例如,上海環球金融中心,高度495m,建筑物總重量約為80萬噸,玻璃幕墻的重量為5000噸,只占建筑物總重量的1/160,如果換成傳統材料的外墻,墻的重量將增大至8倍,連帶梁、柱、基礎結構都要增大,建筑物總重量將增加10萬t以上。不僅建筑造價增高,而且基礎和樁的設計施工都帶來更多的困難。