孟根2024版｜中国幕墙技术de创新与发展

楼市 2024-09-30 14:42 北京

摘要：中国幕墙技术经过 40 多年，特别是30多年的快速发展，由初期仅凭直接经验和模仿设计阶段跃升为结构计算理论化、构造系统化和规范化的发展新阶段。幕墙作为现代建筑重要的部件，将逐渐成为建筑的真正的多功能表皮，甚至低碳产能皮肤。

30年来，不管在材料应用创新、施工工艺改进、构造装配化、功能集成创新、视觉肌理多样化、系统性提高热工性能还是智能化控制，一直在实践中多样化创新，点滴中展现出进步。通过回顾分析幕墙技术创新和发展轨迹，总结经验提出不足，探索设计安全、经济、舒适和创新的幕墙道路，展望建筑幕墙未来创新与发展。

关键词：幕墙技术；幕墙技术创新；幕墙发展趋势

1、前言

我国建筑幕墙工业规模逾5000亿 , 已为实现建筑个性化表达外形及实现功能方面 , 创造了不可替代的价值。国内建筑幕墙从1984 年长城饭店工程中应用以来有近 40 年的发展历程 , 目前已步入广泛应用新技术、新材料、新工艺的智能信息化、绿色环保化、工厂装配化等全方位发展阶段 [1]。而数字化、智能化和节能技术为幕墙新的多样化创新提供了强有力的工具 , 造型及其功能的多样性越来越符合现代人的需求。而且幕墙作为建筑子系统 ,在满足建筑量身定制设计的过程中“个性化”既是必然也是业主追求商业价值、建筑师表达个人造诣和社会评价的必然结果[2] 。在行业发展进程中 ,幕墙的“ 风格”不断演化 , 围绕安全性、舒适性、美观性和经济性而持续改进 ,通过持续创新，满足该需求。这恰恰表明建筑幕墙与人的社会性紧密联系在一起。

2、幕墙技术创新动力分析

幕墙技术创新，起初主要围绕如何实现安全和简洁构造而展开的，所以重点放在构造和制造安装工艺方面[3]。如哈尔滨森融大厦隐框玻璃幕墙，通过设计定距压紧、定位安装方式，保证玻璃平整度高而且安装高效。

最近15年来，节能绿色化、装配化工艺、智能化和个性化设计成为幕墙创新的主要需求。图1总结了幕墙技术创新发展的核心动力，其中节能低碳要求是全局性的，国家和各地区节能标准在逐年持续提高的过程中。而单元幕墙作为装配化幕墙的代表性品种，代表了工厂化程度高、原始性能保持时间长和高品质幕墙，在当下制造和安装劳务成本快速升高的背景下，符合幕墙实施工艺演变方向。通过采用单元幕墙形式，降低其综合成本成为可能。

智能化是提高舒适互动、动态响应的基础性技术领域，也是更高层级上实现低碳节能的必要条件，通过优化对太阳能量透过率、可见光环境和通风等功能，可以达到综合节能和提高使用者舒适度的目的。数字化设计和过程管理，对提高幕墙完成度和降低时间成本方面，具有决定性的影响。对此BIM和AI将发挥重要作用。

建筑设计的基本原则和方针要求一直在微妙地演变中。在文化大革命前，“党的建筑方针”是：适用、经济、在可能的条件下注意美观。改革开放以来，重新强调适用、经济和美观原则。但市场上也出现了一批怪异建筑和表皮，人们以评丑陋建筑活动，表达对怪异建筑的反感之情。顺应该社会思潮，2016年国务院文件《关于进一步加强城市规划建设管理工作的若干意见》中提出：适用、经济、绿色和美观，重申了建筑设计中美观的重要性，并增加了绿色低碳的要求。这些承载社会责任的建筑设计理念，无疑对建筑表皮的发展走势产生积极的影响。

3、幕墙技术创新与发展历程

从建筑发展视角来看 , 某种幕墙风格盛行一段时间后将产生内在的转向需求。因此可通过改变造型、结构体系或材料工艺 , 来满足人们喜新厌旧的审美定位要求 ,但唯独不变的是对安全、经济、舒适和美观的需求[4] 。30年来国内幕墙，为了满足该要求，建筑表皮始终坚持技术创新，在构造创新、施工工艺创新、材料及其应用创新、功能集成创新和视觉肌理创新方面，展现出对多样化建筑创意做出积极响应。同时开发出多样化幕墙体系(如图2)，满足建筑设计多样化要求。

3.1 构造装配化以及单元式幕墙：94年之前幕墙外观形式为明框居多，森融大厦为标志，大量的项目采用隐框或半隐框形式玻璃幕墙。JGJ102-96出台之前，国内幕墙构造以框架式幕墙为主，少量的项目采用单元幕墙体系。而且一般由境外幕墙企业完成，如以北京长城饭店为例，单元板块在比利时组装后，运到北京安装。北京中纺大厦是由国内幕墙企业设计安装的早期单元式幕墙示范项目之一，采用了竖锁式单元幕墙形式。

3.2 创新材料应用造就了多样化建筑幕墙

建筑师的创意推动着建筑幕墙技术的不断发展，也带动了相关材料的进步。而新材料的涌现，反过来又促进了幕墙技术的创新与发展。日本知名建筑师隈研吾在《隈研吾的材料研究室》的开篇就提到“遇到新的材料，新的时代就开始了”。从列入国家建筑材料工业“十四五”科技发展规划的幕墙材料也可以看出，各种新型材料，如结构粘接材料、高强度线性金属材料、高性能低辐射Low-E节能玻璃和多样化的装饰面板材料的发展得到各方重视。在人造板材方面，今天已发展出瓷板、陶板、玻璃纤维增强水泥GRC板、超高性能混凝土UHPC板、强化玻纤高聚合热压复合GRP板、烧结致密陶瓷岩板、挤出混凝土板ECP等材料和其复合应用材料。个性化异形表皮的兴起，为GRC板和UHPC板提供了应用场景。GRC板通常采用“喷射入模具”工艺，制造灵活，但品质稳定性有待提高。GRC轻质构件通过选用高品质原料、提高模具精度、保障7天以上的初期养护时间、表面防水处理、排水路径优化等措施，正在系统性解决开裂、掉角和排水孔周围发霉发黑等材料顽疾。UHPC强度比GRC高3倍之多，吸水率也只有GRC的1/5甚至更低，并且具有轻质、超高强、可造型的特点，在结构装饰一体化领域备受建筑师和业主的青睐。而且只有装饰而没有结构需求的领域，高性能混凝土HPC材料，再结合多样化纤维增强材料进行复合，正在拓展其应用范围。

在大工业化玻璃技术支撑下，在建筑节能设计方面，玻璃改变了建筑。各类高性能玻璃，如多银Low-E膜节能玻璃、丝网印刷玻璃、数码打印图案玻璃、调光玻璃和光伏发电玻璃等高性能玻璃产品以及对其组合应用，在满足节能指标要求的同时，极大地丰富了建筑个性化表达。目前双中空与多银LOW-E多层膜结合运用，能够有效地对玻璃热传导、对流和辐射进行控制，将在节能低碳幕墙领域创造巨大价值。图4给出典型配置玻璃传热系数K值和遮阳系数Sc值，与带有不同长度断桥的金属边框结合运用，可以满足不同节能等级的建筑幕墙需求。

在多彩金属面板方面，早期常用材料主要有铝单板、铝复合板和铝蜂窝板等，后期增加了不锈钢板、搪瓷板、铜板、钛锌板和种类繁多的仿石、仿木的金属板系列产品。目前聚氨酯系列材料，在提升门窗和幕墙节能性能方面，表现出一定的优越性，如果很好地解决其局部连接强度、多向异性、挤出精度、表面处理和回收方面的短板，或适应性应用好，将在节能门窗幕墙领域发挥重要作用。

3.3 功能集成创新：通风器、LED及媒体幕墙、BIPV幕墙、智能控制和响应幕墙

通风器和LED集成幕墙：集成创新是幕墙创新的普遍形式，而通过集成隐蔽式通风器和见光不见灯的LED集成设计，可实现与建筑幕墙与通风和照明功能高度集成。通风器是幕墙通风的一种常用形式，因为采用通风窗，无论采用何种开启方式，对立面都会带来不同程度的破坏。为了解决该矛盾，建筑幕墙个性化肌理与通风器和隐蔽式LED灯带结合设计幕墙应运而生(如图5项目)，通风器往往可与表皮肌理结合起来设计。

BIPV幕墙：长期以来，国家相关部门高度重视光伏发电与建筑一体化融合，推动了光伏技术和产业的适应性发展。特别是2022年4月实施《建筑节能与可再生能源利用通用规范》(GB 55015-2021)后，各地区配套出台了量化应用光伏一体化BIPV系统的具体措施和要求。尽管政策上鼓励应用BIPV幕墙，受多方面要素的影响，当前BIPV应用与“安装型”太阳能光伏建筑(Building attached photovoltaic，BAPV)应用相比，具有综合成本高、立面集成体系的发电量折减等弱势，立面BIPV应用积极性不如屋面BAPV应用。但建筑立面面积远大于屋面，BIPV的集成应用于立面上的潜力巨大。随着国家和各地针对BIPV的政策扶持、BIPV评价标准的完善和BIPV本身技术装备的迭代发展，建筑幕墙被赋予更多的“低碳美学”绿色属性，BIPV幕墙将迎来快速发展时期。

智能幕墙--感应幕墙：智能幕墙，通过对外界天气参数变化做出自动响应，进而通过调节遮阳、玻璃透光量和通风等因素，对室内建筑物理环境参数进行控制的幕墙系统。智能幕墙的最高境界是，通过人机互动以感知、动态反馈控制、算法学习迭代等方式来优化控制系统，达到节能舒适的目的(如图6)。智能幕墙，受成本原因，只有少量建筑幕墙中采用。

而感应幕墙是指可以根据使用者存在与所处状态，进行响应的动态幕墙。高级的感应幕墙，可根据环境参数自动调节玻璃的透光度、启动或关闭通风装置，根据使用者的状态呼吸通风甚至生产氧气，适时动态提升环境质量。另一种幕墙感应形式是类似索契冬奥会建造的巨大人脸动态幕墙，与游客进行实时互动，可以在三维空间中变幻图像。

3.4 视觉创意：纤细幕墙、自由曲面幕墙、个性化肌理幕墙(自然形态)

为了把握幕墙核心技术风格转变脉络，下面选择一些具有全局性属性的开放式体系、纤细通透化、自由曲面和个性化肌理等幕墙技术，进行针对性剖析和探讨。

3.4.1 实现通透纤细幕墙策略

幕墙界追求制造通透幕墙的努力从未停止过。实现通透幕墙一般通过增加幕墙单块玻璃面积、提高玻璃可见光透过率、使用更加纤细的构件等措施实现的。根据系统性调研发现，深圳和上海等地的玻璃幕墙单块玻璃面积30年来普遍增加了4倍以上。以深圳和上海幕墙玻璃为例(如7所示)，单块玻璃板块面积从最初的1.8m2到现在的8m2，增长4倍以上。目前，单块玻璃的宽度 2.4m很普遍，裙房所用玻璃更是由6米高增加到20米左右(北京城市副中心图书馆所用玻璃：3m*15m)。可见光透过率(Visible Light Transmittance, 即VLT)从早期镀膜玻璃普遍30%左右提高到现在的60%左右，甚至通过采用高透LOW-E玻璃，可见光光透过率可以提高到近80%，从而能获得明亮的凉爽室内光环境。

纤细构件使用方面，更是创新做法层出不穷。替换铝构件为精致钢、单层索网、加辅助支撑等均为构件纤细化策略。幕墙龙骨从采用铝合金构件到纤细精致钢构件，再到单层索网结构。

可通过索-装饰框体系获得纤细感(如8)，即通过索外包异形铝型材进行简化装饰或把索放置于玻璃缝隙的做法，获得纤细通透感。相信将来更多的项目采用基于该原理完成的幕墙或其某种变化形态。

早期吊挂全玻璃幕墙一般采用胶粘夹板工艺，吊装工艺如图所示。这种工艺对施工要求比较高，离散性也较大。而最新发展的打孔吊挂工艺离散性小得多，这种全玻璃吊挂系统，能保证安全性和寿命的同时，满足了施工方便性要求。不过，建筑设计一味地追求超大规格玻璃，并非理性之举，即便玻璃吊挂孔中填充高抗压胶，能均化边缘应力避免应力集中，若不能严格按工艺施工，同样会失效。

3.4.2 自由曲面幕墙及冷弯技术

从神经美学观点来看，曲面建筑给人动感体验和亲近感。所以不管经典建筑中的弧线元素还是最近“数字化”为风格的流线型异形建筑幕墙，给人带来独特的建筑审美体验,如国家速滑馆[5]。随着数字化设计手段和材料工艺的进步，如参数化正向设计和低成本的冷弯金属板或玻璃和人造板技术，为这一类项目成功落地创造了良好的条件。一般玻璃曲率大于1500倍厚度时，就适合采用冷弯工艺，根据经验，当翘曲值≤L(短边)/60时，由于弯钢化技术的限制，采用冷弯工艺成形，能有效保证建筑效果，经济效益高，且技术简单，安全度在可控范围内。例如，俄罗斯圣彼得堡银行办公楼玻璃幕墙项目(如图所示)采用单元板块整体冷弯工艺，外立面为双曲面形态。该项目中把玻璃组装为平板单元幕墙板块，现场通过压板施压实现微弧线曲面幕墙，保持较低的玻璃表面永久附加应力。该项目采用AGC的带遮阳膜的三玻两腔配置，一个角的翘曲值大约50mm左右。在工厂制作全比例模型，将玻璃通过压板使之翘曲70mm左右，经过一段时间的全方位测试，验证方案可行，并最终应用于该工程。现该工程已完工并投入使用了几年的时间，暂无发生玻璃在长期应力作用下破碎等现象。国内采用单中空冷弯玻璃的案例较多，但尚无大型冷弯双中空玻璃的案例。

为了进一步分析冷弯玻璃固定应力分布，本课题组通过有限元方法分别对单点固定和多点固定玻璃幕墙进行了数值模拟。模拟结果表明，选择8mm单片玻璃，40mm位移荷载时单点固定和多点固定应力值分别为5.02MPa和6.29MPa，单点固定应力值为多点固定时的80%，如图所示。

3.4.3 肌理幕墙：满足个性化体验和韵律美

随着人们追求建筑新颖个性化表皮、数字化幕墙设计和建造技术的进步，越来越多的建筑采用既具备抽象化肌理美感，又承载文化元素和光伏一体化等功能集成的幕墙形式-肌理幕墙[6]。这种幕墙相对于具有矩形平滑表面幕墙，引入更多折皱和斜线方式[7]。

肌理幕墙可以通过多层集成或单层褶皱实现某个性化图案，前期可通过BIM技术辅助设计更好展示出个性化体验和韵律美。一般来说，可采用如下设计手法实现：

采用单层肌理幕墙(见图)，其设计和制造难度较大，实现精致面临较多挑战，其核心技术是：(1)断框工艺，通过插芯实现转折传力作为基础;(2)玻璃角度，通过组合附框，加以调节;(3)实现室内视觉舒适、协调，包含式设计。

采用多层如双层幕墙(见图)，通过外层构件表达肌理图案。由于该策略采用多层幕墙体系，其材料和施工成本略高，但技术难度不大。其技术原则为：(1)外层材料形成立面肌理图案;(2)内层幕墙防水隔热保温;(3)内外层之间设置缓冲区，设置外遮阳帘;(4)实现通风、遮阳、绿建节能。

4、数字化设计应用及展望：

幕墙数字化发端于BIM应用。BIM数字化平台在幕墙全信息设计、CAM制造和可视化全生命周期管理过程发挥重要作用[ 8 ]。而人工智能将为幕墙发展注入变革动力，将在建筑表皮效果和幕墙构造自动生成、既有建筑缺陷检测、项目可视化实施管理以及智慧化控制运行等多个领域发挥重要作用。建筑及表皮应用AI赋能目前主要包括以下4大领域：1)基于大数据和机器学习，辅助设计泛建筑系统，并基于VR高效决策表皮设计方案;2)机器人与真人协同智能化制造;3)基于实景实时监测，实现可视化全过程管理(整合硬件和软件);4)助力建成后的智慧控制运行，并基于大数据深度学习，不断优化运行算法，改善运行效果等。

基于大数据和机器学习辅助设计尚处于起步阶段。目前借用BIM正向设计技术，建立全信息模型，再通过现场实物测量进行逆向修正建模，完成数字化应用。将来会逐渐转变为利用AI生成模型，再通过与构件基元库建立连接，建立高效的幕墙设计体系。机器人与真人协同智能制造领域属于AI技术发展较快的领域。可以预见，随着人工成本的快速提高，工厂化人机协同以及施工机械化和智能化是大势所趋，该领域智能化制造有很大的升级空间(图14)。

5、总结

国内建筑幕墙经历30多年的快速创新与发展，已建立起了完备的行业标准体系、多样化材料应用体系和构造体系，并通过巨量幕墙工程实践，积累了丰富的创新和落地实施经验，为接下来的高质量发展奠定了坚实基础。与此同时，也存在不成熟材料、工艺和技术投放市场后，出现短寿命幕墙时有发生，影响了创新价值。

当下“创新系统化、设计参数化、管理实物-虚拟同步化、现场施工机械化”是提高幕墙品质的有效手段，需要认真对待每个项目所用新材料、新技术和新工艺，完成必要的试验以降低实施风险，提高建筑幕墙完成度。

1、幕墙结构计算技术，因采用有限元等先进计算方法，为幕墙设计实现物尽其用提供了可能，值得进一步完善具体计算方法，做到设计既可靠又经济;(如大跨构件稳定性计算)

2、建筑表皮和幕墙个性化是建筑设计创意必然，但只有对幕墙安全、功能、与人互动、经济性和美观性进行系统性评估，才能有效平衡幕墙制造成本与性能;

3、应该多研究幕墙相关规范的精神，掌握制定规范条文逻辑和原理，才能活用规范条文本身，完成好高品质创新幕墙产品。规范是成熟经验的总结，掌握其原理，避免落入教条，敢于创新才有出路;

4、试验是确实性之母，创新可落地的基础，应给予重视;

5、建筑系统的低碳绿色设计需求下，幕墙所用大工业化节能材料将发挥更重要作用;

6、幕墙美观应从城市尺度、街道尺度和近人尺度，加以把握;其中，神经建筑学设计原则是实现该目标的合适选项;

7、幕墙创新无止境，节能、高性价比、与人响应和互动、功能集成幕墙，如低能耗幕墙、智能控制幕墙、媒体幕墙、BIPV 幕墙和对其集成幕墙，将有巨大的发展潜力;创新是时代主题，但要认识到安全、节能、舒适、美观和经济性作为终极评判标准的重要性，扎实推动材料创新应用、工艺改进、功能集成和数字智能化在内的创新。

参考文献

[1] 汪大绥，孟根宝力高. 我国幕墙系统发展现状与未来展望 [J]. 建筑实践. 2023.04:06-25.

[2] 孟根宝力高等. 现代建筑外皮[M]. 辽宁科学技术出版社, 2015

[3] 罗忆, 黄圻, 刘忠伟. 建筑幕墙设计与施工[M]. 化学工业出版社, 2007.

[4] 黄小坤，赵西安，刘军进，刘刚.我国建筑幕墙技术30年发展[J].建筑科学.1002-8528(2013)11-0080-09

[5] 郑方, 董晓玉, 林志云. 国家速滑馆(冰丝带)[J]. 建筑技艺, 2021, 27(05): 14-19.

[6] 王海峰. 景观的表象与肌理：都市剧中玻璃幕墙的视觉符码[J]. 江汉学术, 2021, 40(4): 116-122.

[7] Thomas Herzog. Facade construction manual[M]. Birkhauser Verlag AG. 2008.

[8] 张鹏飞. 基于BIM的大型工程全寿命周期管理[M]. 1版. 上海. 同济大学出版社, 2016

作者：孟根宝力高　张立森　卢建华

作者单位：华东建筑设计研究院有限公司

来源：2024论文集

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