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摘要：創新是時代主題，是提高幕墻行業生產效率和品質的必由之路。國內幕墻行業歷經近30年的發展，已建立起相關技術標準體系，具備環保綠色、智能數字化和工業化為代表的幕墻集成技術能力，并能夠適應個性化建筑市場需求的技術人才隊伍，以及相應配套實施能力。但依然存在技術創新激勵不足、方法不當、創新效率和系統性有待提高等問題。本文首先分析行業、人才隊伍和技術發展現狀，結合幕墻發展趨勢，探索更加符合時代要求的幕墻技術創新機制和方法，推動幕墻技術精細化創新發展之策。夯實基礎性技術、掌握創新方法、創建創新型組織和文化是促進系統性創新，轉向“虛擬設計和建造”VDC新工作范式，實現高品質精品幕墻工程的更佳手段。
關鍵詞：幕墻技術創新;幕墻發展趨勢;虛擬設計和建造
1 前言
隨著互聯網基礎設施的完善、智能控制技術的升級、建筑設計人本化理念的深入人心和環保要求的制度化，建筑幕墻必然向智能信息化、綠色環保化、裝配化和集成化方向發展。同時幕墻作為建筑子系統，個性化幕墻是建筑個性化設計的組成部分，其“個性化”既是自身發展的必然又是建筑設計追求“創造新存在”所推動。人類追求新鮮刺激的本能、資本的追逐商業利益本性、建筑設計師獨創精神和大眾實用主義評判等多重力量互動下，建筑活動一定會創造一個又一個新的存在。一直以來被廣泛關注的大型公共建筑方案選擇和決策過程充分印證了上述看法。所以，幕墻設計是建筑設計創新的重要組成部分，與建筑設計互動過程中演變、升級和發展。這預示著建筑幕墻，在統一發展趨勢下個性化分化創新發展。
在《2020年中國建筑設計市場現狀調查與未來發展前景趨勢》報告中，分析建筑行業所面臨的挑戰時提到：“我國建筑設計行業的核心短板是創新能力不足，這體現在缺乏有利的創新環境、創新轉化機制不成熟、缺乏創新型人才、科研投入不足等方面，因此，完善創新組織機構、加大科研投入、加強科技創新型人才的培養和任用，設立創新激勵機制將成為我國建筑行業未來的必由之路”。以上分析同樣符合建筑幕墻的創新現狀和趨勢，值得研究符合時代的建筑幕墻創新機制和方法。
2 國內幕墻行業發展趨勢及技術創新現狀分析
我國建筑幕墻從1983年開始起步，歷經近30年，經歷了四個發展階段(見圖表1)：
1983年～1995年，以模仿創新為主要標志的起步階段。1995年～2003年，以“消化、吸收、和體系化創新”為主要標志的增量發展階段。其標志是1995年發布 《建筑幕墻物理性能分級》(GB/T 15225-94)及配套國家標準、1996年發布行業規范《玻璃幕墻工程技術規范》(JGJ 102-96)和《建筑幕墻》(JG 3035-1996)，幕墻行業進入正軌。2003～2015年，個性化集成創新，并啟動數字化設計;2015年至今為第四階段，我國幕墻行業在國家供應側改革大背景下，進入結構調整，去產能優化創新期，也是數字化和裝配化發展階段。到此，是以“節能綠色、集成、智能化、數字化”為主要標志的產品多樣化發展階段。
我國幕墻產業，已成為世界幕墻生產與使用大國。每年生產安裝各類建筑幕墻約5,500萬平方米，目前年產值近1,200億，市場總量已占世界總量的60%左右，已具備范式切換式創新基礎。
2.1 從業人員技術創新素質現狀
建筑幕墻技術人員應具備的技能可歸納為建筑知識、構造設計能力、結構及建筑物理分析能力以及及軟件工具應用能力，可以進一步細分為六個維度，即構造設計能力、分析結構能力、材料創新應用能力、工藝落實能力、工具軟件運用能力和集成設計能力，由此對技術人員的“技能類型”進行具體評估。圖表2給出了目前幕墻行業中所占比例較高的“平衡普通技能”型技術人員情況，從該技能圖可看出，該技能類型缺乏“結構分析能力”的維度。分析個體技術類型，有利于評斷具體人才適合做的領域，可指導配置創新型團隊成員。具有創新能力的團隊，通常是由多樣化技能成員組成。
幕墻設計師應具備的技能種類(見圖表2)：
1)熟練掌握建筑設計相關知識，掌握一定的建筑物理和建筑美學知識。能全面、準確地識別建筑工程重點和難點，并具備豐富的幕墻材料、工藝和解決現場問題的能力。2)掌握各種幕墻構造原理、功能設計、加工工藝和安裝工藝。熟悉對相關規范知識。3)結構及建筑物理分析能力，如結構計算、熱工計算等。電算一般用專業的軟件，如sap2000、Ansys 、staad 等，可以完成大部分的幕墻結構計算（詞條“幕墻結構計算”由行業大百科提供）。但依然依賴于準確理論模型，所以需要設計師要有很扎實的力學基本功和清晰的結構概念和抽象化建構模型能力。4)軟件工具應用能力。隨著建筑幕墻的發展,造型越來越復雜,一些工業設計的軟件也加入了幕墻設計軟件行列,掌握CAD系列軟件外，更要掌握BIM（詞條“BIM”由行業大百科提供） 相關軟件。
2.2 已建立的標準體系和慣例
在1995年發布國標《建筑幕墻物理性能分級》(GB/T 15225-94)及配套國家標準、1996年發布《玻璃幕墻工程技術規范》(JGJ 102-96)和《建筑幕墻》(JG 3035-1996)等行業規范之后，國內進入了制定標準系統化發展期。起初我國結合自身國情及建筑幕墻的發展階段需要，借鑒發達國家的標準和規范，制定國內標準。隨著建筑行業的發展，結合幕墻工程實踐經驗，陸續制定和修改相關標準，經過幾十年的發展，已建立系統化標準體系。《中國建筑幕墻標準化現狀和新規范介紹》中介紹了建立標準體系脈絡，由此可以得出以下基本路徑：
引進和模仿技術—>幕墻實踐—>產生規范的需要—>制定標準—>實踐反饋—>修改升級
2.3 幕墻行業創新構成是以系統性發展趨勢為導向
數字化、人本設計和環境友好設計是建筑設計發展的總趨勢。雖然經過多年發展，幕墻行業已進入了規模與創新兼容并蓄發展階段，但依然在保證傳統功能、性能和品質方面，存在很多不盡人意之處。所以，幕墻發展除了上述宏觀趨勢外，“精品化”是長期發展的需要，也是一切個性化和創新的基礎所在。要實現幕墻工程精品化目標，系統性創新是最佳路徑選擇。
2.3.1 高性能建筑需要高性能幕墻材料和集成技術，同時各專業間緊密合作，才能落實幕墻創新。
高性能建筑的快速發展，將繼續推動對高性能節能材料和對其集成幕墻技術的需求。越來越高的節能規范要求，除推動高性能材料應用外，也需要其集成技術。如，多銀LOW-E玻璃大工業化節能材料的典范，但如果相應配套斷熱型材技術和集成技術，不能充分發揮其節能優勢。
隨著建筑外皮復雜度的提高和使用材料的多樣化，凸顯新材料的專業性，使得各專業之間合作變得更為緊迫。通過專業合作，能避免幕墻設計后期被動修改并由此帶來的工程計劃被打亂。
2.3.2 智能化技術更容易實現復雜的動態建筑幕墻
曾有段時間，復雜幾何的外墻，如中國國家大劇院、阿布扎比ADIC、上海中心大廈、哈爾濱大劇院等項目的設計極具挑戰性，如今越來越多的建筑師正在使用更為先進的參數化設計工具來完成外觀獨特且引人注目的建筑設計。
如今，BIM經常用于對具有復雜曲面板（詞條“面板”由行業大百科提供）的建筑物進行建模，甚至通過計算整體熱工性能、詳細成本估算和4D虛擬建造，實現動態可視化施工和運維管理。
2.3.3 善待大自然及親近自然設計將成為建筑幕墻創新熱點
節能環保設計，成為建筑設計的普遍追求。過去超高層建筑是耗能大戶，現在節能設計同樣成了趨之若鶩的追求。這不僅體現在這些“垂直城市”表達地標特性的目的，更是追求人本主義設計理念的結果，而幕墻在其中扮演著重要角色。如，上海中心獲得LEED和綠建雙標準認證(見圖表3)，實現了節能20%的設計目標。該項目通過雙層幕墻和扭轉體塊降風壓（詞條“風壓”由行業大百科提供）等措施，憑借幕墻要素達到節能目的。這一點與首爾樂天世界大廈和圣彼得堡拉赫塔中心大廈采用節能幕墻策略類似，在建筑節能設計中幕墻因素均占很高的權重。此外，居住在城市中的人們渴望獲得更多地親近自然機會。為此，室內外視覺交融的無框玻璃幕墻，構建“城市中小型綠島”的新型綠植幕墻，成為減輕工作壓力，從而促進其身心健康方面發揮有價值的作用。
2.3.4 追求大尺度構件（詞條“構件”由行業大百科提供）和精細細節成為未來追求方向
建筑師和工程師正在將創造力和實施力相結合，以挑戰可能的極限。例如，超大中空玻璃（詞條“中空玻璃”由行業大百科提供）裝置(IGU)、超大開啟裝置、大尺度遮陽裝置和超長構件等成為一種建筑設計元素。同時，細節上追求設計感，而反對直接思維的產物。從而顛覆“常規設計”成為趨勢。這種普遍的趨勢為進入不斷擴展的市場提供了絕好機會，但同時對幕墻行業專業人士思維轉變提出新的要求。而這樣的變化，將會要求技術人員掌握更加專業的結構分析軟件技能。
2.3.5 更加嚴格的法規將陸續出臺
隨著環境問題的凸顯，有利地球環境的行為在商業上也會帶來巨大利益。建筑是耗能大戶，節能潛力也巨大，從而全世界范圍內將對建筑設計提出更高的能效標準要求。正如近零能耗建筑被熱捧，這傳達出更多的建筑將對節能及裝配技術提出更高的要求。
2.3.6 日新月異的軟件平臺
新的軟件工具平臺，使幕墻復雜造型更容易實現，從而降低個性化建筑建造成本，自然加快推動幕墻個性化創新步伐。
這些幕墻發展趨勢預示著幕墻創新價值點和走向。
2.4 建筑幕墻設計存在的問題和創新障礙
2.4.1 建筑幕墻行業主要存在以下幾種問題：
1)由于構造設計不合理或耐久性（詞條“耐久性”由行業大百科提供）差，引發安全事故。2)幕墻有關建筑物理功能不達標，如等壓原理使用不當，造成雨水滲漏。3)不符合建筑美學，細節粗糙。4).產品經濟性差，存在資源浪費。5)維護困難或無法維護。6)與其它各專業的圖表 4 幕墻出現的典型質量問題
兼容性和協調性差類型，這些質量問題往往源于不合理的設計。通過創新設計，可以避免其中很大一部分質量問題。
2.4.2對技術創新存在的障礙可以概括為如下幾點：
1) 技術人員缺乏理論高度和系統性分析，難于持續創新幕墻技術涉及到多學科領域，而專業化高等教育很少設置幕墻專業及其課程。絕大多數幕墻設計師，從機械設計、工民建等專業“轉行”而來，缺乏系統性專業技能與訓練，多數從業技術人員憑“傳幫帶”、零星培訓即可上崗，導致許多幕墻技術人員在工作崗位上憑借直接思維模式開展技術工作，養成“照葫蘆畫瓢”式工作習慣，從而影響技術人員覺知力和創新能力。例如，對規范的理解停留于表面，沒有按行業規范要求開展設計。
2)幕墻知識廣度和密度不足，缺乏多樣化思考以及事物間聯想能力
幕墻創新首先對結構設計、建筑美學、建筑功能、保證工程可實施性充分把握的情況下，提出新的有價值聯系，才能做到以創新方法解決老問題，知識多樣性和密度不足影響幕墻設計創新行為。
3)激勵技術的生態環境有待進一步建設幕墻技術人員自身素質、市場競爭粗獷，技術人員身份得到社會認可較晚，審圖流于表面和知識產權保護力度不足等多種因素，這一定程度上影響了從業人員創新動力。
3 推動技術創新的方法與策略
根據上述分析建筑幕墻創新可歸納為目前集成設計創新、幕墻構造創新、幕墻效果創新、幕墻功能創新、幕墻智能化控制創新、工具軟件運用方式創新等多方面。但傳統幕墻技術創新存在系統性和效率不足等問題，為此，提出基于認知神經科學理論的創新方法，爭取提高創新效果。
3.1 重視建筑幕墻發展趨勢，同時需要扎實推進基礎性技術創新能力
具備基礎性技術能力是企業組織獲得持續可靠性創新能力的前提。只有夯實基礎，才能穩步推進技術創新，否則即使有了創新也很難持續。目前，國內幕墻還存在很多基礎性技術問題。例如，裝飾扣條脫落、構造連接美觀度不足、因低標準化帶來的品質不穩定等問題(見圖表4)。這些問題的長期存在，直接影響進一步的創新構想。
以雨水滲漏性能設計為例，這一最古老的“基礎性技術”，因應用“等壓”原理、外側設“雨幕”等技術處理不合理，如“室內側漏氣”導致防水失敗(如圖表5)，從而更高層級的創新被大打折扣。
眾所周知，參數化設計代表幕墻設計方式的未來。但可以設想一項構造設計不合理的幕墻，只憑構件尺寸的快速而精確設計，不足以完成精品幕墻工程。
針對容易發生雨水滲漏的斜幕墻，提出一種創新解決方法，見圖表6。針對斜面幕墻防水難題，除了考慮“等壓原理”控水以外，采用“防倒流二次分流”策略來達到有效防水目的。
3.2 協調推動各技術領域，創新才有生命力
3.2.1幕墻集成設計創新
集成創新能力是幕墻設計的核心能力之一，是指把相關專業集成到幕墻上，從而完成多功能一體化幕墻產品。作為集成設計幕墻，不管是光電集成幕墻(BIPV)、遮陽簾集成幕墻、LED照明集成幕墻(見圖表7)、通風器集成幕墻還是擦窗機軌道集成在內的各種集成幕墻，需要深刻理解相關專業的特殊性和兼容性。深圳平安金融中心擦窗機出口設計為例，采用超大活動折疊門并將照明集成于其中，實現了活動狀態下照明的連貫性。
集成設計創新應注意以下幾點：
1)利用建筑幕墻自然形態和特點，集成相關專業。例如，當采用雙層幕墻體系時，據其構造條件，設置隱蔽的LED照明燈具。
2)設計之初應考慮各專業的匹配度及其互相之間的協調性。
3)應充分研究相關專業的特點和本質，掌握其基本原理，這對更為合理的設計和創新提供有力條件。
4)要有系統性思維，考慮多種可能方案，比選最優方案。
3.2.2幕墻構造創新
構造設計是幕墻設計靈魂，要結合建筑細節美學、功能、安全和施工工藝等多方面，才能完成構造創新。幕墻個性化越強，其構造設計越起著核心主導作用，實現更先進功能的必要前提，如圖表8所示。
3.2.3幕墻效果創新
追求纖細、超大構件，是新的建筑審美追求的方向之一。纖細的鋼構、復合鋼化玻璃（詞條“鋼化玻璃”由行業大百科提供）(如采用SGP膠膜合片的夾膠玻璃)，索網作為受力構件，可以獲得纖細、通透的立面效果。圖表9所示，蓋有纖細鋁合金型材的單索幕墻，給人一種超然纖細之感。
3.2.4幕墻功能創新
節能、發電、通風、采光（詞條“采光”由行業大百科提供）、遮陽和免維護等功能是功能創新的重要領域。玻璃上加工孔，并其中裝入通風孔的設計，對設開啟裝置困難的點式幕墻和不愿破壞立面韻律的幕墻提供更多選擇。這樣的做法，對玻璃加工、密封工藝來說，是成熟技術，只需要確認玻璃孔邊應力值，如圖表10所示。
3.2.5幕墻智能化控制創新
隨著物聯網技術和人工智能的興起，未來建筑行業的智能化已經成為必然趨勢。幕墻作為建筑部件，其智能化與樓宇智能是分不開的，同時只有與其他建筑智能子系統進行集成，才能充分發揮其邊際效用。目前幕墻自身智能化有了長足進步，不過要達到被主流知識界所接受的“智能化”定義的標準：“狀態感知、實時分析、自主決策、精準執行、反饋修正控制、學習提升和不斷優化循環”，還有很大差距。該定義是根據人腦智能的基本特性所做的描述。在2016年出版的《三體智能革命》一書中描述了該理念的核心部分。智能的核心在于，產品自身通過不停地決策、執行和反饋控制過程中，系統能夠優化升級并適應新環境和新情況。目前，在門窗（詞條“門窗”由行業大百科提供）和幕墻行業，在狀態感知和執行操作命令方面進步很快，但在實時分析、自主決策、特別是通過學習優化方面還有很大的空間和差距。顯然需要與樓宇智能化一起走一段較長的路。
目前，建筑市場幕墻工程中，可以通過一些傳感器（詞條“傳感器”由行業大百科提供）、程序控制建筑外立面開啟、通風和遮陽等組件，但這不是建筑幕墻智能化全部，但無疑是很重要的一部分。目前其控制精度、控制可靠性和執行部件壽命等依然存在諸多問題。而要真正實現智能化，在建筑物理現場環境的感知及分析(例如，聲光空氣質量檢測，并與相應標準對比分析)、決策和執行操作(例如，根據CO2濃度打開通風)、反饋控制和優化循環方面幾個環節中，都要達標，特別是學習優化方面差距較大。所以，幕墻智能化要筑物理環境調節方面，可以發揮更大的作用。
3.2.6工具軟件運用方式創新
幕墻設計工具的創新是跟隨相應工業軟件平臺升級發生的。上世紀90年代前，設計工具基本上都是手繪裝置，之后2D CAD發展，再接下來3D CAD得到發展。現在逐漸走向BIM平臺，并必然走向設計與體驗一體化工作模式，即“虛擬設計和建造VDC”模式。發現和挖掘軟件新功能，甚至二次開發軟件功能，用于幕墻設計和實施過程中，見圖表12。
長沙梅溪湖國際文化藝術中心基本實現了VDC工作模式。該幕墻項目采用非線性多變建筑體塊，功能集成度高，交界多而復雜，同時大面積應用高強度GRC板新材料。該幕墻項目全程采用BIM實施設計、制造和安裝，并通過現場立體掃描測量反饋，初步實踐了虛擬設計和建造(VDC)方法，保證了三位空間精度動態匹配要求。與虛擬技術VR 結合，在幕墻設計和方案決策方面，可以進一步提高工作效率。例如，虛擬樣板觀看、預展室內外效果虛擬游覽、板塊優化虛擬展示等方式，除了設計人員自身優化設計以外，還可以請決策者做出高效而可靠的決策。
3.3 有效的思維方法是落實創新思想的必要條件
根據認知神經科學最新觀點，編制了適合幕墻行業技術創新流程，如圖表14所示。由圖可看出，必要的幕墻及相關知識是創新的基礎，通過專注思維獲得多樣化常規想法，在憑借漫游想象獲得更多的新穎想法，即“孵化有價值新技術方案”，這是該流程的核心部分。
為了獲得有價值的新想法，要具備以下條件：1)創新者有與業主和建筑師等深度交流，獲得啟發的機會;2)團隊成員之間技能的互補性和知識體系的多樣性;3)創新者擁有進行漫游想象的寬松環境;4)寬容失敗的組織文化環境和評價機制;5)創新者存在內在動機和好奇心;因為創新作為思維非線性過程，從與業主和建筑師交流過程中能獲得有價值的啟發。從大腦神經運行原理來看，創造力與大腦整體神經回路中央執行回路(CEN)、默認想象回路(DMN)和顯著性回路(SN)，尤其是與默認想象回路的活躍度密切相關。若高強度專注思考之后，沒有足夠的“思緒漫游想象”機會和條件，難于產生高質量的新穎想法。圖表15 給出了提高創新力的神經回路工作原理。
3.4 建立好的創新長效機制才能持續系統性創新
所謂好的創新長效機制包括企業投入的意愿，各專業合作導向，保護知識產權和肯定技術價值的文化以及公平競爭市場環境等因素，它對持續系統性創新具有深遠影響。
4 總結
建筑是各專業系統集成體，從而建筑設計和施工方式轉變必將進一步推動各專業整合深度和進程。為此，將在集成各專業的兼容軟件平臺、前置設計各專業、提高效率的建筑設計和工程實施，終將以“虛擬設計和建造VDC”工作模式為標志。建筑幕墻創新是更高層級上解決當前幕墻行業存在問題的手段。而我們需要多方面的創新，不僅需要構造和工藝等基礎層面的創新，也需要新功能、軟件平臺和工作模式切換的更換范式的創新。
幕墻技術創新，既需要執行有力的知識產權保護制度、健康發展的建筑行業環境、幕墻主體企業組織保障，也需要良好的鼓勵創新文化導向，更依賴從業技術人員的創新能力。幕墻行業創新主體是幕墻企業，企業組建技能多樣化團隊和投入試驗等研發手段、鼓勵技術積累的評價制度、寬容失敗的文化導向等組織力量是持續創新的保障。與此同時，創新者——從業技術人員的技能多樣化、培育結合理論知識與經驗的能力以及保持個人創新動機是幕墻技術創新的先決力量。
建筑幕墻的個性化是建筑之永恒的魅力所在，從而面向未來的幕墻之個性化只能得到進一步強化。所以，結合“型式研發”創新與針對具體個性化項目創新是建筑幕墻創新的特色之路。通用性強的“型式研發”創新，需要對趨勢做出判斷，在企業層面上投入為前提。而個性化創新需要市場動力，更依賴于具體技術人員的創新能力和態度。如，研發免維護雙層幕墻，可以作為“型式研發”項目。針對不同肌理幕墻，開發兼經濟性和工藝性更優的構造，就屬于個性化創新。
基于認知神經科學的創新方法—“尋求廣泛啟發，重視客戶價值;思緒漫游孵化新想法，專注評估可施性;技能扎實多樣化，賦予求新激情;”是提高創新能力的有效手段。
建筑幕墻作為不可或缺的建筑功能性“皮膚”，雖然面臨諸多挑戰，其創新所帶來的價值潛力必然巨大。
參考文獻
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作者單位：遠大科技園
