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发布时间:2020-02-17 13:27:21 阅读: 来源:镀锌板带厂家

建筑外装饰构造技术

清华大学建筑玻璃与金属结构研究所 高级工程师 罗忆前 言 随着社会经济的不断发展,人们的生活品质不断提高,对建筑不仅是“有盖空间”的概念,而是追求工作和生活空间能更大限度地与大自然融为一体。新材料、新技术和新的建筑构造方法促使建筑形式不断变革,以高技术手段解决建筑问题的设计新思路,为建筑师开拓了更大的创作空间。近年来,由于玻璃与金属等材料科学和加工工艺的飞速发展,点支式玻璃帷幕技术的诞生具有一定的必然性。 1996年开始,笔者从国外引进了点支式玻璃帷幕技术,并成功地建造了我国第一个点支式玻璃幕墙工程。之后,此类工程就像雨后春笋般地出现在祖国的大江南北。充分显示了点支式玻璃惟幕技术的不可替代的优越性和无比旺盛的生命力。本文是笔者根据几十项点支式玻璃帷幕工程实践的亲身体会和在清华大学建筑玻璃与金属结构研究所相关科研工作的心得总结所撰写的,以祈通过交流与沟通,使点支式玻璃帷幕这项建筑新技术,能在业内外朋友们的关心和支持下,得到更广泛和更迅速地发展,为建筑业的变革提供更有力的技术支持。 一、一项新的建筑技术 建筑玻璃帷幕技术的发展及其应用,产生于多元化的建筑思潮以及技术高度发展的支持。从广义上来说,多种形式的玻璃产品用之于建筑,是基于建筑还内部空间于大自然的理念,是一种返祖现象。从狭义上来说,由于现代建筑结构无论在形式上、材料上、工艺上、色彩上的配搭,都可以是多重性的,建筑师通过表现结构来体现建筑的艺术美、工艺美从技术上来说,人们可以通过选择玻璃的通透清玻、有选择性的通透镀膜、透光不透像彩色或丝印,或通过使用窗帘获得有限保护的建筑空间室内空间。这些正是二十一世纪建筑文化的重要特征,它具备了真正意义的物质文明与精神文明,古代、现代、后现代主义及多元主义建筑文化的广泛兼收并蓄,也达到了要求现代建筑结构对建筑设计、技术发展、经济发展、传统文化、地域气候的广泛适应,更使得新世纪建筑风格对大自然、社会、人类的最大程度的开放。 点式玻璃帷幕技术正是这种建筑历史时期产生并迅速得到应用的。 无论建筑师怎样异想天开,灵感所至,大笔一挥,方案落地,但种种方案还是由结构工程师来实现。以前,单一的钢筋混凝土结构建筑可以由某一施工单位单独完成,但现在的工艺技术、材料技术、施工技术的发展,远非一、二个学科或某个行业的人员可以掌握。为此,跨学科、边缘学科的结合是现代建筑技术必不可少的过程。点式玻璃帷幕技术就是这种多学科交叉的重要产物。 从历史上来看,材料技术的革命为建筑学带来无穷无尽的创意,也带来越来越多的高要求。从现代主义到后现代主义,再到解构主义建筑理论,甚至所谓混沌理论,无不例外地要求材料革命,而每次材料革命又给建筑学添上更多的新创作语汇。从建筑色彩学来看,透过玻璃的颜色或本色看室内的颜色,从亮到暗或从暗到亮,建筑师可根据层次深浅布局,色彩的冷暖安排,昼夜光源方向的异同,获得自己想得到的建筑光学色彩效果。从建筑美学来看,随着人们对建筑美的认识和把握,认不同角度推进了建筑的创造和发展。良好的环境能激发人的美感,良好的环境亦能给人们认同感、亲切感、指认感、文化性相适应性等不同的心理感受。随着后现代工业时代的结束,信息、生物、科技、太空技术的到来,更使建筑师对建筑物增加了联想,其中很重要的一点,在于把工业化的机械加工精度用在建筑工程上,这为即将来临的建筑行业工厂化、产业化、机械化、信息化作了最充分的准备。 建筑学正需要这种无限放纵的点式连接技术,它并不仅是玻璃帷幕的专利,更是在整个建筑中尽情地体现。工业革命年代,钢结构的铆接就是点连接技术的最佳体现。今天的整体房拼装技术,也是隐性点连接技术的扩展。随着建筑师的理念越来越高,这种扩展将渗透到建筑界的各个领域。 材料技术的进步可以刺激建筑创作艺术中的异端精神,往往可以把这种异端不合理的设计,通过使用新材料后变为合理化。采用更新的施工方法,可以实现这种异端构想。从建筑学角度,解构主义的松散、无序、错位、奇险、偶然等均可在材料科学进步中,得到良好的营养,渗透到建筑文化中去,出现百花齐放、巧夺天工的伟大奇迹。 二、结构技术是安全重点 根据建筑师对帷幕设计灵活多变的要求,在点式玻璃帷幕结构设计中,常常需要选择不同的结构外形,以满足建筑造型的要求。这时,幕墙钢架既作为支承结构,又具有装饰功能,因此充分地掌握不同结构形式的特点力学、美学等是必要的。 点式玻璃帷幕技术经常使用轻质高强度钢结构,并把结构暴露出来,或干脆把结构放到室外去。通过透明的玻璃,使建筑物的室内外空间融为一体。在建筑工程中运用钢结构的历史已很久如巴黎的埃菲尔铁塔等,但在我国运用到玻璃帷幕则较晚,钢结构材质的选用,常因建筑造型、美观、气候等因素的不同而异,如Q235钢因其经济、适应性广而最多地被人们采用;Q345钢则因强度高、耐候、耐腐蚀能力强,在高寒、耐腐蚀要求高的地区被采用。不锈钢则因其本质上有不可比拟的优势,而得到广大建筑师的青睬结构钢索也因使用轻巧,连接形式美观,开始被运用于点式玻璃帷幕及采光顶中。但物理力学性能常因选材、加工形式的不同而异,设计时通常需根据供货商来确定具体的设计参数。 根据所选材质、截面的不同,点式玻璃帷幕的结构形式可分为钢管结构、拉杆结构、拉索结构以及混合结构等。钢管结构根据组合形式的不同,又可分为工形截面钢架、格构式钢架、柱式钢桁架、鱼腹式钢架、空腹弓形钢架、预应力拉杆弓形钢架等。 在许多点式帷幕工程中,由于主体结构常会有较大的空间位移,加之帷幕结构又往往不承担主体结构的各种荷截,因此,幕墙钢结构一般需要与主任结构脱开而自成体系,设计能承受屋盖各方位动态位移的节点,就成为实现帷幕力学模型的关键,这里提供几个不同的节点设计供读者参考: 近几年来,我国成功地新建了一批钢结构点式玻璃帷幕工程,施工过程中解决了诸多传统玻璃帷幕技术无法解决的难题,实现了建筑、结构高度完美的统一,我们有理由相信,钢结构在点式玻璃,程中将会扮演愈来愈重要的角色。 三、机械技术和加工工艺 点式帷幕的特殊性决定了此类工程中机械设计的特殊性。它是在结构系统的要求下,所作的具体细化设计。但机械设计又具有其严格的专业性,是结构设计所无法替代的,它是结构设计的深人和必要的补充。 机械设计的重点,一是对结构设计的细化,以实现结构力学模型的假定,满足点式玻璃帷幕对精度的要求,便于零件和玻璃的加工。二是在设计初期,就让机械专业人员参与工程方案设计是有效的和必不可少的。三是美观的要求,细部的节点构造和表面的处理等均需由机械设计最终完成。 点式玻璃帷幕的实现过程中,其很大一部分工作量是机械零件的加工和装配。 面玻的支撑结构和埋件部分超出机械的设计范畴外,其余的部件都可以与机械加工和装配联系起来。因此机械设计直接关系到成本和施工问题。机械设计要本着控制成本,易加工、易施工、易维修,满足承载力和美观的要求,从各个环节考虑周到,这就要从设计、加工、材料、施工等各个环节人手,例如零件的标准化、系列化,使产品形成批量生产,从而降低成本,尽可能的沿用成熟的技术,可以提高工作效率、避免浪费。设计零件时,还要考虑加工的工艺选择装配关系时,要考虑现场施工的难易。 要尽量采用能体现机械装配精密性、精致性以及能表达机械零件的金属质感的设计。点式玻璃帷幕在宏观上表现了通透性和开放性,在微观上则要体现其精密,精致和独具匠心。机械设计就要体现这种微妙的感觉,使其既可远观,又可近瞧,更要充分考虑其外观整齐、简洁以及和周围环境的搭配。 点式玻璃帷幕技术的目的和性质 决定了机械设计的方向 1、结构图无法表达清楚的复杂节点设计。例如钢结构和面玻璃的连接形式及装配关系,拉杆、拉索的连接形式及装配关系,玻璃肋的固定,柱头、柱脚的连接形式及装配关系,开启窗、遮阳板、天沟、与周边建筑物连接的节点及某些锥顶等,它们需要一些比较特殊的专业设计。 2、所有需要机械加工零件的设计。包括钢爪、扣件、耳板、拉杆头、连接器、拉杆、撑杆、钢索头、柱头、柱脚及其相关的零件等。已经标准化和系列化以及有关行业机密的零件出图方式,应根据具体情况确定。 3、结构图上无法确定的玻璃孔位和玻璃边缘关系节点的设计。此类节点主要是指玻璃孔的定位尺寸、胶缝以及玻璃和相邻结构的关系节点等,这些尺寸也可以在其它节点中以不同的零件形式体现,也可以根据实际情况而单独体现。 4、表面处理的设计。不同的表现形式采用不同的表面处理,甚至同一节点采用不同的表面处理形式,以达到不同的艺术效果。 四、工程玻璃的有关知识 常用的建筑玻璃有:钢化玻璃,夹层玻璃,中空玻璃,热反射镀膜玻璃,低辐射LOW-E玻璃。 普通玻璃的力学特性 力学表现:低强度、高脆性 理论强度:10000-100000Mpa 原始强度:2000-3000Mpa 弯曲强度:50-1OOMpa 玻璃低强度的原因表面存在微裂纹 钢化玻璃的力学特性 力学表现高强度、高韧性、安全破坏 弯曲强度200-300MPa,是普通玻璃的2-3倍抗冲击强度是普通玻璃的3-5倍。抗热冲击的温差可达2500C 玻璃高强度、高韧性的原因在玻璃的上下表面有预应力层,抑制了表面微裂纹的扩展。 夹层玻璃特性: 保安防范特性能抵抗物体的撞击穿透,减少玻璃破碎下落的危险。 隔音特性可降低声音35-5OdB 控制阳光和防紫外线特性防止眩光,对紫外线几乎完全阻隔。 隔热性能降低玻璃的K值至1.5-3.5 防结露特性降低结露点100C左右 隔音性能降低声音30-4OdB 中空玻璃配片可对其性能产生影响 低辐射LOW-E玻璃特性: 对太阳光中的近红外线和可见光高透过,对远红外线高反射,有保温作用。冬季室内温度高于室外,低辐射玻璃将室内的远红外线保存在室内,即保暖。夏季室外温室高于室内,低辐射玻璃将室外的远红外线阻隔在室外,即对室内有保冷作用。 一般用于制造中空玻璃,而不单片使用。 配有一片低辐射玻璃的中空玻璃主要用于日照强度高的地区工业与民用建筑的门、窗和幕墙等部位,可显著降低玻璃的遮阳系数和热传导系数。 建筑点式玻璃技术所用的玻璃必须钻孔,而钻孔导致孔边缘强度降低约30%,而且有应力集中的情况出现。因此,建筑点式玻璃帷幕必须采用强度较高的钢化玻璃。钢化玻璃的另一个重要特性是安全,在受到较大外力而破坏时,产生无锐角的细小碎块俗称″玻璃雨″,不易伤人。 当地处北方的建筑物或对保温隔热有较高要求的建筑物,往往采用中空玻璃,它是在两片玻璃之间有一干燥的空气层或惰性气体层,中空玻璃能大幅度提高保温隔热性能其原因是玻璃的热传导系数K值为0.8W/m2.Oc,而空气的K值仅为0.03W/m2.Oc,惰性气体的K值就更低了。中空玻璃防结露和隔音性能都比较好。 在人流比较大或采光顶这类对安全性能要求较高的场合,往往选用夹胶玻璃,即在两层玻璃之间夹入聚乙烯醇缩丁醛PVB胶片,当玻璃受力破坏时,碎片仍会被PVB胶片粘在一起,避免玻璃掉落而造成人员伤害或财产损失。另外,PVB胶片具有对声波的阻尼功能,因此有良好的隔音效果。它能有效地减弱阳光的透射,防止眩光,不致造成色彩失真,还对紫外线有阻挡作用,保护陈列品或商品免受紫外光幅射而退变颜色。但在某些特殊功能的建筑中,如暖房和温室就不宜选用。 在满足强度计算的前提下,结合常规玻璃产品尺寸,尽量提高开裁率,降低成本,合理地单独或组合使用钢化、中空、夹胶、热弯、丝印、彩绘、彩釉、镀膜等技术,以达到设计师所设想的性能要求。一味追求外观效果而违反设计规范,过度损害经济利益的作法是不应该的,这是在设计点式玻璃帷幕工程中尤其应注意的问题。 点连接玻璃帷幕一般不采用反射性的镀膜玻璃,可避免光污染的发生,可算得上是一种环保技术。低幅射(LOW-E玻璃只对热能产生反射,对光线的反射作用极弱,因此没有光污染问题。 五、人文环境是设计焦点 随着信息时代的发展,人们对现代建筑的要求不单是。有盖空间″的概念,立体的空间概,念越来越清晰。人们通过三维动画、立体电影和各种媒体产生实质上的知觉空间上升,幻觉空间能力就下降了。这种知觉空间上升时,可以令科学文化迅速发展。当幻觉空间下降时,令人们对新的事物要求迅速提高。在建筑行业中,为了追求各种立体空间、三维效果,不惜奇险于临界状态。其目的就是提升人们的幻觉空间,不完整结构体系的出现就是最好的例子。 点连接玻璃帷幕技术正好让建筑师能营造一个更立体、更深层次的空间,以实现这些三维效果。它通过各种稳定的不完整结构,扣件、爪件、拉杆、钢索、玻璃等材料约有机组合,一方面来实现它的主体外围护结构的目的另一方面,让人们产生视觉不稳定,或奇险的效果。由于点式玻璃技术可以把结构系统设计得很纤细,所以它的深、中、浅层次可以有机地调整、融合,让人的幻觉空间更加平富多彩。 建筑既然给了人们生存的环境空间,它就必须有满足于健康的生态环境,建筑生态学理论告诉我们,无论从色彩设计、光学设计、环境温度控制、空气调节、噪音控制等等问题上,建筑与人文环境息息相关,而暴露结构于外的点式玻璃帷幕可以酝酿最大的可能性,用以配合人类在生态学上的进步。而且,组成点式玻璃帷幕的材料就是符合生态学要求的绿色建材。 六、经济分析 社会经济的发展决定了经济理念是评价建筑作品成败的关键因素之一。因此,合理地控制造价,建造出价廉物美的建筑,是业主、建筑师和承建单位的共同愿望。 由于点式玻璃帷幕技术所具的优点,其往往被应用于建筑物的幕墙、采光顶或雨篷,起″点睛″作用,通常业主也愿意在此重点投资,让设计师设计出能表现建筑物特色的方案。 由于点连接玻璃帷幕技术涉及的行业较多了相关装饰件变化复杂,而目前国家没有相关规范、标准及定额。因此,在经济核算时变数较大,也引起业主及建筑在造价上的混乱感觉:他们担心造价太高,承受不了;投入太大,但物非所值。而在剧烈的市场竞争中保质保量地完成工程,并取得必要的利润是承建单位所期望的,也是较难得到的,预算利润太低,不理想的付款方式,很容易造成亏本。因此,确定一个合理的造价,对于业主、设计者和施工单位都是关键的问题,也是一个复杂的问题,因为站在各自的立场上,维护各自、的利益,对价格、价值比的理解很难统一。 明显地,业主需要的是价格与价值等值、甚至是″超值的产品。通常,业主在招标中对设计的方案要求很高,希望把工程做到最好,却希望将价格做到最低。施工单位在投标及施工过程中都是很艰辛的,要获得合理的利润很不容易,若工程不能做得尽善尽美其实很难说尽善尽美而受罚或不能按时收款,会导致施工方亏本。 西方国家在工程设计时就提出预算,让设计和施工方按预算设计和报价,在不超过预算的情况下由设计师选取最佳的设计方案进行施工。如果设计方案中标单位不符合施工条件,可以另择施工单位,但要业主付相当高的设计费用以维护其知识产权。 在我国,至少是在目前的情况下,由于点连接玻璃帷幕技术未得到广泛认识与应用,故而施工图的二次设计由具有专项设计资质的施工单位来完成。 七、使用新工艺容易出现的缺陷及隐患 建筑师追求″高通透、大视野″几乎成为这两年帷幕招标文件的统一口号。这种追求足以令点式玻璃帷幕技术飞速发展,据统计,1998年以前,全国点式玻璃帷幕包括幕墙、雨蓬、采光顶等的完成量不足三万平方米,其中深圳机场和上海大剧院两个项目就有近一万平方米。1999年完成量共五万多平方米,其中北京植物园展览温室及北京远洋大厦两个项目就占了三万多平方米。2000年的招标项目超过20万平方米,已经达到欧洲历年完成量的总和,预计2001年可达到35万平方米。这种速度是否正常,尚且不说,为了满足这种″高通透、大视野″的要求,人们盲目追求″玻璃分片越大越好″,这样,要满足玻璃的强度和变形条件迫使设计者不得不加大玻璃厚度,造成加工、运输、安装等工序的困难,导致成本增加。 点连接玻璃的支承装置在设计中考虑了各种措施,使她具有灵活性好的优点,能最大程度地体现复杂多变的建筑造型。但是过分追求外观效果,运用不规则空间曲线勾勒出的建筑立面,必然造成结构构件和玻璃的异形。如某工程八千多块玻璃没有几块的尺寸相同,上万根杆件长度不一,弯曲曲率不一,这样,根本谈不上批量生产,只好由机械化生产后退到落后的手工劳动的状态。设计出造型特别新颖奇特的建筑,对建筑师而言实现了美梦,而对把美梦变成现实的制作、安装人员来说是一个恶梦,工期和造价也必然随之增加。目前土建施工精度距点式玻璃帷幕所要求的机械加工精度相距甚远,这样安装的玻璃帷幕很容易产生应力集中,最后出现破坏的危险。 点连接是一项技术含量较高、技术覆盖面较广的技术。在技术条件并不具备的情况下,仓促上马,把以工艺创作为特色的点连接设计理念,变成一个统一的建筑产品模式,失去了点式玻璃技术的原创意义。如果没有经济支持相关的科研和投资新产品开发,会使这项富有生命力的技术,逐渐停滞、萎缩。 点式玻璃帷幕是依赖机械连接装置实现固定的,由于机械装置具有优良的可调整性,耐久性,配合弹力或压力系统装置或一些特殊的装置,可产生硅铜胶无可比拟的安全固定效果,但是它的隐患也正是从它的机械固定而产生。 1、螺杆的松紧度的操作赖于现场施工人员,不便于规范化生产。对一些必须增加预拉力的杆件,很难统一施加预应力及给予检测对于固定玻璃的压紧螺栓,又难以检测是否增加了玻璃的集中应力;过紧的螺丝是否使垫片发挥不了柔性垫片的作用,产生相反的效果……。这些需要非常熟练的专业人员进行施工操作,更需要较好的工具和测检设备,才能有效地把握质量。我国现行的竞争体制根本没有考虑这方面的因素,而拼命压价的招标方法,只能使这种″工艺工程。变成一种″交差工程。,这是点式玻璃帷幕行业的最大危机。 2、压价的结果是让企业尽量节省资源,完成工程,某些企业就会挖空心思偷工减料,如减少材料的厚度,减薄防腐涂层,玻璃的选材及加工质量低劣等问题,许多″豆腐渣″工程的出现正是最好的写照。 3、有些业主试图通过不规范的招标工作从某些技术力量强的企业的标书中,攫取设计技术资料,交给自己认为过得去的施工单位承包工程,其结果由于获取的资料不全面,或没有相应的设计力量对施工图进行深化设计,这种工程的质量可想而知。 4、如果不具备全面衡量点式玻璃帷幕技术的设计、加工、施工综合利弊的力量,而进行大规模的点式玻璃工程设计施工,产生的隐患除了上述直接作用外,更不可能对建筑物的整体结构、生态环境、耐用年限等等问题作深入研究考虑,最终也不能满足建筑师的要求。 八、值得探讨的问题 点式帷幕技术是近年进入中国建筑业的未成熟产业。在国际上技术尚未完善、国内未设有规范和标准的情况下,在许多工作过程中有些必须解决的实际问题却难以解决。通常人们企图通过研讨会的形式协调解决,共同分担责任,这往往是不足够的。有许多问题值得深入研究和探讨。 1、玻璃的挠度计算问题。玻璃在风荷载作用下将产生大的变形,是平板点支承下的大挠度问题,用线弹性小变形理论计算出的挠度值与实际挠度值是不相符合的。因此建立符合实际情况又简便易算的公式非常重要。点式支承与边支承玻璃的变形控制是否采用同样标准,是有待研究的问题。 2、点式玻璃技术中采用钻孔钢化玻璃,由于孔及其支承条件的边缘效应对玻璃板承载能力会有极大的影响。为了减少孔边应力集中,采取一定的措施,释放孔边应力约束,可以有效地减少孔边缘应力集中对玻璃板强度的负面影响。虽然工程实例中极少发现孔边出现问题,但是在理论上获得定量的分析,是非常重要的。 3、孔的边距对玻璃的承载力影响大小,国内外的规定不尽相同,定性分析可知,孔离玻璃边缘越远越安全,但是边缘距离增加会造成爪臂过长,对爪的受力不利,而且可能增加成本。因此,对孔边距的优化设计就需要有相应的理论研究做支持。目前,不少科技人员正对此进行研究。 4、随着玻璃加工工艺技术的飞速发展,玻璃的性能越来越好,玻璃可以作为承重构件。但在支承结构设计时,按《规范》进行设计计算,杆件断面比较粗笨,而国外同类型结构显然要轻巧得多,究竟是计算理论有别,系数取值不同,材料性能各异,还是考虑玻璃与结构的共同作用,值得深入研究。如果把玻璃的潜力充分利用,从计算理论上有所突破,这样将会大大推动点式玻璃帷幕技术的发展。 5、多年来,我国工程技术是在点式玻璃帷幕技术的设计和施工中,积累了不少经验和教训,在充分总结的基础上,经过必要的科学研究,得到理论的支持,编制一本适合点式玻璃技术的规范规程应该提到日程上来了,这样才能指导点式玻璃技术更有序、更迅速地发展。希望通过我们共同的努力,使点式玻璃帷幕技术在现代化的建设事业中发挥更大的作用。结 束 语 方兴未艾的建筑文化革命在我国刚刚开始,1999年国际建协第20届世界建筑师大会通过了″北京宪章″,正好加入这场轰轰烈烈的大革命运动中去。如今正值我国国民经济的快速发展时期,也正是世界金融风暴后经济复苏、我国扩大内需、西部大开发的黄金时期,建筑业界同仁正摩拳擦掌,在为20世纪的″大发展″和″大破坏″欢呼过后,迎接21世纪的。大转折″、″大挑战。我们走向建筑、环境、城市规划的融合,我们着眼于人居环境循环体系的建立,更应正视科学技术的发展,使之推动我国的建筑业界走向繁荣。我们更应该根据我国的历史文化特性,发展我国崭新的、高层次的建筑文化体系,用以创造世界认同的建筑新流派。 点连接玻璃帷幕技术的出现给了我们这个契机,通过对这种技术的有机的引导、发展和完善,为我国设计人员无尽的空间想象力增加有形的物质基础,有力地促进了建筑新文化的产生,加快了建筑新时代的到来。

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