談到幕墻在建筑設計中的應用，可以說幕墻，特別是玻璃幕墻是當代的一種新型墻體結構。其賦予建筑的最大特點是將建筑美學、建筑功能、建筑節能和建筑結構等因素，有機地統一起來，建筑物從不同角度呈現出不同的色調，隨陽光、月色、燈光的變化，給人以動態的美，那么建筑設計和幕墻設計二則有合關系，中國幕墻網ALwindoor.com特邀“中國建筑科學研究院研究員”趙西安教授，為大家詳細介紹。
幕墻規范的新解讀
新版JGJ 133 和JGJ 102 的設計部分介紹(二)
幕墻的建筑設計
一、 開啟扇
1. 合理選用開啟方式，控制開啟扇的尺寸
開啟部分不應采用平開窗，外開平開窗的窗扇受風力和自重作用容易掉落，安全性差。不管外平開還是內平開都難以控制其開啟程度，一旦打開就形成一個大洞口，容易出現人員安全問題，而且打開后的一個個黑洞，好象破碎后的玻璃，影響立面美觀。
推拉窗密封性能較差，在風雨交加時很容易從邊縫向室內冒水，開啟后的問題和平推窗相同，存在安全隱患，也影響幕墻的外觀(圖1)。
目前應用最廣泛的開啟方式是上懸窗，其各項性能綜合比較占明顯優勢。為保證開啟扇本身的安全和室內人員的安全，上懸窗的開啟角度不應大于30度，下邊緣的開啟最大距離不應超過300mm(圖2)。
開啟扇的面積不能太大，以便于室內人員能手動開啟。特別是采用中空玻璃、夾膠玻璃和夾膠中空玻璃時，重量將是單片玻璃的2~4倍，使得人力難以推動。而且自重過大會使五金件受力過大，也不安全。通常兩片玻璃的開啟扇面積不宜超過1.5m2，夾膠中空玻璃開啟扇的面積不宜大于1.0m2。
2. 平推窗
上懸窗雖然應用普遍，也是通常幕墻設計的首選，但是上懸窗只靠上掛點的掛鉤支承，如果設計有缺陷，施工有偏差，就很容易發生掛鉤脫離，開啟扇整片墜落的事故。上懸窗墜落在許多工程中都曾發生過。
平推開啟扇完全由多個金屬窗撐支承，可以平行向外推出(圖3、圖4)。
平推開啟扇有多個連接點，同時失效的機會很小，不容易發生窗扇墜落的危險。平推窗的開啟距離一般為200mm。
3. 上懸掛鉤的安全問題
要防止上懸掛鉤脫出，主要是兩項措施：
掛鉤要足夠的入槽深度;
要有防止掛鉤脫出的限位裝置。
圖5的節點構造符合上述要求。
反之，入槽深度淺，不設限位裝置，都會帶來開啟扇掉下的危險(圖6)。
二、 局部構造設計
1. 雨棚的坡度
與幕墻相連的玻璃雨棚應有足夠的坡度，以排除雨水，防止污物在玻璃板上沉積，影響美觀。
水平放置的玻璃面板在自重和雨水作用下會向下凹陷，其允許撓度為短邊長度的1 / 60，為排除積水，雨棚的坡度不能小于 3% ，最好更大一些。有些圖紙上標注 1% 或2% 的坡度是不正確的，會產生污垢沉積(圖7)。
2. 伸縮縫、沉降縫、防震縫
當幕墻為抗震設計時，伸縮縫和沉降縫都會按照防震縫的要求設計，以下都稱為防震縫。
幕墻在主體結構的防震縫部位應有構造措施，防止主體結構兩側相對位移時幕墻被損壞。在2008年汶川大地震中建筑幕墻表現良好，基本上沒有發生明顯的震害，但是個別工程因為防震縫部位沒有采取相應措施，兩側幕墻相碰造成玻璃板塊破損(圖8)。
幕墻面板在防震縫位置應留出與主體結構防震縫大體相同的寬度，然后用風琴橡膠板、金屬滑移板等寬度可伸縮的材料封閉(圖9)。
一般情況下，面板不應跨越主體結構的防震縫。在不得不跨越時應采取防止面板破壞的構造措施。圖10為首都機場三號航站樓，玻璃板塊跨越防震縫，為此采取以下措施：
1 跨越板塊兩側設置風琴板，將跨越板塊與兩側主要部分分離;
2 跨越板塊由單獨鋼梁承托，鋼梁兩端用滑動支承與防震縫兩側的桁架分別連接。
3. 玻璃面板與主體結構或裝飾間的間隙
幕墻玻璃面板常常要伸入到主體結構中或裝飾層中，為保證玻璃面板在荷載或溫度作用下有自由彎曲和伸縮的余地，玻璃表面與鄰近結構或裝飾表面間應有足夠的距離。通常這個距離不小于6mm。如果玻璃鄰近空隙太小，加之密封膠硬化的話，玻璃變形受限，就容易發生破裂(圖11)。
三、 板縫的形式和板縫的寬度
1. 優先采用注膠板縫
注膠板縫不容易漏水，密封可靠，目前大量采用，已有成熟的經驗。密封膠還是第二道防線，如果石材破碎，可以防止碎塊墜落。
所以JGJ 133 規范新版本規定，100m以上高度的石材幕墻應采用注膠板縫，非花崗石幕墻應采用注膠板縫。
建筑設計應優先采用注膠板縫。如果建筑師希望突出板縫的立體感，也可以采用凹入式深膠縫，將將建筑密封膠的表面凹進石材表面5mm~10mm。
2. 開放式板縫
建筑師采用開放式板縫主要是建筑藝術上突出板縫立體感的要求，另外也希望減少膠縫積灰，保持幕墻表面的清潔美觀。
為留出面板溫度伸縮的空間，開放式板縫的寬度不宜小于10mm。
面板后方應設置防水層，通常多采用鋁板或涂層鋼板。如果在板縫中設置防水膠條，也可以起防水的作用，不再設防水層(圖12)。
3. 密封膠縫的寬度
建筑密封膠縫的最小寬度要考慮以下因素：
面板的溫度變形;
膠縫寬厚比的要求;
注膠嘴能伸入縫內注膠;
面板尺寸偏差和安裝位置偏差。
有些建筑師和業主要求石材幕墻的板縫寬度5mm，甚至細到2mm，這是不合理的。這么細的縫，施工稍有偏差就變為無縫。不僅無法滿足溫度變形的要求，而且小于6mm是無法進行注膠的(圖13)。
對于玻璃、金屬板這樣的光滑表面材料，膠縫設計要求膠縫寬度不小于膠縫厚度的2倍。所以通常膠縫寬度不小于10mm(圖14、圖15)。
對于石材等粗糙多孔表面，膠縫設計要求膠縫寬度不小于膠縫厚度，考慮到石板加工安裝偏差較大，板縫寬度不應小于8mm(圖16)。
四、 防火設計
近年來，已建和在建的幕墻工程頻頻發生火災。僅2009年2月9日電視文化中心發生空前大火后，2月20日廣州富力城、4月6日北京新的中國科技館、4月19日南京50層中環大廈相繼因電焊引燃聚苯保溫板發生大火;到2010年11月上海靜安教師公寓大火造成近百人傷亡;2011年春節沈陽萬鑫大酒店大火燒了十個小時。幕墻的防火設計再一次引起我們的重視。
1. 合理選用幕墻材料
(1) 聚氨酯板和聚苯板的可燃性要認真重視
聚氨酯板和聚苯板是目前正在推廣的高效節能保溫材料,尤其是擠塑聚苯板以其良好的熱工性能和施工方便的優勢,已在幕墻工程中廣泛使用。但是其可燃性，甚至可向四周引火擴大火災范圍的危險性并未引起重視。甚至以加入阻燃劑為由說聚苯板已經是難燃材料，符合幕墻規范要求等等，對設計人員產生誤導。
實際上，這兩種材料用打火機就能點燃，不要說電焊火花濺上了。一旦有火源，它們80度就會軟化，溫度再高就著火、融化，冒出熊熊火焰和濃濃的黑煙，帶著火苗的滴熔物滴到那里就燒到那里。板上很快燒出大洞，火焰沿洞邊迅速向外擴展，象導火索一樣將火災引向四面八方。這些保溫板甚至在金屬板的內部封閉的條件下都可以不斷擴大燃燒范圍，極難撲滅。2005年南京青少年科技活動中心金屬屋面板下面大面積保溫聚苯板燃燒，只見冒煙不見火焰，不知往哪邊澆水。2008年7月和11月，濟南奧體中心體育館兩次屋面大火也出現相同的情況，每次都燒掉幾百甚至幾千平方米的金屬屋面。
聚苯板的易燃性從彩鋼板房最近連續發生大火災也得到另一個角度的驗證，僅2009年3月就有中央美院、上海國金大廈和重慶某工地三次聚苯板彩鋼板房大火災，每次大火都把板材燒個精光，只留下彎彎扭扭的鋼骨架。
電視文化中心近十萬平方米的金屬屋面采用了擠塑聚苯板作為保溫材料，引出了這次空前大火，災情慘烈，大家深以為教訓。許多工程都改變設計，改用別的材料。大連貝殼博物館屋面采用巖棉;上海世博會中國館改用鋼板包封壓縮巖棉。
如果幕墻不得不采用這些保溫板，就必須在施工中采取嚴格的防火措施。
(2)傳統保溫材料不要一概否定
巖棉、玻璃棉等傳統保溫材料已經應用多年，積累了豐富的經驗。實踐表明它們用于保溫節能還是有效的。當然，相對于聚苯板、聚氨酯板這些新材料，保溫性能、施工環保和保護工人健康方面都存在缺陷，但是它們不著火，是難燃材料，用起來安心。
為改善其性能，應在巖棉、玻璃棉外面用鋁箔或薄鋼板加以包封成板塊狀，不僅便于鋪設，保護施工人員，而且可以防止保溫棉、防火棉受潮、水濕，保持其保溫和防火能力。
國家大劇院、世博中國館等工程仍然采用巖棉保溫，新建筑用老材料是經過充分考慮的決策。
(3) 鋁塑板的火災要引起注意
聚乙烯芯材的鋁塑板近年來多次發生火災，因為聚乙烯80度失去黏著力，隨即燃燒、冒煙、熔滴，更高溫度下裂解為可燃氣體。上海一座20層大樓2008年發生火災，30分鐘內鋁塑板一樓燒到20樓;同年哈爾濱23層經緯大酒店鋁塑板幕墻大火,再聯想2006年 烏魯木齊城市大酒店鋁塑板幕墻大火,不能不令人擔心鋁塑板幕墻的火災安全性。由于容易發生火災，我國幕墻公司在哈薩克承包的工程已被哈薩克政府通令停止使用鋁塑板。
作為鋁板幕墻的面板,應優先采用單層鋁板和蜂窩鋁板.,
2. 防火分區之間的防火設計
多層建筑的每一個樓層是一個防火分區;同一個樓層面積大于2000平方米時，要用防火墻劃分為若干個面積不大于2000平方米的防火分區。這些防火分區之間的部位要有相應的防火設施。
(1)層間不燃燒墻體
樓層之間在樓板邊緣應有高度不小于800毫米的不燃燒墻體，防止下一樓層的火焰卷入上一個樓層。可以計入這個高度的有：
不燃燒的實體墻(混凝土墻、磚墻等);
位于樓板邊緣的混凝土梁板、有防火保護的鋼梁和組合樓板;
由防火材料組成的防火墻(如硅鎂防火板夾120毫米厚的防火巖棉等);
單片防火銫鉀玻璃及其制成的中空玻璃、夾層玻璃。
(2).防火墻左右側的不燃燒墻體
防火分區之間的防火墻到了樓板邊緣，其左右兩側各1.0米或總寬度2.0m范圍內必須為不燃燒墻體。實體墻、由不燃燒材料組成的墻體、單片防火玻璃及其制品等均可計入其寬度。
圖17為深圳證券交易中心交易大廳的防火分區處防火墻兩側的處理，是在中空玻璃幕墻平面外，采用單片防火玻璃在防火墻左右兩側各1.5米單獨設置不燃燒墻體。
(3)樓層間的隔煙層
為了防止下部樓層的煙霧穿過幕墻與樓板間的空隙進入上部樓層，兩個樓層間幕墻與樓板間的空隙應設一道或兩道防煙隔斷。
隔煙層可以采用多種材料，如防火巖棉、防火板、單片防火玻璃等。最常用的做法是100毫米厚的防火巖棉用1.5mm鍍鋅鋼板承托。
如果保溫材料采用擠塑聚苯板等可燃燒材料，隔煙層要穿過保溫材料，直達鋁型材。否則一旦發生火災，保溫板首先被燒掉，隔煙防火巖棉與玻璃之間就出現空檔，隔煙層將失去作用。
有些部門要求用防煙材料填滿窗下幕墻板后面的全部空隙,這是不對的。規范要求100毫米厚的隔煙材料“充填密實”，沒有要求“全部塞滿”。塞滿后容易產生冷凝水，降低充填材料的保溫或防火性能;前面是玻璃板時，在陽光透射下會積聚熱量，使玻璃板因溫度升高而破裂。即使是做保溫，也應離開玻璃板30mm~50mm。
(4) 實體墻上的隔煙措施
鋁板幕墻和石材幕墻后面往往是實體墻，實體墻一般是不透煙的。所以除可按一般幕墻做層間隔煙層外，也可以不設層間隔煙而做門窗洞口周邊隔煙。
最近公布的消防規定有除了門窗洞口封堵外，層間還要照樣做隔煙層的要求，由于這些規定經常變動，設計時就按最新規定執行。
(5) 樓層防火單元間的玻璃防火隔斷
樓層上防火單元間通常用防火墻分隔。當建筑設計要求防火隔斷為透明時，可采用玻璃防火隔斷(圖18)。圖19 為廣西南寧國際會議展覽中心的玻璃防火隔斷。
玻璃防火隔斷面板應采用銫鉀單片防火玻璃及其制品。支承框架采用防火處理后的鋼結構，并用防火密封膠密封。防火隔斷與主體結構的后連接不應采用化學螺栓，應采用后切底機械錨栓。
3. 防止火勢蔓延的措施
(1) 內庭的防火設計
玻璃幕墻包封
內庭跨越許多樓層，形成巨大的室內空間，拔火作用明顯，很容易將一個樓層的火焰引向其他樓層，使火災迅速蔓延擴大。所以內庭周邊必須形成一道防火墻。
一種做法是將內庭周邊的建筑墻體按防火墻設計，采用不燃性墻體材料，防火門窗。火災時關閉門窗后內庭的火焰不會向樓層室內蔓延。圖20 為電視文化中心的內庭，就采用了這種防火設計，可惜這次火災時尚在裝修，防火門窗還沒全部裝上，火災中沒能起隔斷火災的作用。
另一種做法是單獨設置玻璃防火隔斷。整個內庭由防火墻包封。北京電視中心、上海金茂大廈和廣州珠江新城西塔等工程都采用這種防火措施(圖21 ~圖23 )。
(2) 阻斷危險的豎向孔道
電視文化中心金屬幕墻的鈦鋅面板均作成豎向肋形線條，尺寸為500mmX500mm，這就在保溫板上排滿了160米高的通風管，保溫板燃燒時源源不斷提供充足的新鮮空氣，助長了火勢，使保溫材料在鋅板下有足夠氧氣充分燃燒，火災不斷擴大(圖24)。
當建筑設計存在這類危險的豎向通風孔道時，應每隔若干樓層予以封堵。深圳證卷交易中心大廈的柱子，外包夾膠玻璃面板，玻璃與混凝土之間有70mm的空隙，高達240m，火災時會形成通風管道，所以每10層用防火玻璃封堵一次。
(3) 可燃保溫材料應劃分防火分區
這次電視文化中心保溫層燃燒面積達十萬平方米，無法控制，造成巨大的損失。其中一個原因是為了節能，消除冷橋，讓保溫連續鋪設。這樣一來，一旦起火，就火燒連營七百里，不可收拾。先前也有過南京科技中心、濟南奧體中心金屬屋面保溫大面積火災的教訓。目前在建的工程許多保溫面積達20萬~30萬平方米，如果連續鋪設，一旦發生火災，勢必無限蔓延。
因此，采用可燃性保溫材料時，應劃分面積不超過2000平方米的防火分區，分區的邊界應采用不燃材料予以阻隔。一旦某一分區著火，火勢也局限在個別分區內，不至于無限制到處蔓延，造成重大損失。
4. 擴大鋼結構在幕墻中的應用
鋁的熔點約為700度，鋅的熔點約為 400度，都遠低于鋼的熔點1450度。這次電視文化中心火災后，現場可見鈦鋅板和保溫層全部燒失，惟有鋼骨架和鋼板雖然變形扭曲，但依然在位。許多幕墻火災都出現過20分鐘鋁骨架熔化，面板失去支撐而掉下的現象。
防火玻璃必須采用鋼骨架，已經成為公認的做法。鋁板幕墻和石材幕墻采用型鋼骨架也越來越多。一般玻璃幕墻則仍然以鋁型材為主，但是大型公共建筑的玻璃幕墻和玻璃采光頂已普遍采用鋼結構支承。
近年來冷成型薄壁型鋼開始在玻璃幕墻中應用，并且相當成功。幕墻專用薄鋼型材外觀上已可與鋁型材比美，壁厚也做到了1.5mm~2.5mm，斷面形式多樣，可以滿足各種玻璃幕墻和玻璃采光頂的要求(圖25)。
目前許多高檔玻璃幕墻工程采用了薄鋼型材。圖26 為北京奔馳汽車公司，圖27 為鳥巢貴賓廳的薄鋼玻璃幕墻，還有上海通用汽車公司辦公樓和展覽館(圖28)。
5. 不要讓建筑變成火的牢籠
沒有絕對安全的玻璃，用玻璃就會有一定的風險。問題是合理使用，求得最大的安全。有些文件把鋼化玻璃和夾層玻璃定義為安全玻璃，其實是不妥當的。玻璃梁、玻璃柱和玻璃地板用單片鋼化玻璃就極其危險。
同樣，夾層玻璃打不穿、不飛散，可謂安全。但是如果用得不當，就非常危險。
在建筑的超高層部分，消防只能靠自身的內部消防系統，既不能靠外部水源灌救，室內人員也不可能破窗逃命。這種情況下幕墻全部采用夾層玻璃并不影響消防的安全性，因而是可以的。但是在低層部分和裙房，以及大量的公共建筑，有些沒有設置內部消防系統，外部救援和破窗逃生是重要的求生手段;即使有內部消防設施，多一條生路就可以更多人獲救。 如果全部采用所謂安全玻璃的夾層玻璃，無疑就斷了這條生路，使建筑成為火的牢籠。一旦起火，外無救援之通道，內無逃生的洞口，非常危險。
這并不是杞人憂天，2004年北京京民大廈火災，被困的人員就是從打破的窗口逃生的(圖29) ，如果這些玻璃都是夾層玻璃，打不破，砸不爛，那將會出現多么可怕的結果!
2005年，北京華貿中心電焊作業引燃保溫材料，發生火災，煙霧太大，無法救火，最后打破幕墻玻璃，排除濃煙才救熄了大火(圖30 )。
2011年，新西蘭基督城地震，玻璃幕墻表現良好，沒有破碎。幸好采用了單片鋼化玻璃，能讓室內人員砸碎玻璃逃生(圖31)。
如果這幕墻全部是夾層玻璃那就麻煩了。
所以幕墻采用夾層玻璃面板時，應當留出救援口，并作出明顯標記(圖32)。救援口可以采用單片玻璃，也可以做成開啟窗。
火災教育了我們，使我們在幕墻設計中更加重視防火問題。JGJ 102規范和JGJ 133規范的新版本對幕墻的防火性能和防火構造提出了更高的要求，作出了更嚴格的規定。幕墻設計和施工中，要合理選用防火的材料，按規范要求作好各部位的防火構造設計，盡力避免出現薄弱環節和安全漏洞，提高幕墻抵抗火災的能力，并在萬一發生火災時也能盡量減少人員傷亡和財產損失。
