广州珠江新城西塔项目绿色建筑、新技术集成应用

关于超高层建筑玻璃幕墙的研讨发言 ——在《广州珠江新城西塔项目绿色建筑、新技术集成应用》专家研讨会上的有关论点说法。 萧愉 教授级高级工程师 一、“西塔”超高层建筑外围护系统选用玻璃幕墙是正确的 超高层建筑采用玻璃幕墙有争论很正常，没有争论反而不太正常。不谈建筑外观的美学问题，就技术层面上讲，任何一种新材料、新工艺、新技术的采用，无非有两种议论：肯定正面效应，否定负面效应，各执一端。我本人执第三类观点，即对采用新技术问题既肯定又否定，肯定中有否定；既否定又肯定，否定中有肯定。采用新技术的正面效应与负面效应同时存在，实际上是“混合效应”，执其两端用其中，关键要看实际工程系统的条件，要从工程整体追求的目标来分析，从形成建筑物的全过程，建筑物的生命全过程来分析。建立一个判定数学模型，必须有若干约束条件，有约束阈值，求目标函数的最大化和最小化，即进行优化设计。肯定否定都是在一定条件下的倾向，都是相对性的结论。不应肯定一切或否定一切，一切依条件而转化。应当因地制宜、因工程制宜、因条件制宜。 1.超高层建筑采用玻璃幕墙的技术优点 1-1.减轻建筑物自重 玻璃幕墙的自重一般在60kg/㎡,比普通混凝土、轻质混凝土、普通粘土砖、空心砖、花岗石材板等制成的外墙都轻。钢筋混凝土单位体积重量为2600㎏/m3 ，粘土砖为1700㎏/m3 ，加气混凝土为600-800㎏/m3。折算至单位面积外墙体自重约为520、408、160-120㎏/m2 ，是玻璃幕墙的2-10倍。一幢高度400米、宽度30米的特高超高层建筑的外围护系统，因采用玻璃幕墙取代传统混凝土、砖等材料，则可减轻建筑物外墙自重约5倍多。例如，取外墙均值为320kg/㎡,建筑物传统外墙自重可达4×320×400×30=15360吨，而玻璃幕墙自重为4×60×400×30=2880吨，差值12480吨。因外墙自重减轻带来建筑物总体自重减轻。因而可节约水平运输（12480吨÷8吨=1560车次）、垂直吊装（12480吨÷2吨=6240吊次），带来了建筑地基础工程的节约（12480吨÷30×30米=13.82吨/平方米）。 1.2.提高建筑物抗震性能 玻璃幕墙比混凝土、砖砌体等重质外墙轻，由于轻再加上悬挂结构、浮动节点、层间变位适应性好等，使建筑外围护系统抵抗地震的性能十分优越，这是超高层建筑非常重要的安全性能，城市防灾的一个重要视点。仅就水平地震荷载计算，两者相差5倍多。例如，按7度抗震设防估算，水平地震力Qe=5.0×0.08×0.06=0.24kpa,Qe’=5.0×0.08×3.20=1.28kpa. 1-3.实现建筑工业化的技术保证 超高层、现场安装，要求简约化、快速化、文明化。因此建造过程做到设计标准化、构件预制化、安装机械化是一个前提条件。玻璃幕墙全单元体系工艺可以做到这一点。单元板片的标准化程度可达80-90%；现场人工操作工作量很低,90%以上的工作量可以在工厂内完成；预制品加工质量高、精度高；工厂内和施工现场工人劳动生产率高；施工受气候条件影响小；施工安装不用脚手架，工地文明清洁简约；建造用工少工期短等。全单元幕墙体系较的安装速度可达到每班180个标准单元板片，约合900㎡。建筑工业化是建筑现代化的重要内容，是归结为节省社会人力资源、节省社会时间的一个重要标志。 1-4.便于建筑物长效管理、有利维护维修 由于玻璃幕墙系工业化的全单元体系，板片与主体结构的连接方式简约清晰，拆装方便，使用清洗体系吊篮可与检查、维修相结合。一个小组，一个班可以维修、拆换约20-30个板片100-150㎡。因此，对于幕墙工程竣工后进入使用阶段的长效管理、维护维修、拆换板片都较简便。 1-5.玻璃幕墙的主要材料系矿物原材料产品具备现代化时代性，同时又可再生循环利用。 钢结构、铝合金、玻璃等建筑材料发展迅速、应用广泛，是建筑时代性的标志之一。钢、铝合金框架和玻璃板片均属于可回炉再生循环利用的绿色建材。每平方米幕墙使用玻璃约40kg、铝合金型材约20kg,一个大型超高层建筑玻璃幕墙以10万㎡计算，就使用近4000吨玻璃2000吨铝合金材料。这一大宗建筑材料的回收、再生、利用、循环，是一个不可忽略的绿色建材的发展问题。 1-6.玻璃是唯一高透明、自然采光、视野好、满足人性的建筑材料 建筑外围护系统的一个基本功能，是满足使用者通透、采光、视野的要求，而玻璃只有玻璃材料才能达到这一人性化要求。 1-7.市场具备购买力，社会物质，精神有需要 2.超高层建筑采用玻璃幕墙的技术缺点 2-1．环保方面，太阳光照射玻璃幕墙引起的反射光，对周围环境可能产生负面效应。 2-2．节能方面，使用阶段达到室内热环境舒适性而外围护结构耗能待比较；夏热冬暖地区自然通风、遮阳要求与超高层建筑立面封闭、外观的矛盾。 2-3．安全方面，全钢化玻璃板片因可能自爆高处散落的危险性 2-4．健康方面，超高层建筑外墙的密封性使自然通风的不可行，玻璃幕墙轻质性使隔声性能较差。 上述技术缺点、难点，其中通风、遮阳问题属超高层建筑本身的问题，尚不能完全归属于玻璃幕墙采用所致。缺点与优点同时客观存在，但并不是没有办法、不可解决的。应该看到，超高层建筑的采用玻璃幕墙同时存在着上述正、反都有的“混合”效应，矛盾对立面共存于一个统一体内。如何发挥优点、克服缺点、争取在一定条件下向好的方面转化，取得平衡，应该大有文章可做，正是需要人们有所作为的地方。好的设计，技术就是面对事实做转化工作。 3.采用玻璃幕墙对绿色建筑的影响 按清华大学建筑学院有关资料，关于绿色建筑评估体系的一、二级Q-L权重系数，引出与公共建筑外围护系统相关指标，包括室内物理环境质量Q2(0.45)的声环境Q2.1(20%)、光环境Q2.2(18%)、热环境Q2.3(27%)、室内空气品质Q2.4(35%);能源利用与管理LR1(0.30)的建筑主体节能LR1.1(30%);材料资源LR2(0.20)的建材的资源消耗量LR2.1(38%)、建材的能源消耗量LR2.2(40%);对环境的影响LR5(0.20)的LR5.1(48%)计8项粗略分析。将超高层建筑采用与不采用玻璃幕墙的比较如下表。 NO. 一级指标及权重 二级指标及权重 % 转化为外围护系统及权重 权重 % 采用玻璃幕墙时计分 不采用玻璃幕墙时计分 1 室内物理环境质量 0.45 Q2.1 声环境 20 隔声 0.09 11.25 3.75 11.25 2 Q2.2 光环境 18 采光 0.08 10.00 10.00 3.00 3 Q2.3 热环境 27 遮阳、隔热0.12 15.00 5.00 15.00 4 Q2.4 室内空气品质35 通风0.16 20.00 另计 另计 5 能源利用与管理 0.30 LR1.1建筑主体节能30 节能0.09 11.25 另计 另计 6 材料资源 0.20 LR2.1建材资源消耗量38 自重 0.08 10.00 10.00 2.00 7 LR2.2建材能源消耗量40 运输与吊装0.08 10.00 10.00 2.00 8 对环境的影响 0.20 LR5.1对周边环境的影响48 光反射 0.10 12.50 3.75 12.25 合计 100% 42.5 45.75 通风项因超高层建筑不宜开窗，通风方式与幕墙尚不相关；节能项待具体计算后比较；两项均暂不评分而应有专题评价。建材资源能源消耗量转为自重及运输吊装项，按自重差5倍计；采光与光反射项按窗墙比0.3与0.7计；热工项按遮阳、隔热标准差数估计等。 可见,未计自然通风、建筑主体节能二项，权重31.25%，两者“绿色”评估差异甚小几乎相近,采用玻璃幕墙时,应在隔声(11.25%)、热工（15%）、光反射（12.5%）三项上有所作为，方能改善“绿色”性能。在夏热冬暖的广州地区，热工、节能状况应视自然通风、遮阳、隔热上的处置。但超高层建筑自然通风问题、室内空气质量问题，无论采用或不采用玻璃幕墙来讲，都是相同的，都不能依靠开启窗自然通风，而是在封闭空间内由新风设施运放达到标准规定。而遮阳方式与建筑立面外观直接相关，超高层建筑采用了玻璃幕墙只能或设置内遮阳，或在玻璃本身遮阳性能上有所解决。从节能项分析，采用玻璃幕墙是因为采光、外观的设计基本出发点所致，不采用玻璃幕墙则根本不可能在采光、外观上满足设计的前提目标。因此，在外围护系统对比上，在热工计算、节能上可按国家有关规定进行专题的计算、分析、实测，保证达标。至于光反射的负面效应问题，也是一个可以进行光环境影响评估和采用一定技术的问题，是否产生全反射眩光，是否有害、是否不可接受、是在何种特定时间、方位、区段、部位上发生等，都应作出具体情况下的具体分析。此外，轻质材料的特性决定了其隔声性能较重质材料差，如何加强传声通道堵塞阻断等，尚可细化。超高层建筑采用玻璃幕墙尚有清洁性，防止高处散落物等问题。 所以，对广州地区超高层建筑采用玻璃幕墙的“绿色建筑”评估，应在自然通风、遮阳和节能上作出决定性评估。不具体分析项目的个性和约束条件，断然下“玻璃幕墙不节能，不是绿色建筑”的绝对化结论，是缺乏根据不令人信服的，是不科学、不实事求是的。 二、“西塔“超高层建筑不采用”双层“玻璃幕墙也是明智的 国内笼统对“双层”玻璃幕墙的推广概念，有些片面性；将其列入“节能”幕墙概念，脱离了投入产出比的价值分析，脱离了建筑地域性气候环境特性，以及忽视热工计算与“双层”幕墙技术的复杂性，不具体分析建筑个性及其面对的几个现实问题，是不可取的。 1.“双层”玻璃幕墙的缺点 1-1．造价高昂. 与单层玻璃幕墙比较，“双层”的单价可达4000-8000元/㎡，要高出2-4倍，“西塔”项目估算单价为3870元/㎡为单层的1.3倍。是否“物有所值”？成倍增加的投入是否实际上成比例地提高了使用功能，改善了室内声、光、热等物理环境质量和室内空气品质，特别是在节能和环保上的效果是否真正有实测高满意度的数据支撑？上海有项目计算，“双层”空调降温期耗电量为单层的85%、采暖期为70%，总耗电量为78.6%即“双层”总耗电量降低21.41%。应计算因省电而节约的投资效益。 1-2．气候适应性。 欧洲瑞典、德国、比利时等高纬度地区属严寒带，强调保温性能的“双层”玻璃幕墙，其气候参数与幕墙性能，根本不能适应地处北回归线以南夏热冬暖地带强调自然通风、遮阳、隔热要求的广州地区。建筑的气候适应性，建筑的地域性是设计建筑外围护系统的基本出发点。所以应在消化引进的“双层”玻璃幕墙的特性后，方可决定取舍。广州系太阳得热高的地区，夏季“双层”空气腔内可能产生过热问题，带来制冷能耗增加，可能并不节能。 1-3.防火性能待考。 据Harriz Poirazis 2004年出版文献综述“Double Skin Facades for Office Building”将防火问题列为“双层通风幕墙”的一项主要缺点，“对于建筑防火而言，现在还不很清楚通风双层幕墙的影响是正面的，还是负面的。但是，一些研究人员提到了火灾时烟气在层间之间蔓延的可能性”。作为超高层建筑的防火性能是最关键的安全性能，必须极谨慎对待。 1-4.减少可利用建筑使用面积。 双层幕墙必须构成一个空腔体，其宽度在200-1200㎜之间平均取600㎜，占用了可利用建筑使用面积，减少实际使用空间。“西塔“项目分析表明，双层幕墙室内使用面积减少约5000㎡。 1-5.增加运行、维修、监控、清洁、服务、维护费用。 “西塔”项目估算每年为300万元。 1-6.“双层”幕墙技术的复杂性、热工性能的复杂性，当设计不当虽然“温室效应”与“烟囱效应”概念正确，但可能效果不佳，必须做定量分析，将带来过热、增加气流速度、减少进入室内的阳光、并不节能等，作出评估分析。 1-7．增加结构自重。自然采光弱化，增加照明能耗。可能产生房间、楼层间串声等。 2.“双层”玻璃幕墙的优点 欧洲率先发展的“双层通风幕墙“有许多优点，如隔声效果好，冬季保温效果良好、对遮阳与照明设施较好的保护、防尘、减少风压对建筑的影响、设计恰当能够自然通风、幕墙内层的温度与室内接近、夏季通过夜间自然通风预冷室内环境等。但采用“双层”的决策，关键的造价昂贵、是否节能、通风、防火性能问题，必须有针对性措施解决，优缺点同时存在时如何抓住主要矛盾求得平衡。夏热冬暖地区、低纬度高得热地区的广州，“双层”并不能保证节能。“双层”设计技术的核心，是对空气腔体通风、防热的设计，如何做到良好的气候适应性，如何实际节能，如何控制好“温室效应”与“烟囱效应”，必须进行定量分析，不可停留在想像中的气流上，如何把握好复杂的热工特性，作出务实的具备建筑个性的技术经济评价，取得合理的投入产出比，是决定采用“双层”体系的前提。 三、“西塔“超高层建筑采用玻璃幕墙“一高二透”特点的分析 1.超高层建筑高度带来的新问题 超高层建筑的首先特点是高度超高、特超高，“西塔”高达432米。高度本身就是一种标志、一种形象、一种特殊的意义。超高表明了一个特性，即除了太阳的光照和辐射没有变化之外，所有的建筑环境参数都有变化，因而必须因外围护“高”的优势和劣势带来建筑自身参数的相关变化。在安全、防灾、质量上有较高的规定。 1-1.风速、风压变化。 随着建筑高度的增加，风速、风压会增加。以城市市区C类地面粗糙度，高度为400、450米的风压高度变化系数Mz=3.12,100米时为1.70，150米时为2.03，200米时为2.30，300米时为2.75等。这点对于以风荷载作为控制荷载的幕墙是极重要的。 1-2.气温变化。空气温度与高度有关，高度每升高100米，空气温度下降约0.6°C 。这一点对于办公、酒店、附属用房、公寓建筑的能耗模拟是不可忽略的。当地面气温为20°C时400米高处气温约为17.6°C。 1-3.建筑变形。 风荷载作用下楼层水平位移由20层处100㎜到60层处400㎜、80层处600㎜、100层处700㎜多等。幕墙构造、结构、连接必须对每一楼层都有良好的层间位移适应性。在较大位移时必须保证板片间不挤压、接缝的完整性、不允许水密性、气密性及所有功能的破坏。不同高度重力对水平接缝的影响。。 1-4.超高层建筑防火的严重性，烟囱效应的严格禁止。 1-5.超高层建筑灾害预防和逃生。 1-6.防避侧击雷及雷鸣闪电刺激。 1-7.高处与低层气象的差异性。 1-8.超高层人的视野及恐高心理。 1-9.防止高空高处物件的散飞坠落。 1-10.高空不宜开窗、通风问题是难点。缝隙进风破坏室内环境，如何调节室内相对湿度。 1-11.高空高风压强雨淋的渗水性、冲刷性，分层排水、集水处理。 1-12.更高的隔声性要求。高密闭性节能、隔声与开启通风的矛盾。 1-13.超高层建筑玻璃幕墙的清洁与维修。 1-14.对周围地区日照遮挡、阴影覆盖、阳光与热反射、高层侧风的影响等。 2.超高层建筑外围护大通透的特殊性 “西塔”超高层建筑的窗墙比高达0.91，大面积玻璃幕墙的大通透、大体积的玻璃体特点，“通透”不仅是可见光通透而是光、热、风的通透，带来了一系列力、光、风、热、美学性能的特殊性。 2-1．如何从本地气候、环境，从力学、光学、热学、美学多因素的综合系统平衡，选择玻璃 2-2．对玻璃力学性能、安全性能的把握。 2-3．对玻璃光学性能、美观、环境的平衡。 2-4．对玻璃热学性能、节能性、舒适性的统一。 2-5．玻璃与遮阳组合方式的选择，采光与节能、遮阳与采光的矛盾。 2-6．对大面积、大高度玻璃幕墙的清洁、维护、维修。 3.对“西塔”超高层建筑玻璃幕墙的几项具体建议 3-1．按不同高度不同功能分区精细分段规定设计指标。 3-2．对通风、遮阳方案专门研讨，对高得热、散热、防止过热的措施。 3-3．对节能、热工计算的专题分析。 3-4．对玻璃选择的系统综合平衡。 3-5．对百页与玻璃遮阳性贡献的分析。 3-6．高处玻璃自爆、破碎、散落的防止。 3-7．玻璃幕墙自洁性和清洁系统。 3-8．仿真模拟光、热、风环境及其评估。 3-9．虚拟建造施工过程及细化施工组织设计。 3-10．加强材料、构件、部件性能检测、试验。 3-11．超高度、通透性有利优势的利用。 3-12．超高层建筑玻璃幕墙的防火、防灾性能及预防。 3-13．编制竣工后使用阶段维护维修客户手册。 3-14．编制工程技术经济总结，积累建筑、能源、环境、智能、材料、经济设计资料，对舒适度定位、功能配置、性能标准、质量控制、高技术集成作出“绿色建筑”评估。 5