0建筑幕墙工程检测培训教材.docx

目 录第一章概述21.1幕墙的定义21.2幕墙的特点31.3建筑幕墙的基本构成41.4建筑幕墙的分类101.5幕墙的发展16思考题24第二章 建筑幕墙物理性能252.1建筑幕墙物理性能试验发展历史及现状252.2建筑幕墙物理性能36思考题56第三章 建筑幕墙“四性”检测573.1术语573.2气密性能检测583.3水密性能检测663.4抗风压性能检测80思考题96第四章 结构胶相容性试验974.1结构装配系统用附件同密封胶相容性试验方法974.2实际工程用基材同密封胶粘结性试验方法100第五章 建筑幕墙检测实例1015.1玻璃幕墙检测实例1015.2金属及石材幕墙检测1105.3框架式幕墙非单元式框支承玻璃铝板幕墙1185.4点支承全玻璃幕墙1205.5全玻璃幕墙121第六篇 建筑幕墙工程检测第1章 概述1.1 幕墙的定义什么是幕墙？有人将它比喻成建筑的衣衫，有人将它比喻成建筑的皮肤。衣衫是强调幕墙对于建筑物的装饰效果，而皮肤则注重幕墙的使用功能，它为我们过滤及隔离外界环境的同时又使我们与外面世界相通。因此，对建筑物而言，幕墙不是简单的装饰，也不限于挡风避雨、保温隔热、通风换气，它让室内的人和室外的自然融为一体，做到我中有你、你中有我，成为古板的建筑与生动的自然沟通的桥梁。 欧洲标准建筑幕墙术语Curtain walling Terminology（EN 131192007）中幕墙（curtain walling）被定义为：external building Curtain Wall produced with framing made mainly of metal, timber or PVC-U, usually consisting of vertical and horizontal structural members, connected together and anchored to the supporting structure of the building, which provides, by itself or in conjunction with the building construction, all the normal functions of an external wall, but does not contribute to the load bearing characteristics of the building structure。可翻译如下：建筑幕墙是指具有横梁和立柱的建筑外立面，其中横梁和立柱可以为金属、木材或PVC-U材料，这些受力杆件与幕墙面板一起构成幕墙外皮并通过预埋系统固定在主体结构上，具有外墙的常规功能（如防风、避雨、保温等），但幕墙系统仅作为附加体系承担局部荷载，而不分担主体结构的荷载作用。我国标准玻璃幕墙工程技术规范（JGJ 102-2003）将建筑幕墙定义为：由支承结构体系与面板组成的、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性结构。金属与石材幕墙工程技术规范（JGJ 133-2001）、建筑幕墙（GB/T 21086-2007）基本上也采用了类似的定义。JGJ 102-2003的幕墙定义是非常科学和完善的，把幕墙的组成、功能尤其是与主体结构的区别作了精练而准确的叙述。最早出现的玻璃幕墙是在1917年美国旧金山的哈里德大厦，而真正意义上的玻璃幕墙是上世纪五十年代初建成的纽约利华大厦和联合国总部大厦（见图1.1-1和图1.1-2），我国第一个采用玻璃幕墙的工程是1984年建造的北京长城饭店。 1950年纽约（New York） 1953年纽约（New York） 图1.1-1 利华大厦 图1.1-2 联合国总部大厦1.1 幕墙的特点建筑幕墙大量应用于现在的公共建筑，如商场、宾馆、写字楼、体育馆、电视塔以及雕塑、纪念碑等。建筑幕墙主要包括玻璃幕墙、石材幕墙、铝板幕墙、及其他人造板幕墙。建筑幕墙在其构造和功能方面有如下特点：1.1.1 具有完整的构造体系建筑幕墙通常是由支承结构、面板和连接体系组成。支承结构可以是铝框架（框式玻璃幕墙），钢框架（常用的金属与石材幕墙），而型式各异的钢结构体系则用于点式玻璃幕墙的支承结构，如：钢桁架、索桁架、平面索网、单索体系等；面板可以是玻璃、石材、铝板以及其他人造板材，如：陶瓷板、陶土板等。整个建筑幕墙体系通过连接体系，包括预埋件或化学锚栓安装在建筑主体结构上。1.1.2 围护结构的受力模式建筑幕墙应能承受自身局部荷载，如风荷载、地震荷载和温差作用，并将它们传递到主体结构上。但同时，建筑幕墙一般不分担主体结构所承受的荷载和作用。不过对于一些钢结构建筑，如北京植物园温室，钢结构既是主体结构又是幕墙支承结构，钢结构既起到主体结构的作用，又充当围护结构。1.1.3 较好的变形能力建筑幕墙应能承受较大的自身平面内的变形，并具有相对于主体结构较大的变位能力。主体结构在地震荷载、风荷载作用下，产生层间变位，并把这种变形通过幕墙的连接件、支承体系传递到幕墙面板上，因此建筑幕墙系统平面内变形的能力主要包括以下两个方面：1）幕墙面板系统与主体结构的连接体系对层间变位的释放能力；2）幕墙面板系统对平面内变形作用的抵抗能力。另外，当外界温度变化时，建筑外围护结构随着环境温度的变化发生热胀冷缩，围护结构受温度影响比较敏感，主体结构的温度变化则比较均衡和平稳，这种建筑内部与外部温度变化的差异导致幕墙体系产生附加温度应力，结果会把承载能力相对较差的幕墙体系或连接部位损坏。所以建筑幕墙的立柱（竖龙骨）需要设置竖向温度变形缝等措施。1.1.4 自重轻建筑幕墙属于轻质墙体，有利于减轻建筑的自重，因此大量应用于高层建筑。玻璃幕墙的重量只相对于传统砖墙的1/10，相当于混凝土墙板的1/7，铝单板幕墙更轻，370mm砖墙760kg/m2，而玻璃幕墙只有3540kg/m2，铝单板幕墙只有2025kg/m2。极大地减少了主体结构的材料用量，也减轻了基础的荷载，节约了基础和主体结构的造价。1.1.5 装饰效果好建筑幕墙依据不同的面板材料可以产生实体墙无法达到的建筑效果，如色彩艳丽、多变，充满动感；建筑造型轻巧、灵活；虚实结合，内外交融，具有现代化建筑的特征。1.1.6 安装工艺简单、高效清洁幕墙由钢型材、铝型材、拉索和各种面板材料构成，这些型材和板材都能工业化生产，安装方法简便，特别是单元式幕墙，其主要的制作安装工作都是在工厂完成的，现场施工安装工作工序非常少，因此安装速度快，施工周期短。同时，幕墙安装无扬尘，实现了高效清洁的安装方式。1.1.7 维修更换方便建筑幕墙构造规格统一，面板材料单一、轻质，安装工艺简便，因此维修更换十分方便。特别是对那些可独立更换单元板块和单元幕墙的构造，维修更换更是简单易行。1.1.8 特别适用于既有建筑的改造由于建筑幕墙是挂在主体结构外侧，因此可用于旧建筑的更新改造，在不改动主体结构的前提下，通过外挂幕墙，内部重新装修，则可比较简便地完成旧建筑的改造更新。改造后的建筑如同新建筑一样，充满着现代化气息，光彩照人，不留任何陈旧的痕迹。1.1.9 功能化系统要求，易与新技术新材料结合建筑幕墙无论是玻璃幕墙还是金属与石材幕墙都是功能化系统的集成，因此建筑幕墙的设计应考虑以下性能：结构安全性（抗震防灾、抗风压性能）、节能性能（保温、遮阳、抗结露）、密封性能（空气渗透性能和防水、排水性能）、防火、防雷、光学（采光、照明及对周边环境的影响（如：眩光）、隔声与降噪、机械性能（启闭灵活）、耐久性等。同时建筑幕墙总是易与新技术结合，越来越多的人造板材幕墙以及不断改进的板块挂装工艺就是幕墙与新材料、新技术的结晶。典型建筑幕墙的标志性建筑如香港的金融中心（见图1.2-1）和上海的环球金融中心与金茂大厦（见图1.2-2）。 图1.2-1 香港的金融中心 图1.2-2 上海的环球金融中心与金茂大厦1.2 建筑幕墙的基本构成幕墙体系的构成，总体上包括以下三大部分：幕墙面板、支承结构体系、连接构造体系（图1.3-1）。图1.3-1 幕墙结构体系的构成 对于常见的框式玻璃幕墙来说，其支承体系则由横梁、立柱组成，而其连接体系则包括固定支座，结构胶粘结系统（SSGS structural sealant glazed system），周边密封系统（perimeter seal）等（见图1.3-2）。上框 周边密封 立柱 边框 擦窗机轨道 横梁固定支座 面板 下框图 1.3-2 框架式幕墙的常见组成1.2.1 面板幕墙的面板是组成幕墙外观的主要部分，承受局部水平风荷载和自重荷载，发挥幕墙挡风避雨的功能。常用的幕墙面板有：玻璃面板（图1.3-3）、天然石材面板（图1.3-4）、金属面板（图1.3-5）和其他人造板材。对于绝大多数金属和石材幕墙、隐框玻璃幕墙、点式玻璃幕墙而言，面板材料就是整个幕墙的外观。 图1.3-3 玻璃 图1.3-4 石材 图1.3-5 金属板1.2.2 支承结构体系支承结构体系是指在幕墙面板和主体结构之间并把面板上的荷载传递到主体结构的结构体系，如：框架式幕墙（明框或隐框幕墙）的框架梁柱（见图1.3-6），点支承幕墙的支承钢结构梁柱、钢桁架、索桁架、索杆体系、索网体系，全玻幕墙的支承玻璃肋梁、肋柱，石材幕墙的横梁、立柱（见图1.3-7）等。 图1.3-6 某单元体玻璃幕墙支承体系 图1.3-7 某石材幕墙支承体系目前，柔性结构在幕墙及其采光顶工程中大量应用，这类结构都属于预应力钢结构，通常统称为张力结构，其刚度由预应力提供，如：索桁架、索杆体系、索网体系等。以北京世纪财富中心（见图1.3-8和图1.3-9）为例：（1）支承结构为预应力单层索网结构，玻璃面板荷载通过高强度钢绞线组成的单层索网结构传给主体结构；（2）结构基于网球拍原理，索网通过施加的预应力产生抵抗平面外荷载的刚度；（3）单索结构幕墙由于需要钢绞线产生的较大变形来抵抗风压，因此索网的挠度一般控制在l/50，较一般幕墙大。 图1.3-8 北京世纪财富中心点式幕墙 图1.3-9 应力检测1.2.3 连接构造体系连接构造体系主要解决幕墙各构件、部件之间的可靠连接和协同工作，主要包括玻璃面板与支承结构的连接、支承结构构件之间的连接以及支承结构与主体结构之间的连接（主要形式之一是与主体结构的预埋件连接）等。1.1.1.1 明框幕墙连接明框玻璃幕墙属于元件式幕墙，将玻璃板用铝框镶嵌，形成四边有铝框的幕墙元件（见图1.3-10）；硬性接触处采用弹性连接，幕墙的隔音效果好；能够实现建筑上的平面幕墙和曲面幕墙效果；拆卸方便，易于更换，便于维护。 图1.3-10 明框幕墙1.1.1.2 隐框幕墙连接隐框幕墙采用硅酮结构密封胶连接玻璃与型材（见图1.3-11）。这里也包括两个内容：一是普通幕墙用结构密封胶，用于粘结玻璃与支承框架；二是中空玻璃用结构密封胶，用于粘结内外片玻璃。中空玻璃结构胶不同于一般结构胶，其变位能力一般为5左右，能保证中空玻璃两片玻璃的相对位置不变；而一般结构胶的变位能力为±25%50%。 图1.3-11 隐框幕墙隐框玻璃幕墙的玻璃是采用硅酮结构密封胶粘接在铝框上，胶的选取和使用极为重要，应具有优越的耐候性，粘结性和抗紫外线能力，特别是胶的活动性能，必须长期持久地承受活动的张力，压力和强烈的循环应力。1.1.1.3 点式玻璃幕墙（采光顶）连接驳接爪按外形分为X形、H形、山字形等；按表面处理分为镜光、哑面、氟碳喷涂等；按材质分为不锈钢、铝合金等（见图1.3-12）。 1 支撑爪件 2 玻璃面板图1.3-12 点支承采光顶1.1.1.4 石材幕墙连接一 点式点式石材幕墙连接方式，主要指背栓等可简化为铰接连接的石材挂接方式（见图1.3-13）。采用不锈钢胀栓无应力锚固连接，安全可靠；多向可调，表面平整度高，拼缝平直、整齐；采用挂式柔性连接，抗震性能好。图1.3-13 背栓石材幕墙系统1.1.1.5 石材幕墙连接二 槽式槽式石材幕墙连接方式，主要指石材周边开槽的连接方式，包括短槽、通槽、T型连接等型式（见图1.3-14）。采用挂式结构，安装是可三维调整；幕墙表面平整光滑；通长铝合金型材的使用，有效提高系统安全性及强度。图1.3-14 通长槽式石材幕墙连接1.1.1.6 金属板幕墙连接一 有附框的连接图1.3-15 金属板幕墙的有附框连接金属面板机械固定在附框上，通过附框把面板上的荷载传递到龙骨或埋件上（见图1.3-15）。1.1.1.7 金属板幕墙连接二 无附框的连接（带耳片、钢框架） 图1.3-16 金属板的耳片连接金属面板侧边带有耳片，通过耳片直接与骨架连接，或通过角码与骨架转接，面板上的荷载通过耳片或角码传递到龙骨或埋件上（见图1.3-16）。1.3 建筑幕墙的分类建筑幕墙根据分类方式不同，可以有多种形式。按幕墙的使用功能，可以分为围护用幕墙和装饰性幕墙，其中装饰性幕墙仅作为建筑的外装饰面，而不具有气密、水密性的要求。按面板的支承形式可以分为框支承幕墙、肋支承幕墙和点式支承幕墙，对于一个矩形面板基本上对应四边支承、两边支承和铰支座的受力模式。而框支承玻璃幕墙，根据框的显隐状态又可分为明框、隐框和半隐框玻璃幕墙，在第四章玻璃幕墙部分将作详细的介绍。从幕墙的施工方式上，又常分为构件式和单元式幕墙。当然，幕墙分类中最常用的分类是按照面板材料进行的，可分为玻璃幕墙、石材幕墙、金属幕墙和人造板材幕墙几种基本形式，其中金属、石材及人造板材幕墙在幕墙体系的构成上具有很大的类似性。下面对几种常见的幕墙进行简单的介绍。1.3.1 玻璃幕墙1.3.1.1 明框玻璃幕墙明框玻璃幕墙是指玻璃面板通过压板固定在横梁和立柱构成的框架上，四边铝框室外可见的幕墙（见图1.4-1和图1.4-3）。明框玻璃幕墙不仅应用广泛、性能稳定，还因为明框玻璃幕墙在形式上与玻璃窗接近，易于被人们接受，施工简单，形式传统，所以至今仍被人们所钟爱。 图1.4-1 明框玻璃幕墙 图1.4-2 隐框玻璃幕墙 图1.4-3 典型明框幕墙节点 图1.4-4 典型隐框幕墙节点1.3.1.2 全隐框玻璃幕墙隐框玻璃幕墙指：玻璃是采用硅酮结构密封胶粘接在铝附框上，构成玻璃单元板块，然后连接在横梁立柱组成的铝框架上，形成四边铝框室外不可见的幕墙（见图1.4-2和图1.4-4）。在有些工程上，为增加隐框玻璃幕墙的安全性，在玻璃周边增加铝框来固定玻璃，如北京的西环广场项目的小单元式隐框玻璃幕墙（图1.4-5）。结构胶是连接玻璃与铝框的关键所在，两者全靠结构胶连接。因此在隐框玻璃幕墙应用的初期，有许多专家学者认为，隐框玻璃幕墙是悬在人们头上的定时炸弹。其实只要结构胶满足相容性和剥离粘结性能，即结构胶能够有效地黏结与之接触的所有材料（如玻璃、铝框、垫块等），隐框玻璃幕墙的安全性能就能够得到保证。 图1.4-5 隐框幕墙1.3.1.3 半隐框玻璃幕墙相对于明框玻璃幕墙来说，幕墙的玻璃板两对边镶嵌在铝框内，另外两边采用结构胶直接粘接在铝附框上，构成半隐框玻璃幕墙。竖框隐蔽、横框外露的玻璃幕墙称为横明竖隐玻璃幕墙；横框隐蔽，竖框外露的玻璃幕墙称为横隐竖明玻璃幕墙（图1.4-6和图1.4-7）。 图1.4-6 横明竖隐玻璃幕墙 图1.4-7 横隐竖明玻璃幕墙1.3.1.4 全玻幕墙全玻璃幕墙就是由玻璃肋和玻璃面板构成的玻璃幕墙。在建筑物首层大堂、顶层和旋转餐厅，为增加玻璃幕墙的通透性，不仅玻璃板，包括支承结构都采用玻璃肋（见图1.4-8）。由图可见，只有玻璃参与室内外传热，因此玻璃的热工性能决定了全玻玻璃幕墙的热工性能。图1.4-8 全玻玻璃幕墙1.3.1.5 点支承玻璃幕墙点支承玻璃幕墙是由玻璃面板、点支承装置和支承结构共同组成的一种高通透的幕墙形式（见图1.4-9和图1.4-10）。其支承结构多采用钢结构梁、柱、桁架及张力结构（包括索网、索桁架、单索等），索结构支承点式玻璃幕墙将玻璃与拉索系统完美结合，充分展示了建筑的时尚与个性。玻璃面板必须经过钢化处理，可采用单层玻璃、中空玻璃、夹层玻璃。由图可见，不仅玻璃参与室内外传热，金属爪件也参与室内外传热，在一个幕墙单元中，玻璃面积远超过金属爪件的面积，因此玻璃的热工性能在点支式玻璃幕墙中占主导地位。 图1.4-9 点支式玻璃幕墙 图1.4-10 点支式玻璃幕墙1.3.2 石材幕墙面板材料是天然建筑石材的幕墙，如：花岗石幕墙、石灰石幕墙、砂岩幕墙等。石材幕墙是独立于实体墙之外的围护结构体系，一般在主体结构上设计安装专门的独立骨架体系（横、竖龙骨），该骨架固定在在主体结构上，然后采用金属挂件将石材面板安装在骨架结构上。石材幕墙应能承受自身的重力荷载、风荷载、地震荷载和温差作用，不承受主体结构所受的荷载。按石材幕墙板块之间是否打胶，石材幕墙又常分为闭缝式和开缝式两种，闭缝式石材幕墙应具有保温、隔热、隔声、防水等功能（见图1.4-11）。石材幕墙面板的挂接形式主要有背栓式、背槽式、短槽式（L型、T型）、通槽式四个类型，由于T型挂件不易实现石材板块的独立更换，因此不推荐使用。石材幕墙不是石材贴面墙，石材贴面墙是将石材通过拌有黏结剂的水泥砂浆直接贴在墙面上，石材面板与实墙面形成一体，两者之间没有间隙和任何相对运动或位移。 图1.4-11 石材幕墙 图1.4-12 金属幕墙（铝板）1.3.3 金属板幕墙金属板幕墙是通过骨架体系悬挂在主体结构上的，只是板块是金属面板（图1.4-12）。金属板幕墙按面板材料可分为铝单板幕墙、铝塑板幕墙、铝瓦楞板幕墙、铜板幕墙、彩钢板幕墙、钛板幕墙、钛锌板幕墙等，按是否打胶分为封闭式金属板幕墙和开放式金属板幕墙。金属板幕墙具有重量轻、强度高、板面平滑、富有金属光泽、质感丰富等特点，同时金属板幕墙还具有加工工艺简单、加工质量好、生产周期短、可工厂化生产、装配精度高和防火性能优良等特点，因此被广泛地应用于各种建筑中。1.3.4 人造板材幕墙幕墙面板为人造板材的幕墙，包括陶土板、瓷板、千思板、蜂窝板、微晶玻璃等幕墙型式。人造板材幕墙的构造型式尤其是结构支承系统和金属与石材幕墙一致，面板安装方式有的接近石材幕墙，有的接近金属板幕墙，其基本设计原理和金属与石材幕墙类似。1.3.5 双层幕墙双层幕墙（double-skin facade，简称 DSF）作为节能幕墙的一种形式，又被称为双层通风幕墙、呼吸式幕墙或者热通道幕墙等。双层幕墙以良好的通透性、新颖的造型和合理的结构为人们青睐，是现代高档建筑显著的特征。双层幕墙由内外两层幕墙组成，在内外幕墙之间形成一个相对封闭的空间，空气一般从幕墙下部进风口入，从上部排风口出，通道内的空气经常处于流动状态。冬季，由于阳光照射热通道温度升高，形成一个高温缓冲层，起到了隔绝室外冷空气的作用，提高了内侧玻璃的外表面温度，减少了建筑物采暖的运行费用；夏季，热通道内温度很高，打开外侧单层玻璃幕墙的进、出风口，通道中的空气由于烟囱效应而产生流动，流动空气带走通道中热量，使内层幕墙的外表面温度降低，减少空调负荷。在夏季由于缓冲层容易形成温室效应造成室内过热，在两层玻璃幕墙之间的通道中一般有遮阳设备，以通风排走遮阳百叶吸收并释放到通道中的热量，既保持了建筑平整、通透的外观，也提高了遮阳效果。与传统的单层玻璃幕墙相比，双层幕墙具有集节能、采光、防水、防风、隔声和装饰于一体的优点。依据通道内气体的循环方式，将双层幕墙分为内通风双层幕墙、外通风双层幕墙和开放式双层幕墙。1.3.5.1 内循环通道幕墙内循环通道幕墙的外层是完全封闭的，其空气循环过程均在室内进行，使得内层幕墙的外表面温度接近室内温度，能够降低采暖和制冷的能耗（见图1.4-13）。内循环通道幕墙一般在严寒地区和寒冷地区使用，其外层一般由断热型材与中空玻璃等热工性能优良的型材和面板组成，其内层一般为单层玻璃组成的玻璃幕墙或可开启窗，以便对通道进行清洗和内层幕墙的换气。通风换气层与吊顶部位设置的暖通系统抽风管相连，形成自下而上的强制性空气循环，室内空气通过内层玻璃下部的通风口进入换气层，使通道内的空气温度达到或接近室内温度，达到节能效果。内循环通道幕墙的循环通道厚度一般为100150mm。 图1.4-13 内循环通道幕墙 图1.4-14 外循环通道幕墙1.3.5.2 外循环通道幕墙外循环通道幕墙与“封闭式通道幕墙”相反，其的内层玻璃是完全封闭的，外层是单层玻璃与非断热型材组成的玻璃幕墙，内层是由中空玻璃与断热型材组成的保温隔热幕墙，室外新风从外层幕墙下部的进风口进入，经过热通道时带走热量，而后从幕墙上部的出风口排出（见图1.4-14）。这种幕墙结构不需要专用机械设备提供动力，完全靠自然通风和烟囱效应实现空气流动，是目前应用最广泛的形式。在夏季，打开外层幕墙上的通风口，通过流动的空气带走热量，降低内层幕墙的外表面温度，减少室内制冷负荷。在冬季，关闭外层幕墙上的通风口使热通道形成封闭空间，利用温室效应减少建筑物的采暖负荷。同时通过对进风口和出风口位置的控制以及对内层幕墙结构的设计，达到内通道自发向室内输送新鲜空气的目的，从而优化建筑通风质量。外循环幕墙的循环通道厚度宜为在400mm到500mm。1.3.5.3 开放式通道幕墙开放式通道幕墙一般在夏热冬冷地区和夏热冬暖地区使用，寒冷地区也有使用的。其外层原则上是不能封闭的，一般由单层玻璃和通风百叶组成，其内层一般为断热型材和中空玻璃等热工性能优良的型材和面板组成，或由实体墙和开启窗组成，两层幕墙之间的通风换气层一般为100mm500mm，其主要功能是改变建筑立面效果和室内换气方式。在通道内设置可调控的百叶窗或垂帘，可有效地调节日照遮阳，为室内创造更加舒适的环境。1.3.6 光电幕墙将太阳能转换模板密封在中空钢化玻璃中，安全地实现将太阳能转换为电能的建筑幕墙。除发电这项主要功能外，光电幕墙还具有隔热、隔声、安全、装饰等功能，特别是太阳能电池发电不会排放二氧化碳或产生有温室效应的气体，是一种清洁能源，与环境有很好的相容性。但因价格比较昂贵，光电幕墙现主要用于标志性建筑的屋顶和外墙，随着节能和环保的需要，我国正在逐渐接受这种幕墙形式。1.3.7 单元式与构件式幕墙建筑幕墙按施工安装方式分为构件式和单元式。1.3.7.1 构件式幕墙构件式幕墙指在现场在依次安装立柱、横梁和面板的建筑幕墙。构件式幕墙一般为框支承幕墙（见图1.4-15）。1.3.7.2 单元式幕墙单元式幕墙是一种高速度、高质量、高精度的幕墙形式，它将土建施工与外装施工同时进行，可最大限度的缩短工程周期。单元式幕墙是由金属构件与玻璃板材和铝合金板材以单元方式组成的建筑外围护结构，是工厂加工程度较高的一种类型幕墙（见图1.4-16）。单元式幕墙由于采用对插接缝，使幕墙对外界因素的变形适应能力更好；为采用雨幕原理进行构造设计提供了最佳场合，从而为提高整幅幕墙的水密性和气密性创造了条件。单元式幕墙的立面布置方式更趋灵活，为采用更合理的杆件计算简图提供了条件，从而使杆件用料更经济；单元式幕墙由于在工厂组装，单元组件本身的质量控制比工地优越。 图1.4-15 构件式幕墙 图1.4-16 单元式幕墙1.4 幕墙的发展1.4.1 建筑幕墙的历史建筑幕墙的发展大致经历了以下几个过程：1.4.1.1 第一代建筑幕墙（1750年1850年）“建筑幕墙（curtain wall）”这个概念起源于16世纪，当时是用来描述一种厚重的要塞建筑，这些建筑连在一起形成一个防御线用来保护被其包围的中世纪的村庄。最终，这个词汇从起到战场防御功能的建筑要塞逐渐转变为一个建筑物外立面或建筑对于外界环境的“防御线”，形成目前它所包含的意义。在19世纪前期，新一轮的建筑革新运动逐渐开始。在此之前，所有的建筑物几乎都是在现场进行建造、安装的。19世纪见证了各种新型的建筑材料在建筑外墙上的应用，铸铁、铁、钢和玻璃等材料在桥梁、温室和铁路车站上的逐渐应用开辟了一个新的空间概念，拱廊变得更宽、外墙变得透明。1830年，在美国宾夕法尼亚州Pottsville城有一个叫John Haviland的木匠，首次将铸铁板镶嵌在一栋两层高的建筑物上，他将铸铁镶嵌板漆染成石头的颜色，从外观上看几乎可以以假乱真。John Haviland可视为金属幕墙发展的鼻祖。而大约在同一时期，以铸铁作为建筑物的外表装饰物，也陆续在美国圣路易斯及新奥尔良等地出现，这些建筑象征着开始使用铸铁作为建筑物外墙装饰的新纪元，并影响了美国建筑界长达50年之久。建筑师德斯缪斯·伯顿（Decimus Burton）于18441848年在英国皇家植物园内建筑的名为棕榈屋（Palm House）的温室，为玻璃在早期建筑物围护结构上大面积应用的重要开端之一。在这个温室建筑中，玻璃被划分成许多小块镶嵌于铸铁制成的穹顶支承框架之间，形成了一个通体透明的玻璃宫殿，至今仍为英国皇家植物园内最著名的景点之一。1.4.1.2 第二代建筑幕墙（1850年1940年）1851年5月1日，第一届世界博览会在英国伦敦的海德公园顺利开幕，其主展馆为英国园艺设计师约瑟夫·帕克斯顿（Joseph Paxton）模仿植物王莲叶脉的结构，创意设计的一座以钢铁和玻璃为主要元素的“水晶宫”（Crystal Palace）。整个建筑物由钢架支撑，屋顶、墙面等部分采用大块玻璃组装而成。“水晶宫”的成功不仅成就了世博会也奠定了近现代功能主义建筑的雏形。1854年，“水晶宫”迁至英国锡德汉姆，用于举办美术展览、音乐会等，并于1936年毁于大火之中。1890年，Daniel Burnham和John Wellborn Root设计的Reliance大楼采用了大面积玻璃面板和陶土色的瓷砖作为其外立面装饰材料，大楼高15层，于1894年竣工，该大楼预示了20世纪将是高层建筑采用玻璃幕墙的一个重要时代。1917年，在美国旧金山市由Willis Polk设计的一栋6层的建筑物哈里德大厦（Hallidie），其外立面采用金属与玻璃的组合，大多数美国建筑史学者认为其为美国近代建筑幕墙史上第一栋玻璃幕墙建筑。该建筑迄今仍在使用，并成为旧金山市具有重要历史价值的建筑地标之一。20世纪2030年代，随着建筑材料和建筑科学技术的不断发展，特别是19世纪末叶以来出现的新材料、新技术得到完善充实并逐步推广应用，形成了20世纪一种最重要的建筑思潮和流派，即后来所谓的“现代主义建筑”。现代建筑强调建筑随时代发展而变化，要求建筑体现时代精神，同工业时代的条件和特点相适应，强调建筑师要研究和解决建筑的实用功能需求和经济问题，主张采用新材料、新结构，促进建筑革新，在建筑设计中运用和发挥新材料、新结构的特性。这时期出现了三位现代主义大师沃尔特·格罗皮乌斯（Walter Gropius，18831969年），勒·柯布西耶（Le Corbusier，18871965年）和密斯·凡·德·罗（Mies van der Rohe，18861969年）。其中沃尔特·格罗皮乌斯著名的代表作品是包豪斯校舍试验工厂（Bauhaus，1926年），这座四层厂房的二、三、四层有三面是全玻璃幕墙，玻璃墙面与实墙面形成虚与实，透明与不透明，轻薄与厚重等不同的视觉效果和建筑形象，成为后来多层和高层建筑采用全玻璃幕墙的先声；萨伏伊别墅（Villa Savoye，19281930年）体现了现代建筑大师勒·柯布西耶所提出的“新建筑”的特点，横向长窗与自由立面使建筑空间表现出更多的自由、变化和丰富；巴塞罗那博览会德国馆（19281929年）则是密斯·凡·德·罗早期现代主义建筑的一个代表作。自从1886年铝金属精炼法发明后，铝的大量生产及价格下跌，从开始只是用于建筑物饰品的铝金属逐渐成为建筑幕墙的主要建筑材料。1929年纽约知名建筑师Shreve、Lamb和Harmon率先使用6000片铝板用于帝国大厦，1931年落成的纽约帝国大厦仅用四方的金属框架结构便支撑起一座102层的摩天大楼，它的出现既得益于建筑设计观念挣脱了古典装饰的羁绊，又得益于新的建筑材料被科学地运用。从此，用铝材料做建筑幕墙的结构设计逐渐风行，经过几十年的发展并混合各种不同的建筑材料形成了目前现代建筑幕墙的规模。目前，最为流行的一种幕墙形式双层幕墙也在这一时期开始出现并得到发展。第一栋采用双层幕墙的建筑是位于德国Giengen的Steiff工厂，该建筑是由该工厂所有者的儿子Richard Steiff设计，并于1903年建造完成的。考虑到阳光的需求和寒冷天气以及强风的影响，Richard Steiff设计的这座三层建筑采用T型截面的焊接钢结构作为支承框架，在框架上每一支柱固定两层夹板，玻璃安装在夹板之间，中间留有25cm的空间宽度，而形成一种双层玻璃幕墙。1904年和1908年又有两栋相似的双层幕墙系统相继建成，但是在其结构中由木材取代了钢材，这三栋建筑目前还都在使用。1903年，Otto Wagner赢得了奥地利维也纳的邮政储蓄银行大厦的设计权，该建筑从1904年到1912年分两个阶段建设，在大厅的主要银行部分采用了双层天窗，由钢结构、玻璃和铝材组合的双层天窗占了该建筑的五分之三。在20世纪20年代，双层幕墙得到了较大程度的发展。在这期间，莫斯科建造了两栋具有代表性的双层幕墙建筑，Moisei Ginzburg设计的Narkomfin大楼（1928年）和Le Corbusier设计的Centrosoyus。一年后，Le Corbusier于法国巴黎设计了两栋采用双层幕墙的建筑物Cite de Retuge（1929年）和Immeuble Clarte（1930年），但最终在实际建造中均未采用。在第二次世界大战之后，世界各国逐渐把应用在军事上的技术和材料转移到建筑业上来，许多有利于建筑幕墙发展的新理论、新材料、新工艺的开发和利用，使建筑幕墙要求的各项性能指标，如承载力、空气渗透、雨水渗透、保温防潮、隔声防火等有了可靠的材料基础的技术保证，从而使建筑幕墙获得了飞速发展。1.4.1.3 第三代建筑幕墙（1950年1970年）自20世纪50年代之后，现代主义建筑的玻璃幕墙蓬勃发展，使得玻璃幕墙建筑在20世纪中后期一度成为现代主义建筑的代名词。这一时期，建筑幕墙在高层建筑上的应用是该时期的主题。其实早在1921年，密斯·凡·德·罗在一个高层建筑设计竞标方案中就向人们首次展示了全新的高层建筑构想：将高层建筑的一切装裱全部剥去，只留下最基本的框架结构，外面覆盖纯净透明的玻璃幕墙。第一个真正采用全玻璃幕墙的高层建筑是1952年Skidmore，Owings & Merrill事务所（SOM）设计的纽约利华大厦（Lever Buildings），其外形酷似一个“玻璃盒子”，开创全玻璃幕墙的高层建筑先例，首次实现了密斯20年代提出的玻璃摩天楼的梦想。“构件式幕墙”（Stick Curtain Wall）系统是这一时期的早期阶段较为广泛采用的幕墙体系，它是把建筑幕墙构件在工地现场进行组合，首先安装上锚固系统，其次是立柱、横梁，加上窗间板后再安装横梁，最后安装玻璃面板及进行密封和内部装饰。采用此施工方法的好处是材料节省、搬运费用低廉、材料构件尺寸较具弹性，缺点是工地的施工时间长、费用高且质量也不容易控制，但在总成本上算起来比较便宜，因此该幕墙系统还是被广泛采用，这种幕墙系统在设计上要严格计算和考虑伸缩缝的位置和楼层间的侧向位移。目前，我国常用的明框幕墙、隐框幕墙和半隐框幕墙以及全玻璃幕墙都属于构件式幕墙系统。“嵌板式幕墙”（panelized curtain wall）系统也是这一时期出现的新型幕墙系统。它是将幕墙板块整体固定在建筑物的主体结构上，这种幕墙具有轻薄的、连续的外层结构，但是承受水平荷载的能力较差，往往采用凹槽或波浪轧制的板面，板面也可冲压成具有三维刚度的凹凸形状，增加其承受水平荷载的能力。如果板面跨度较大也可在板内侧增设附框，将其固定在建筑物主体结构上，在特殊情况下，混凝土嵌板也可配置钢筋，以提高其抗弯能力。整层高度的嵌板幕墙多采用垂直跨接，精度计算困难，一般采用带有附框的金属板、混凝土预制板、石材等嵌板构造体系。嵌板式幕墙系统是后来单元式幕墙系统的早期雏形，不同之处在于单元式幕墙系统是由许多幕墙构件组合而成，而嵌板式幕墙系统则是指预制混凝土或金属冲压而成的单元系统。该系统使用于外墙简单并可大量复制外墙造型，大部分用于工业厂房或办公室。这一时期，国外高层建筑采用幕墙结构的迅速增多，世界范围内建造了许多经典的采用构件式幕墙系统的高层建筑，如：1952年美国宾夕法尼亚州匹兹堡市建成的阿尔考大厦（Alcoa Building），它是早期单元式幕墙的代表作；1953年落成的纽约联合国秘书处大厦（U.N.Secretariat Building）、1974年芝加哥建成的西尔斯大厦（Sears Tower，443米）、1972年建成的纽约市世界贸易中心大厦（World Trade Center，412米）和约翰·汉考克大厦（John Hancock Center，344米）都采用了明框铝合金玻璃幕墙等幕墙系统。1.4.1.4 第四代建筑幕墙（1970年1990年）在20世纪70年代以后，为解决工地建筑工人短缺、施工质量不易控制等因素，“单元式幕墙”（unitized curtain wall）系统于70年代中期在美国开始出现，并逐渐得到流行，成为该时代超高层建筑幕墙的主流。其特点是把建筑幕墙组合规格化，做成适合安装的幕墙单元，然后直接把单元固定于建筑主体结构系统上，构成整个幕墙系统。其中直料和横料以公母两支铝型材相互连锁扣住，既能挡风又能防水，每一单元都预先在厂房里组合，并加上玻璃，花岗石、铝板或不锈钢以及橡胶垫或填缝剂，铝型材及铝板表面也经过喷漆以及阳极处理过，加工精度和安装质量比较容易控制，完成的幕墙单元在安装后只要清洁工人清洗后即告完成，如果有因安装而致使幕墙单元表面破损或擦创，也可利用工人清洗时进行微小的修补。单元式幕墙最大的优点是安装迅速，安装精度较高，在超高层建筑中采用该幕墙系统可以大大缩短工期，因此这种施工方法在现代也是倍受欢迎，并有日渐增长的趋势。单元式幕墙系统除了在施工上的便利外，一般来说对于建筑的层间位移的承受能力好，尤其现代施工讲究钢结构材料的节省，这样就大大地增加了层间的位移。单元式系统在每一单元间都有保留间隔空隙，足以伸缩吸收楼层间的位移以及楼板上下活动荷载产生的挠度使得每一单元不会受到挤压、变形甚至破坏的情形。该时期的幕墙已经开始采用“雨幕原理”（rainscreen principle）或“压力