小议超高层建筑单元式幕墙设计

小议超高层建筑单元式幕墙设计

曹受松

曹受松

深圳市三鑫幕墙工程有限公司广东深圳518000

摘要：21世纪，随着社会的发展与进步，越来越多的人涌入城市。世界各地的高层建筑不断兴起，这其中最引人注目的当是其中的超高层建筑，因为超高层的形态是超高层建筑最鲜明的特征，而这一形态主要是通过幕墙来实现的。由于超高层建造的特殊性，单元式玻璃幕墙在当今超高层的外围护结构中占据了重要的位置，同时超高层的玻璃幕墙对于建筑的形态有着重要的影响。因此，我们一定要注意对各方面进行充分的考虑，提高单元式幕墙的设计水平，促进单元式幕墙快速的发展。

关键词：超高层建筑；幕墙形态；单元式幕墙；设计

1.研究背景

1.1研究的必要性

（1）在幕墙方面的研究，大部分都集中在技术层面，也就是幕墙的结构受力、安全性能、施工技术、声光热物理性能等方面。

（2）在幕墙的艺术处理方面，受到建筑设计公司于幕墙设计公司两条线路的影响，再一个就是受到幕墙发展时间较短的影响，关于幕墙艺术设计方面的相关研宄比较少，仅有一部分研宄也是近两年幵始的。

（3）关于超高层的幕墙研宄，同样也是技术处理多于艺术处理，对超高层的形态研究也缺乏相关的理论研究，多数还是分散的关于某个单体建筑的幕墙设计析。

（4）关于超高层单元式幕墙，极少有从工业化建构的角度去研究幕墙从概念设计到生产安装方面的相关研宄。

1.2研究目的及意义

1.2.1目的及意义

（1）通过对比超高层的形态设计，研究超高层发展演变的过程，总结超高层形态设计的基本手法，弄清影响超高层形态的影响因素，分析超高层未来的发展趋势。

（2）通过研究设计与建造的关系，搞清楚设计对建造的影响，以及建造对设计需求，搞清楚超高层幕墙建构过程中容易产生的问题。

（3）通过研宄超高层的幕墙，弄清楚幕墙单元是如何实现超高层的形态建构，以实现从微观的角度去看待超高层的形态设计。

（4）通过超高层幕墙建构的实例调研，弄清楚幕墙从设计到安装的具体过程，以及典型国内外合作的超高层幕墙具体的设计流程。

（5）基于工业化建构的基础，对幕墙设计提出设计优化策略与建议。

2、单元式玻璃幕墙对超高层形态的影响

2．1超高层形态分类研究

多层建筑或高层建筑的形态可以通过群体组合来实现不同的体量组合，而超高层在体量方面，基本上都大致相同，在上一节也谈到了影响其形态的几点因素。但从大的关系上划分，超高层可以分为裙房和塔楼两部分，而塔楼又可分为塔身和塔顶两部分。在上个世纪前半程，超高层的形态体量等多数都比较规矩，最典型的就是希尔斯大厦和倒掉的世贸大厦。由于受到技术发展的限制，可能规矩的做法是最好的办法，在技术未成熟的时候，可能形态上的一些变化会给建筑的建造与使用过程增添巨大的麻烦，甚至是危险。即使有时候采取简单的做法，我们还是会遇到一些风险，例如贝聿铭设计的汉考克大厦的幕墙，就遭遇过事故，一场大风就吹掉了楼上大部分的玻璃。

（1）顶部收紧式

超高层的塔顶部分如同建筑的头部，或者说是建筑的帽子，它的形态对建筑的形态有着至关重要的作用，塔顶的收尾处理的巧妙，设计本身就会增添很多色彩。顶部收紧的手法，从结构上看也具有其合理性与必然性。如果顶部不变小，那么会大大增加顶端对建筑基础的挠度，其结构稳定性需要更牢靠的基础，这在结构计算上是极为不利的。收紧的具体做法又有以下几种：

①塔减式

塔减式是指超高层顶部每隔几层便会向内收缩一定的宽度，经过几次缩减以后，顶部自然形成塔顶的效果，此类做法的典型案例有金茂大厦、台湾101大厦等。该设计灵感来源于中国古代的宝塔，具有浓厚的民族特色。这种类型的设计一往往同时注重外立面构件的设计，它们的幕墙一般不采用简单的幕墙单元，而是带有很多的装饰构件的幕墙单元，以此来形成非常艺术的外观造型。

②层减式

层减是指把整个平面分为几个部分，每到一定层数，平面上就会减掉一部分，这样就形成了超高层“芝麻开花节节高”的形象，束筒结构的超高层经常采用此类设计手法，因为平面的变化，仅仅会对其某个筒造成影响，而不会对其它筒造成影响，所以适用于多个核心筒的束筒结构超高层建筑。此类建筑的典型代表就是希尔斯大厦、中银大厦和迪拜塔。

③切减式

切减式的顶部收口做法是最近几年出现的一种手法，该手法在超高层顶部的直接表现形式为简单的形成一个顶部斜面，同时也形成一个顶部的最高角点。此类建筑顶部要形成这种顶部形式，一般需要用玻璃幕墙进行封顶，所以顶部的空间常为玻璃大厅。此类设计的典型代表有新世贸大厦。切减式最大的特点是形成非常纯净的建筑体量。

④弯减式

弯减式是通过超高层立面的曲面形变，形成向内逐减收缩的立面形态，在渐变的过程中，越往上的平面，其面积越小，这样就很自然形成一种顶部收口的形式。此方法的优点是非常自然的去改变建筑的立面，而且能形成优美的弧线，当然此方法能实现，还是得益于近些年幕墙技术的发展，使得幕墙能完成曲面立面的技术要求。此类设计的典型代表有香港的国贸大厦、深圳的京基一百等。

⑤虚减式

虚减是指在建筑的顶部，采用逐减减少其使用空间的手法，保留其原有的框架结构，但是幕墙却逐步缩小，这样就形成了一个比较虚的顶部空间。此类设计的典型代表存大连的期货大厦。

图1塔减式收顶方式

（2）立面切削式

切削手法不仅仅是多层高层建筑设计的手法，近些年的超高层建筑设计中，也成为一种常用的手法。切，顾名思义，就是把规矩的建筑体量，通过切削，形成更多的面，建筑体量看上去也更加丰富，往往这也是建筑结构受力的需求。切削手法的城大特点，就是容易形成比较有力度的面，从而使建筑的形态看上去更为刚劲有力。由于超高层建筑高度高的原因，稍微的削切在立面上就能形成非常显著的变化，体量上也形成巨大的变化。斜的设计手法与切手法有类似之处，都是为了打破建筑形态原本规矩的特征。斜的设计手法往往采用的是柱斜或者面斜。这样同样能让建筑形态呈现出一种削切的感觉。

图2切角手法在形态设计中的应用

（3）曲线曲面式

该手法是指在设计中应用曲线或曲面的手法。这也是近几年超高层发展的一个趋势。曲面给超高层建筑带来更为柔和的体量感，它不像切削而形成的那种硬朗的感觉，而是给人以曲线美。曲线或曲面的应用，使得建筑的立面变得丰富的同时，也使得城市形态有所变化，打破了城市那种生硬的感觉。曲面可以让建筑的顶部顺其自然的收缩变小，因此从结构设计上看，也是非常合理的手法。

图3曲面在超闻层形态中的应用

（4）扭转式

扭动的设计手法在超高层建筑设计中也得到过尝试与应用，而且获得了非常优美的艺术效果，但其最大的缺点就是设计难度大，建造难度大，建造成本高。建筑体量的扭转一般是依靠其独特的结构形式，但也可以通过幕墙的扭转来实现形态的扭转。其独有的艺术效果，的确能为城市带来很多活跃的灵感。扭转的体量，在风荷载计算中具有其合理性，其变化的里面结构，能弱化水平荷载对建筑的影响。在超高层设计中，该手法确实留下了诸多让人印象深刻的建筑。

扭转式的幕墙形态的建构需要有独特的幕墙建构方式，对于此类幕墙的建构最典型代表是上海中心的外层幕墙，对于其具体建构方式将在本文第五章的建构方法研究中具体阐述。

图5形态体现结构

（5）凸显结构式

凸显结构指的是通过显现超高层建筑的结构关系，来彰显建筑的结构受力带来的力学美感。近几年，涌现出了多种多样的超高层建筑结构形式，在结构设计方面，设计师们大胆创新，形成了诸多有特色的设计方案。结构对超高层建筑的建造有着重要的影响，可以说超高层设计方案能否实现，很大程度上取决于结构方案能否可行。新颖的结构体系，给建筑的空间使用与立面设计带来的新的设计手法。

（6）网格式

建筑形态通过最基本的方形体量来传递简单纯净的建筑美学。这是最基本的一种设计手法，常用于大量的非标志性超高层建筑设计中，它的特点是形体简单，建构也相对简单，幕墙的建构过程也简单，因此是一种相对经济的设计方法。越是简单的形体，就要通过立面的变化来展现建筑的形态。规矩的立面可以通过幕墙来强调横向、纵向或斜向的纹理，但这些幕墙最基本的特征都是标准化程度高，特殊单元形式少。

图7超高层平面形态

超高层建筑是竖向发展的一种建筑形态，层层的形态脊加，形成了竖向的形态。超高层的平面形式有着不同样式。从大的方面看，平面形式有岡形、柳圆形、方形、矩形、类三角形，还有一些其它的特殊平面形式。

平面形式的选择对超高层的形态有着最基本的影响，合理的选择超高层的基本平面，能很好地增加建筑物的抗震性、抗风性，增强建筑的稳定性，在降低能耗方面也有着重要的作用。一般情况下，采用正多边形或者趋于圆润的平面形式比矩形的平面形式，风载体型系数可减少20%以上。当然矩形平面也尤其特有的优势，那就是功能排布方面，矩形平面对于空间的使用来讲，具有别的平面形式不可比拟的优势。

2.2.2结构体系

图8不同高度建筑的结构选型

超高层的结构选型有多种多样，选择什么样的结构形式，与建筑的高度及平面形式有着重要的关系，选择不同的结构形式，对超高层的建筑形态也会产生非常大的影响。超高层的结构选型大致可以分为以下几类：

（1）框架+支撑、框剪结构体系。

框架+支撑结构体系通过斜撑的使用，可以增强结构的刚度。框剪结构体系是在平面中配置一定比例的混凝土墙，以增强建筑抵抗水平荷载的能力。但此两种结构一般只适用于高度不是很高的超高层建筑。

（2）筒体结构体系。

筒体结构分为框筒、筒中筒、束筒等几种类型。框筒结构的外部为框架结构，内部结构支撑主要为核心筒。此结构体系的特点是：：外圈框架柱比较大，但分布比较稀疏和勾称，一般应用于100多米的超高层建筑。筒中筒又分为两种，一种是外层为密柱式筒，另一种是外层为孔洞式筒。

筒中筒结构具有非常好的稳定性，因此被应用于大量的超高层建筑的结构体系中。密柱式筒结构体系的特点是外筒柱子密布，但相对截面小，因此形成的里面效果能凸显竖向的线条，纽约的世贸大厦就是此类建筑的典型代表。孔洞式外筒的特点是，外筒一体饶筑而成，预留窗洞，该结构对建筑形态的影响是结构整体性更好，立面的开洞更随意，因此可以在外立面形成丰富的孔洞图案，从而形成丰富的超高层建筑的纹理。天津中钢国际是此类建筑的典型代表。

（3）巨型结构体系。

巨型结构是由大型构件（巨型梁、巨型柱和巨型支撑）组成的，主体结构与常规结构构件组成的次结构共同工作的一种结构体系。巨型结构按主要受力体系形式可分为巨型析架结构、巨型框架结构、巨型悬挂结构和巨型分离式结构；按材料可分为巨型钢筋混凝土结构、巨型钢骨混凝土结构、巨型钢+钢筋混凝土混合结构及巨型钢结构。

2.2.3环境状况

超高层选择什么样的形态，与其环境状况有着密切的联系。环境因素主要体现在：气候、用地、周边建筑等外环境，还体现在舒适度、感官度等内环境。

（1）气候因素

不同的气候对建筑的形态有着不同的影响，如炎热的地区往往要注重建筑的遮阳、通风等，而寒冷地区则更加注重建筑的保温等因素。越高的建筑，对风环境的考虑要严格，因此越高的超高层，其在外形方面往往越圆润，以此来降低风荷载对建筑的影响。如上海中心选用的旋转式造型及圆三角平面形式，就是为了降低风对建筑的影响。

（2）周边环境

周边环境包括场地、周边建筑等。首先，建筑的形态要与周边的环境相融入，这是新建筑学对建筑设计的基本要求，如果建筑与当地的环境不能融合，那么超高层的形态就会给人带来一种很突兀的不舒适的感觉。另外，建筑用地的形态，周边建筑的形态，对超高层建筑本身的选型也会产生一定的影响。一般的大型超高层项目的用地一般都比较紧张，地处城市核心区，周边建筑非常繁多，因此设计得体的超高层形态，对于环境是一种尊敬。

2.3单元式玻璃幕墙之于超高层的适应性

高度超过300米的超高层建筑要承受更大的风力、地震力和温度变化的影响，主体结构会产生更大的竖向变形，这些因素会使幕墙相应要承受更大的内力和位移。加之要求幕墙装配精确、运输方便、并尽量减少现场安装工作量，因此超高层建筑的幕墙都会首先选用单元式幕墙。

2.4影响单元式玻璃幕墙效果的因素

玻璃幕墙作为建筑的外衣，即使微小的差别，也能体现出巨大的差异。本小节通过对一些超高层幕墙的对比，总结出玻璃幕墙对超高层形态的影响。

2.4.1玻璃层面

（1）透光率

玻璃的透光率，或者说反射率、透明度。玻璃的透光率直接反映了光线能够进入建筑内部或者建筑内部光线透出建筑外部的多少，在直观感受上给我们带来的一个是反射度，一个是透明度。然而确定玻璃透光率多少，一方面取决于建筑师对艺术效果的要求，一方面也取决于建筑能耗等技术的要求。因为超高层建筑相对比较密闭，夏天大量的热量会透射进入建筑，会使得建筑内部的温度快速升高，因此后来出现了锻膜玻璃，这样可以把大量的光线反射回去，但是这随之带来的就是光污染的问题，所以这种玻璃近些年已经几乎被淘汰了，但是为了满足玻璃对光线的阻挡作用，所以一定程度上的反射还是有必要的。但从建筑的外部来看，越高的反射率，建筑的通透性就会越弱，给人的感觉就是没那么轻盈，而是一种更强的体量感。而透射率高的玻璃，看上去则很容易看到建筑内部的效果。

（2）平整度

玻璃的平整度，或者说光滑度。超高层的玻璃对安全性要求很高，如果安全性能不够，一旦破碎，将会对地面的人和物造成损伤。安全性的要求逐步促进了玻璃技术的提高，钢化玻璃、半钢化玻璃、夹胶玻璃等应运而生。钢化玻璃安全性能好，但是其受到应力影响，表面容易产生不平整的感觉。目前绝大部分钢化玻璃是采用水平钢化技术生产制造的，水平钢化技术生产的钢化玻璃在玻璃平整度的方面虽然比垂直吊挂生产方法生产的钢化玻璃在平整度方面有了很大的改善，一方面没有了吊挂部位的夹钳印，另一方面玻璃在石英親道上运动就像被放在一个模具上一样在很大程度上限制了软化玻璃的变形，但是，水平钢化玻璃的变形仍然是影响钢化玻璃质量的重要因素。平整度对幕墙效果带来的直接影响就是使得建筑的外表面看上去不够平整，尤其是隐框幕墙，这样会导致周边建筑在其玻璃上形成的反射影响扭曲变形，从而影响到建筑自身的美观。所以建筑师在选择幕墙玻璃的时候，一定要充分考虑到玻璃的平整度，否则会大大影响建筑的品质。

（3）色泽度

玻璃的色相，通俗说就是玻璃的颜色。玻璃的颜色有多种多样，但是超高层建筑中常用到的一般都是透明的无色玻璃，但是由于玻璃生产加工过程中会带有一定的金属元素，这就使得玻璃往往带有一定的颜色，多数是偏蓝色系或绿色系。在玻璃的颜色方面，即使微弱的变化，反映在超高层幕墙的整体效果上时，就会显现出比较大的差异，因此，在确定幕墙颜色的时候，要根据建筑师的要求，严格控制玻璃的选用，常用的做法就是做样板。已经建成的超高层建筑中，有很多效果都不理想，这其中有很多都与玻璃的选用有很大关系。

3、结束语

综上所述，本文主要是从建筑设计的角度去谈幕墙设计的艺术处理手法。幕墙可以看作是一个简单的闭合的面，但是这个简单的面，可以通过不同的艺术处理手段去营造不同的艺术效果，在单元式幕墙设计的过程中，我们一定要注意对各方面进行充分的考虑，提高单元式幕墙的设计水平，促进单元式幕墙快速的发展。

参考文献：

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[5]杨全新.浅谈单元式幕墙设计[J].幕墙专栏，2011.