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超高层建筑玻璃幕墙设计要素和施工技术主讲人席时葭教授2019年5月18日郑州一、超高层建筑玻璃幕墙的发展前景1、全世界的超高层建筑将在中国集中集中度80%85%90%2、全世界的超高层建筑100%采用玻璃幕墙3、全世界的超高层玻璃幕墙100%是单元体幕墙二、世界级超高层建筑（中国）玻璃幕墙特点介绍1、单元式玻璃幕墙及组合玻璃幕墙2、一体板单元式直角、T型、L型、H型、任意性、无规律型3、分体板单元式矩形、梯形、三角形等等；明框、隐框、半隐框等等；单曲弧形、双曲弧形（四点不共面）上海环球金融中心101层广州珠江新城西塔103层广州珠江新城西塔103层深圳京基金融中心98层深圳京基金融中心98层深圳京基金融中心98层上海中心123层上海中心123层上海中心123层天津高银117层深圳平安115层深圳平安115太平金融大厦太平金融大厦广州珠江城71层南京紫峰大厦70层迪拜塔迪拜塔三、超高层建筑的玻璃幕墙设计要素（一）玻璃幕墙是超高层建筑外围护结构之首选（二）风荷载风洞试验风压分区风环境风阻尼风舒适度1、建筑荷载分类：风荷载自重荷载地震作用温度作用属性：可变荷载永久荷载偶发荷载可变荷载组合：作为建筑外围护结构的建筑幕墙，研究的是荷载组合，即风荷载、自重荷载、地震作用、温度作用的组合；加权配置的组合；各项的系数是不一样的。结论：风荷载永久占最大的份额，大约80%。2、风荷载的确定根据国家标准《建筑结构荷载规范》GB50009来计算。kWW标准值风压从基本风压00'WWzslgzk高度变化系数— 局部体型系数— 处的阵风系数— zslgzz又分成“主要受力结构”和“围护结构”的计算公式。我们研究的幕墙属于围护结构，所以用公式： 。与局部体型系数 体型系数两种计算公式的区别是sls用国家标准GB50009《建筑结构荷载规范》来计算超高层建筑幕墙风荷载的标准值可能出现明显的偏差。kW1）用8.1.1-2计算公式来计算风压Wk时，高度越高风压越大，这不完全正确。;6697.291.209.13005倍，增加上升到由度变化系数米，高米到类为例，从 以地面粗糙度zA;1786.140.165.13005倍，减少降到由风系数米，阵米到类为例，从 以地面粗糙度gzA两项相乘，必定得出高度越高风压越大的结论。但这和风洞试验报告所显示的数值显然不符。2）表8.2.1显示：A类地区（300米以上）、B类地区（350米以上）、C类地区（450米以上）、D类地区（550米以上），都是的高度变化系数91.2z换而言之，300米以上的超高层建筑的高度变化系数不“变化”了！没有了高度方向的敏感度，这是任何一栋超高层建筑的风洞试验报告都不支持的、不契合这一数字的描述。实际测试显示高度变化系数是变化的，是非线性变化的。3）用表格8.3.1来取体型系数的数值，无法s解析超高层建筑（同一高度）正负风压绝对值的数量关系和位置关系。表格8.3.1显示垂直立面体型系数的正值永远大于负值；但所有超高层建筑风洞试验报告显示同一高度负风压永远大于正风压，完全相悖。4）无法描述每一栋超高层项目独特风环境的真实情况。3、2019版《建筑结构荷载规范》的增加和修正：(1)调整高度变化系数8.2节从450米到550米强调超高层建筑的高度(3)干扰效应系数8.3.2条强调超高层建筑超高层建筑群风环境(4)风洞试验8.3.6条强调设备、方法、数据处理《建筑工程风洞试验方法标准》(2)局部体型系数8.3.3条围护结构强调局部体型系数sls(5)顺风向风振系数8.4节强调超高层顺风向风振和风振系数(6)横风向和扭转风振8.5节强调超高层横风向和扭转风振(7)组合工况8.5节强调超高层顺风向风载、横风向及扭转风振等效风载的组合工况(8)阵风系数8.6节强调超高层建筑的阵风系数和地面粗糙度的逆向发展趋势关系(9)温度作用由于超高层建筑的大量涌现增加的第九章结论：2019版《建筑结构荷载规范》的增加、修正都和超高层建筑及超高层建筑群有关。1）国家标准GB50009—2019《建筑结构荷载规范》8.1.2.“对于高层建筑、高耸结构以及对风荷载比较敏感的其它结构，基本风压的取值应适当提高，并应符合有关结构设计规范的规定。”4、风洞试验的必须2）国家行业标准SGJ102—2019《玻璃幕墙工程技术规范》5.3.3.“玻璃幕墙的风荷载标准值可按风洞试验结果确定；玻璃幕墙高度大于200m或体型、风荷载环境复杂时，宜进行风洞试验确定风荷载。”3）国家行业标准《建筑工程风洞试验方法标准》正在编制中，将确定试验设备、试验方法和数据处理。5、风洞试验报告研读原则1）风压重现期主体结构100年一遇；围护结构50年一遇；幕墙围护结构相互关系10%2）风环境以建筑高度的1～1.5倍为半径。R=500米、R=750米、R=1000米等。3）最高风压区的判断超高层建筑高度的2/3处、角部4）高度关注负风压的变化趋势极值、负风压和正风压的关系5）幕墙风压分区原则安全原则节省原则粗线条原则3～5个区（400～500米）或100米一个风压分区加工安装便利原则（三）单元式幕墙是超高层玻璃幕墙系统的唯一选择单元体的历史单元体优势1）大幅度提升施工速度2）有效吸收层间位移、层间压缩及温变3）可全程在室内安装便捷、安全4）最复杂的几何形状，可在工厂内用先进的设备来解决单元体弱点1）成本较高2）水密性系统较为脆弱3）单元体损坏后修复极为困难（四）单元式幕墙的力学模型简支梁多跨连续梁(1)一点固定(2)前后转动(3)上下插入(4)微量移动(5)每一块板都能动（五）单元式幕墙水密理论-----等压腔----十字头封堵的设计工程一：工程一：工程一：工程三：工程三：工程一：工程二：工程二：工程二：工程二：工程三：工程三：工程三：工程三：（六）单元式玻璃幕墙吊挂系统之设计(含定位、调整及防滑脱系统)工程一：工程一：工程一：工程一：工程二：工程二：工程二：工程三：工程三：工程三：（七）单元式玻璃幕墙设计之公母插接槽工程一：工程一：工程一：工程一：工程二：工程三：工程三：工程三：（八）单元式玻璃幕墙设计中的玻璃配置1）平直钢化夹胶中空Low-E膜阳光控制膜双涂层膜自爆问题热工问题光污染问题光畸变问题2）四点不共面热弯（不可能完全相同曲率半径）冷弯（扭拧量及扭拧应力的分析）天津津塔经三维放样分析得出结论，在B区67层、68层、69层位置扭拧量最大玻璃单元板块最大扭拧量为最大扭拧部位玻璃应力分析扭拧应力分析采用实物单元幕墙样板试验与单元幕墙样板有限元分析相结合的方法来分析，并通过测试与有限元分析，得出结论：扭拧引起的玻璃板块中最大应力值较低，远小于钢化玻璃的强度设计值，不利影响较为有限；并且扭拧与风及水平地震荷载引起的应力最大区域分布不同（扭拧状态下，玻璃应力较大区域位于玻璃板块的角部；在风及水平地震荷载作用下，应力较大区域位于玻璃板块中心区域），从而使得扭拧对最不利受力状态的玻璃最大应力值的影响极为有限（由29.58MPa增大到29.71MPa），将考虑扭拧作用后的玻璃最大应力值与玻璃强度设计值相比，能满足规范要求，并具有较大的安全度。考虑扭拧影响后，在最不利的风及水平地震荷载作用下，玻璃周边支承铝框、幕墙与主体结构的连接件的强度和变形均能满足规范要求。因此，为满足建筑外形需要，采用扭拧方法，使单元幕墙板块安装形成曲面是安全可行的。最大扭拧部位玻璃应力分析扭拧状态与非扭拧状态下应力比较：单元幕墙在扭拧状态下，负风压及水平地震荷载作用时玻璃的应力最高，此时，外层玻璃表面最大应力达到29.71MPa；单元幕墙在未扭拧状态下，负风压及水平地震作用时玻璃最大应力为29.58MPa。扭拧状态下仅比未扭拧时增加0.13MPa，为扭拧时最大应力的0.44％，影响极小。扭拧状态下与玻璃水平自然放置自重变形产生的应力比较：最大扭拧部位玻璃应力分析经过有限元分析计算，与扭拧板块尺寸相同的水平放置的玻璃板块在重力荷载作用下，单层玻璃表面应力最大值为3.809MPa，中空玻璃的表面应力最大值为3.914MPa；单元幕墙板块在扭拧状态下，单层玻璃表面应力最大值为7.591MPa，双层中空玻璃表面应力最大值为5.029MPa，稍大于重力作用下的水平玻璃板块应力，两者量级相同，均远小于钢化玻璃的强度设计值84MPa，对后续的承载性能影响不大。广州珠江城深圳京基金融中心98层上海中心123层上海中心123层（九）单元式玻璃幕墙防火、防雷之设计1）防火设计（单元式和构件式根本区别）●层间防火封堵必须和单元板块安装同步进行●因为单元式使用于超高层超高层巨大的烟囱效应封堵的质量要求高典型案例⑴2）防雷设计（单元式和构件根本区别）●每一块单元板块相互是绝缘的；●每一块单元板块均要避雷跨接线；●固定跨接线的螺钉必须带胶帽，必须在工厂内完成●超高层隐框单元式玻璃幕墙接雷电面的问题（十）单元式板块设计一定要和LED、航空警示灯、室内扶手、擦窗机相结合●关键点，所有的单元板块打孔均必须在工厂内完成●关键点，所有的螺钉孔都要密封，都要带胶帽（十一）单元式玻璃幕墙维修和板块更换之设计●关键点完整的等压腔构作●关键点不能在单元式中夹带构件式（十二）超高层单元式隐框玻璃幕墙安全夹之设计●关键点化学粘结应由机械链接来双保险●关键点安全夹必须是通长的点荷载线荷载面荷载工程二：（十三）超高层双层单元式玻璃幕墙之初步介绍关键点“烟囱效应”的双刃剑一般外循环单元式双层幕墙构造一般内循环单元式双层幕墙构造（十四）超高层单元式玻璃幕墙之自然通风的问题●简单的自然通风不被采用安全风险超高层一般不开启●自然通风涉及“气舒适度”●室内开通风气南京紫峰大厦70层南京紫峰大厦70层太平金融大厦太平金融大厦四、超高层建筑玻璃幕墙之施工技术1.测量定位微调技术1）测量技术是单元板准确安装的依据测量依据测量方法2）定位技术是单元板安全运行的核心定位块定位螺栓一端固定一端自由3）微调技术是单元板精确就位的关键偏差产生偏差微调方向2.垂直运输技术1）室内电梯：广州电视塔、广州西塔2）室外电梯：深圳京基、武汉中心3）钢平台+塔吊：上海环球、上海中心4）屋顶吊+魔术吊；软导轨的导航吊3.吊装技术1）单轨吊双轨吊单臂吊2）精确定位盲吊盲挂4.检测技术1）单元板块的取样根据GB/T15227规定：典型接缝2）国家标准美国标准3）三性四性及五性5.安全技术1）临边作业技术2）吊兰作业技术3）防过载防冲顶防坠落6.成品保护技术1）贴膜保护2）盖板保护3）工艺保护7.提升安装速度之技术1）单楼层：多起头、多收口双母插接配双公2）多楼层：多层螺旋作业法8.维修及更换板块技术1）单元式内不能含有构件式2）纵向切割+插芯3）横向切割+插芯