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摘要：中國幕墻技術經過 40 多年，特別是30多年的快速發展， 由初期僅憑直接經驗和模仿設計階段躍升為結構計算理論化、構造系統化和規范化的發展新階段 。幕墻作為現代建筑重要的部件，將逐漸成為建筑的真正的多功能表皮，甚至低碳產能皮膚。30年來，不管在材料應用創新、施工工藝改進、構造裝配化、功能集成創新、視覺肌理多樣化、系統性提高熱工性能還是智能化控制，一直在實踐中多樣化創新，點滴中展現出進步。通過回顧分析幕墻技術創新和發展軌跡，總結經驗提出不足，探索設計安全、經濟、舒適和創新的幕墻道路，展望建筑幕墻未來創新與發展。
關鍵詞：幕墻技術；幕墻技術創新；幕墻發展趨勢
1、前言
我國建筑幕墻工業規模逾5000億 , 已為實現建筑個性化表達外形及實現功能方面 , 創造了不可替代的價值 。國內建筑幕墻從1984 年長城飯店工程中應用以來有近 40 年的發展歷程 , 目前已步入廣泛應用新技術、 新材料、新工藝的智能信息化、綠色環保化、工廠裝配化等全方位發展階段 [1]。而數字化、智能化和節能技術為幕墻新的多樣化創新提供了強有力的工具 , 造型及其功能的多樣性越來越符合現代人的 需求。而且幕墻作為建筑子系統 ,在滿足建筑量身定制設計的過程中“個性化”既是必然也是業主追求商業價值、建筑師表達個人造詣和社會評價的必然結果[2] 。在行業發展進程中 ,幕墻的“ 風格”不斷演化 , 圍繞安全性、舒適性、美觀性和經濟性而持續改進 ,通過持續創新，滿足該需求。這恰恰表明建筑幕墻與人的社會性緊密聯系在一起 。
2、幕墻技術創新動力分析
幕墻技術創新，起初主要圍繞如何實現安全和簡潔構造而展開的，所以重點放在構造和制造安裝工藝方面[3]。如哈爾濱森融大廈隱框玻璃幕墻，通過設計定距壓緊、定位安裝方式，保證玻璃平整度高而且安裝高效。最近15年來，節能綠色化、裝配化工藝、智能化和個性化設計成為幕墻創新的主要需求。圖1總結了幕墻技術創新發展的核心動力，其中節能低碳要求是全局性的，國家和各地區節能標準在逐年持續提高的過程中。而單元幕墻作為裝配化幕墻的代表性品種，代表了工廠化程度高、原始性能保持時間長和高品質幕墻，在當下制造和安裝勞務成本快速升高的背景下，符合幕墻實施工藝演變方向。通過采用單元幕墻形式，降低其綜合成本成為可能。智能化是提高舒適互動、動態響應的基礎性技術領域，也是更高層級上實現低碳節能的必要條件，通過優化對太陽能（詞條“太陽能”由行業大百科提供）量透過率、可見光（詞條“可見光”由行業大百科提供）環境和通風等功能，可以達到綜合節能和提高使用者舒適度的目的。數字化設計和過程管理，對提高幕墻完成度和降低時間成本方面，具有決定性的影響。對此BIM和AI將發揮重要作用。
建筑設計的基本原則和方針要求一直在微妙地演變中。在文化大革命前，“黨的建筑方針”是：適用、經濟、在可能的條件下注意美觀。改革開放以來，重新強調適用、經濟和美觀原則。但市場上也出現了一批怪異建筑和表皮，人們以評丑陋建筑活動，表達對怪異建筑的反感之情。順應該社會思潮，2016年國務院文件《關于進一步加強城市規劃建設管理工作的若干意見》中提出：適用、經濟、綠色和美觀，重申了建筑設計中美觀的重要性，并增加了綠色低碳的要求。這些承載社會責任的建筑設計理念，無疑對建筑表皮的發展走勢產生積極的影響。
3、幕墻技術創新與發展歷程
從建筑發展視角來看 , 某種幕墻風格盛行 一段時間后將產生內在的轉向需求 。 因此可通過改變造型、結構體系或材料工藝 , 來滿足人們喜新厭舊的審美定位要求 ,但唯獨不變的是對安全、經濟、舒適和美觀的需求[4] 。 30年來國內幕墻，為了滿足該要求，建筑表皮始終堅持技術創新，在構造創新、施工工藝創新、材料及其應用創新、功能集成創新和視覺肌理創新方面，展現出對多樣化建筑創意做出積極響應。同時開發出多樣化幕墻體系(如圖2)，滿足建筑設計多樣化要求。
3.1 構造裝配化以及單元式幕墻：94年之前幕墻外觀形式為明框居多，森融大廈為標志，大量的項目采用隱框或半隱框形式玻璃幕墻。JGJ102-96出臺之前，國內幕墻構造以框架式幕墻為主，少量的項目采用單元幕墻體系。而且一般由境外幕墻企業完成，如以北京長城飯店為例，單元板塊在比利時組裝后，運到北京安裝。北京中紡大廈是由國內幕墻企業設計安裝的早期單元式幕墻示范項目之一，采用了豎鎖式單元幕墻形式。
3.2 創新材料應用造就了多樣化建筑幕墻
建筑師的創意推動著建筑幕墻技術的不斷發展，也帶動了相關材料的進步。而新材料的涌現，反過來又促進了幕墻技術的創新與發展。日本知名建筑師隈研吾在《隈研吾的材料研究室》的開篇就提到“遇到新的材料，新的時代就開始了”。從列入國家建筑材料工業“十四五”科技發展規劃的幕墻材料（詞條“幕墻材料”由行業大百科提供）也可以看出，各種新型材料，如結構粘接材料、高強度線性金屬材料、高性能低輻射Low-E節能玻璃和多樣化的裝飾面板材料的發展得到各方重視。在人造板材方面，今天已發展出瓷板、陶板、玻璃纖維增強水泥GRC板、超高性能混凝土（詞條“混凝土”由行業大百科提供）UHPC板、強化玻纖高聚合熱壓復合GRP板、燒結致密陶瓷巖板、擠出混凝土板ECP等材料和其復合應用材料。個性化異形表皮的興起，為GRC板和UHPC板提供了應用場景。GRC板通常采用“噴射入模具”工藝，制造靈活，但品質穩定性有待提高。GRC輕質構件通過選用高品質原料、提高模具精度（詞條“精度”由行業大百科提供）、保障7天以上的初期養護時間、表面防水（詞條“防水”由行業大百科提供）處理、排水路徑優化等措施，正在系統性解決開裂、掉角和排水孔周圍發霉發黑等材料頑疾。UHPC強度比GRC高3倍之多，吸水率也只有GRC的1/5甚至更低，并且具有輕質、超高強、可造型的特點，在結構裝飾一體化領域備受建筑師和業主的青睞。而且只有裝飾而沒有結構需求的領域，高性能混凝土HPC材料，再結合多樣化纖維增強材料進行復合，正在拓展其應用范圍。
在大工業化玻璃技術支撐下，在建筑節能設計方面，玻璃改變了建筑。各類高性能玻璃，如多銀Low-E膜節能玻璃、絲網印刷玻璃、數碼打印圖案玻璃、調光玻璃和光伏發電玻璃等高性能玻璃產品以及對其組合應用，在滿足節能指標要求的同時，極大地豐富了建筑個性化表達。目前雙中空與多銀LOW-E多層膜結合運用，能夠有效地對玻璃熱傳導、對流和輻射進行控制，將在節能低碳幕墻領域創造巨大價值。圖4給出典型配置玻璃傳熱系數K值和遮陽系數Sc值，與帶有不同長度斷橋的金屬邊框結合運用，可以滿足不同節能等級的建筑幕墻需求。
在多彩金屬面板方面，早期常用材料主要有鋁單板、鋁復合板和鋁蜂窩板等，后期增加了不銹鋼板、搪瓷板、銅板、鈦鋅板（詞條“鈦鋅板”由行業大百科提供）和種類繁多的仿石、仿木的金屬板系列產品。目前聚氨酯（詞條“聚氨酯”由行業大百科提供）系列材料，在提升門窗和幕墻節能性能方面，表現出一定的優越性，如果很好地解決其局部連接強度、多向異性、擠出精度、表面處理（詞條“表面處理”由行業大百科提供）和回收方面的短板，或適應性應用好，將在節能門窗幕墻領域發揮重要作用。
3.3 功能集成創新：通風器（詞條“通風器”由行業大百科提供）、LED及媒體幕墻、BIPV幕墻、智能控制和響應幕墻
通風器和LED集成幕墻：集成創新是幕墻創新的普遍形式，而通過集成隱蔽式通風器和見光不見燈的LED集成設計，可實現與建筑幕墻與通風和照明功能高度集成。通風器是幕墻通風的一種常用形式，因為采用通風窗，無論采用何種開啟方式，對立面都會帶來不同程度的破壞。為了解決該矛盾，建筑幕墻個性化肌理與通風器和隱蔽式LED燈帶結合設計幕墻應運而生(如圖5項目)，通風器往往可與表皮肌理結合起來設計。
BIPV幕墻：長期以來，國家相關部門高度重視光伏發電與建筑一體化融合，推動了光伏技術和產業的適應性發展。特別是2022年4月實施《建筑節能與可再生能源利用通用規范》(GB 55015-2021)后，各地區配套出臺了量化應用光伏一體化BIPV系統的具體措施和要求。盡管政策上鼓勵應用BIPV幕墻，受多方面要素的影響，當前BIPV應用與“安裝型”太陽能光伏建筑(Building attached photovoltaic，BAPV)應用相比，具有綜合成本高、立面集成體系的發電量折減等弱勢，立面BIPV應用積極性不如屋面BAPV應用。但建筑立面面積遠大于屋面，BIPV的集成應用于立面上的潛力巨大。隨著國家和各地針對BIPV的政策扶持、BIPV評價標準的完善和BIPV本身技術裝備的迭代發展，建筑幕墻被賦予更多的“低碳美學”綠色屬性，BIPV幕墻將迎來快速發展時期。
智能幕墻--感應幕墻：智能幕墻，通過對外界天氣參數變化做出自動響應，進而通過調節遮陽、玻璃透光量和通風等因素，對室內建筑物理環境參數進行控制的幕墻系統。智能幕墻的最高境界是，通過人機互動以感知、動態反饋控制、算法學習迭代等方式來優化控制系統，達到節能舒適的目的(如圖6)。智能幕墻，受成本原因，只有少量建筑幕墻中采用。
而感應幕墻是指可以根據使用者存在與所處狀態，進行響應的動態幕墻。高級的感應幕墻，可根據環境參數自動調節玻璃的透光度、啟動或關閉通風裝置，根據使用者的狀態呼吸通風甚至生產氧氣，適時動態提升環境質量。另一種幕墻感應形式是類似索契冬奧會建造的巨大人臉動態幕墻，與游客進行實時互動，可以在三維空間中變幻圖像。
3.4 視覺創意：纖細幕墻、自由曲面幕墻、個性化肌理幕墻(自然形態)
為了把握幕墻核心技術風格轉變脈絡，下面選擇一些具有全局性屬性的開放式體系、纖細通透化、自由曲面（詞條“曲面”由行業大百科提供）和個性化肌理等幕墻技術，進行針對性剖析和探討。
3.4.1 實現通透纖細幕墻策略
幕墻界追求制造通透幕墻的努力從未停止過。實現通透幕墻一般通過增加幕墻單塊玻璃面積、提高玻璃可見光透過率、使用更加纖細的構件等措施實現的。根據系統性調研發現，深圳和上海等地的玻璃幕墻單塊玻璃面積30年來普遍增加了4倍以上。以深圳和上海幕墻玻璃為例(如7所示)，單塊玻璃板塊面積從最初的1.8m2到現在的8m2，增長4倍以上。目前，單塊玻璃的寬度 2.4m很普遍，裙房所用玻璃更是由6米高增加到20米左右(北京城市副中心圖書館所用玻璃：3m*15m)。可見光透過率(Visible Light Transmittance, 即VLT)從早期鍍膜玻璃普遍30%左右提高到現在的60%左右，甚至通過采用高透LOW-E玻璃，可見光光透過率可以提高到近80%，從而能獲得明亮的涼爽室內光環境。
纖細構件使用方面，更是創新做法層出不窮。替換鋁構件為精致鋼、單層索網、加輔助支撐等均為構件纖細化策略。幕墻龍骨從采用鋁合金構件到纖細精致鋼構件，再到單層索網結構。
可通過索-裝飾框體系獲得纖細感(如8)，即通過索外包異形鋁型材進行簡化裝飾或把索放置于玻璃縫隙的做法，獲得纖細通透感。相信將來更多的項目采用基于該原理完成的幕墻或其某種變化形態。
早期吊掛全玻璃幕墻一般采用膠粘夾板工藝，吊裝工藝如圖所示。這種工藝對施工要求比較高，離散性也較大。而最新發展的打孔吊掛工藝離散性小得多，這種全玻璃吊掛系統，能保證安全性和壽命的同時，滿足了施工方便性要求。不過，建筑設計一味地追求超大規格玻璃，并非理性之舉，即便玻璃吊掛孔中填充高抗壓膠，能均化邊緣應力避免應力集中，若不能嚴格按工藝施工，同樣會失效。
3.4.2 自由曲面幕墻及冷彎技術
從神經美學觀點來看，曲面建筑給人動感體驗和親近感。所以不管經典建筑中的弧線元素還是最近“數字化”為風格的流線型異形建筑幕墻，給人帶來獨特的建筑審美體驗,如國家速滑館[5]。隨著數字化設計手段和材料工藝的進步，如參數化正向設計和低成本的冷彎金屬板或玻璃和人造板技術，為這一類項目成功落地創造了良好的條件。一般玻璃曲率大于1500倍厚度時，就適合采用冷彎工藝，根據經驗，當翹曲值≤L(短邊)/60時，由于彎鋼化技術的限制，采用冷彎工藝成形，能有效保證建筑效果，經濟效益高，且技術簡單，安全度在可控范圍內。例如，俄羅斯圣彼得堡銀行辦公樓玻璃幕墻項目(如圖所示)采用單元板塊整體冷彎工藝，外立面為雙曲面形態。該項目中把玻璃組裝為平板單元幕墻板塊，現場通過壓板施壓實現微弧線曲面幕墻，保持較低的玻璃表面永久附加應力。該項目采用AGC的帶遮陽膜的三玻兩腔配置，一個角的翹曲值大約50mm左右。在工廠制作全比例模型，將玻璃通過壓板使之翹曲70mm左右，經過一段時間的全方位測試，驗證方案可行，并最終應用于該工程。現該工程已完工并投入使用了幾年的時間，暫無發生玻璃在長期應力作用下破碎等現象。國內采用單中空冷彎玻璃的案例較多，但尚無大型冷彎雙中空玻璃的案例。
為了進一步分析冷彎玻璃固定應力分布，本課題組通過有限元方法（詞條“有限元方法”由行業大百科提供）分別對單點固定和多點固定玻璃幕墻進行了數值模擬。模擬結果表明，選擇8mm單片玻璃，40mm位移荷載時單點固定和多點固定應力值分別為5.02MPa和6.29MPa，單點固定應力值為多點固定時的80%，如圖所示。
3.4.3 肌理幕墻：滿足個性化體驗和韻律美
隨著人們追求建筑新穎個性化表皮、數字化幕墻設計和建造技術的進步，越來越多的建筑采用既具備抽象化肌理美感，又承載文化元素和光伏一體化等功能集成的幕墻形式-肌理幕墻[6]。這種幕墻相對于具有矩形平滑表面幕墻，引入更多折皺和斜線方式[7]。
肌理幕墻可以通過多層集成或單層褶皺實現某個性化圖案，前期可通過BIM技術輔助設計更好展示出個性化體驗和韻律美。一般來說，可采用如下設計手法實現：
采用單層肌理幕墻(見圖)，其設計和制造難度較大，實現精致面臨較多挑戰，其核心技術是：(1)斷框工藝，通過插芯實現轉折傳力作為基礎;(2)玻璃角度，通過組合附框，加以調節;(3)實現室內視覺舒適、協調，包含式設計。
采用多層如雙層幕墻(見圖)，通過外層構件表達肌理圖案。由于該策略采用多層幕墻體系，其材料和施工成本略高，但技術難度不大。其技術原則為：(1)外層材料形成立面肌理圖案;(2)內層幕墻防水隔熱保溫;(3)內外層之間設置緩沖區，設置外遮陽簾;(4)實現通風、遮陽、綠建節能。
4、數字化設計應用及展望：
幕墻數字化發端于BIM應用。BIM數字化平臺在幕墻全信息設計、CAM制造和可視化全生命周期管理過程發揮重要作用[ 8 ]。而人工智能將為幕墻發展注入變革動力，將在建筑表皮效果和幕墻構造自動生成、既有建筑缺陷檢測、項目可視化實施管理以及智慧化控制運行等多個領域發揮重要作用。建筑及表皮應用AI賦能目前主要包括以下4大領域：1)基于大數據和機器學習，輔助設計泛建筑系統，并基于VR高效決策表皮設計方案;2)機器人與真人協同智能化制造;3)基于實景實時監測，實現可視化全過程管理(整合硬件和軟件);4)助力建成后的智慧控制運行，并基于大數據深度學習，不斷優化運行算法，改善運行效果等。
基于大數據和機器學習輔助設計尚處于起步階段。目前借用BIM正向設計技術，建立全信息模型，再通過現場實物測量進行逆向修正建模，完成數字化應用。將來會逐漸轉變為利用AI生成模型，再通過與構件基元庫建立連接，建立高效的幕墻設計體系。機器人與真人協同智能制造領域屬于AI技術發展較快的領域。可以預見，隨著人工成本的快速提高，工廠化人機協同以及施工機械化和智能化是大勢所趨，該領域智能化制造有很大的升級空間(圖14)。
5、總結
國內建筑幕墻經歷30多年的快速創新與發展，已建立起了完備的行業標準體系、多樣化材料應用體系和構造體系，并通過巨量幕墻工程實踐，積累了豐富的創新和落地實施經驗，為接下來的高質量發展奠定了堅實基礎。與此同時，也存在不成熟材料、工藝和技術投放市場后，出現短壽命幕墻時有發生，影響了創新價值。
當下“創新系統化、設計參數化、管理實物-虛擬同步化、現場施工機械化”是提高幕墻品質的有效手段，需要認真對待每個項目所用新材料、新技術和新工藝，完成必要的試驗以降低實施風險，提高建筑幕墻完成度。
1、幕墻結構計算技術，因采用有限元等先進計算方法，為幕墻設計實現物盡其用提供了可能，值得進一步完善具體計算方法，做到設計既可靠又經濟;(如大跨構件穩定性計算)
2、建筑表皮和幕墻個性化是建筑設計創意必然，但只有對幕墻安全、功能、與人互動、經濟性和美觀性進行系統性評估，才能有效平衡幕墻制造成本與性能;
3、應該多研究幕墻相關規范的精神，掌握制定規范條文邏輯和原理，才能活用規范條文本身，完成好高品質創新幕墻產品。規范是成熟經驗的總結，掌握其原理，避免落入教條，敢于創新才有出路;
4、試驗是確實性之母，創新可落地的基礎，應給予重視;
5、建筑系統的低碳綠色設計需求下，幕墻所用大工業化節能材料將發揮更重要作用;
6、幕墻美觀應從城市尺度、街道尺度和近人尺度，加以把握;其中，神經建筑學設計原則是實現該目標的合適選項;
7、幕墻創新無止境，節能、高性價比、與人響應和互動、功能集成幕墻，如低能耗幕墻、智能控制幕墻、媒體幕墻、BIPV 幕墻和對其集成幕墻，將有巨大的發展潛力;創新是時代主題，但要認識到安全、節能、舒適、美觀和經濟性作為終極評判標準的重要性，扎實推動材料創新應用、工藝改進、功能集成和數字智能化在內的創新。
參考文獻
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[8] 張鵬飛. 基于BIM的大型工程全壽命周期管理[M]. 1版. 上海. 同濟大學出版社, 2016
作者：孟根寶力高 張立森 盧建華
作者單位：華東建筑設計研究院有限公司
