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摘要：创新是时代主题，是提高幕墙行业生产效率和品质的必由之路。国内幕墙行业历经近30年的发展，已建立起相关技术标准体系，具备环保绿色、智能数字化和工业化为代表的幕墙集成技术能力，并能够适应个性化建筑市场需求的技术人才队伍，以及相应配套实施能力。但依然存在技术创新激励不足、方法不当、创新效率和系统性有待提高等问题。本文首先分析行业、人才队伍和技术发展现状，结合幕墙发展趋势，探索更加符合时代要求的幕墙技术创新机制和方法，推动幕墙技术精细化创新发展之策。夯实基础性技术、掌握创新方法、创建创新型组织和文化是促进系统性创新，转向“虚拟设计和建造”VDC新工作范式，实现高品质精品幕墙工程的更佳手段。
关键词：幕墙技术创新;幕墙发展趋势;虚拟设计和建造
1 前言
随着互联网基础设施的完善、智能控制技术的升级、建筑设计人本化理念的深入人心和环保要求的制度化，建筑幕墙必然向智能信息化、绿色环保化、装配化和集成化方向发展。同时幕墙作为建筑子系统，个性化幕墙是建筑个性化设计的组成部分，其“个性化”既是自身发展的必然又是建筑设计追求“创造新存在”所推动。人类追求新鲜刺激的本能、资本的追逐商业利益本性、建筑设计师独创精神和大众实用主义评判等多重力量互动下，建筑活动一定会创造一个又一个新的存在。一直以来被广泛关注的大型公共建筑方案选择和决策过程充分印证了上述看法。所以，幕墙设计是建筑设计创新的重要组成部分，与建筑设计互动过程中演变、升级和发展。这预示着建筑幕墙，在统一发展趋势下个性化分化创新发展。
在《2020年中国建筑设计市场现状调查与未来发展前景趋势》报告中，分析建筑行业所面临的挑战时提到：“我国建筑设计行业的核心短板是创新能力不足，这体现在缺乏有利的创新环境、创新转化机制不成熟、缺乏创新型人才、科研投入不足等方面，因此，完善创新组织机构、加大科研投入、加强科技创新型人才的培养和任用，设立创新激励机制将成为我国建筑行业未来的必由之路”。以上分析同样符合建筑幕墙的创新现状和趋势，值得研究符合时代的建筑幕墙创新机制和方法。
2 国内幕墙行业发展趋势及技术创新现状分析
我国建筑幕墙从1983年开始起步，历经近30年，经历了四个发展阶段(见图表1)：
1983年～1995年，以模仿创新为主要标志的起步阶段。1995年～2003年，以“消化、吸收、和体系化创新”为主要标志的增量发展阶段。其标志是1995年发布 《建筑幕墙物理性能分级》(GB/T 15225-94)及配套国家标准、1996年发布行业规范《玻璃幕墙工程技术规范》(JGJ 102-96)和《建筑幕墙》(JG 3035-1996)，幕墙行业进入正轨。2003～2015年，个性化集成创新，并启动数字化设计;2015年至今为第四阶段，我国幕墙行业在国家供应侧改革大背景下，进入结构调整，去产能优化创新期，也是数字化和装配化发展阶段。到此，是以“节能绿色、集成、智能化、数字化”为主要标志的产品多样化发展阶段。
我国幕墙产业，已成为世界幕墙生产与使用大国。每年生产安装各类建筑幕墙约5,500万平方米，目前年产值近1,200亿，市场总量已占世界总量的60%左右，已具备范式切换式创新基础。
2.1 从业人员技术创新素质现状
建筑幕墙技术人员应具备的技能可归纳为建筑知识、构造设计能力、结构及建筑物理分析能力以及及软件工具应用能力，可以进一步细分为六个维度，即构造设计能力、分析结构能力、材料创新应用能力、工艺落实能力、工具软件运用能力和集成设计能力，由此对技术人员的“技能类型”进行具体评估。图表2给出了目前幕墙行业中所占比例较高的“平衡普通技能”型技术人员情况，从该技能图可看出，该技能类型缺乏“结构分析能力”的维度。分析个体技术类型，有利于评断具体人才适合做的领域，可指导配置创新型团队成员。具有创新能力的团队，通常是由多样化技能成员组成。
幕墙设计师应具备的技能种类(见图表2)：
1)熟练掌握建筑设计相关知识，掌握一定的建筑物理和建筑美学知识。能全面、准确地识别建筑工程重点和难点，并具备丰富的幕墙材料、工艺和解决现场问题的能力。2)掌握各种幕墙构造原理、功能设计、加工工艺和安装工艺。熟悉对相关规范知识。3)结构及建筑物理分析能力，如结构计算、热工计算等。电算一般用专业的软件，如sap2000、Ansys 、staad 等，可以完成大部分的幕墙结构计算（词条“幕墙结构计算”由行业大百科提供）。但依然依赖于准确理论模型，所以需要设计师要有很扎实的力学基本功和清晰的结构概念和抽象化建构模型能力。4)软件工具应用能力。随着建筑幕墙的发展,造型越来越复杂,一些工业设计的软件也加入了幕墙设计软件行列,掌握CAD系列软件外，更要掌握BIM（词条“BIM”由行业大百科提供） 相关软件。
2.2 已建立的标准体系和惯例
在1995年发布国标《建筑幕墙物理性能分级》(GB/T 15225-94)及配套国家标准、1996年发布《玻璃幕墙工程技术规范》(JGJ 102-96)和《建筑幕墙》(JG 3035-1996)等行业规范之后，国内进入了制定标准系统化发展期。起初我国结合自身国情及建筑幕墙的发展阶段需要，借鉴发达国家的标准和规范，制定国内标准。随着建筑行业的发展，结合幕墙工程实践经验，陆续制定和修改相关标准，经过几十年的发展，已建立系统化标准体系。《中国建筑幕墙标准化现状和新规范介绍》中介绍了建立标准体系脉络，由此可以得出以下基本路径：
引进和模仿技术—>幕墙实践—>产生规范的需要—>制定标准—>实践反馈—>修改升级
2.3 幕墙行业创新构成是以系统性发展趋势为导向
数字化、人本设计和环境友好设计是建筑设计发展的总趋势。虽然经过多年发展，幕墙行业已进入了规模与创新兼容并蓄发展阶段，但依然在保证传统功能、性能和品质方面，存在很多不尽人意之处。所以，幕墙发展除了上述宏观趋势外，“精品化”是长期发展的需要，也是一切个性化和创新的基础所在。要实现幕墙工程精品化目标，系统性创新是最佳路径选择。
2.3.1 高性能建筑需要高性能幕墙材料和集成技术，同时各专业间紧密合作，才能落实幕墙创新。
高性能建筑的快速发展，将继续推动对高性能节能材料和对其集成幕墙技术的需求。越来越高的节能规范要求，除推动高性能材料应用外，也需要其集成技术。如，多银LOW-E玻璃大工业化节能材料的典范，但如果相应配套断热型材技术和集成技术，不能充分发挥其节能优势。
随着建筑外皮复杂度的提高和使用材料的多样化，凸显新材料的专业性，使得各专业之间合作变得更为紧迫。通过专业合作，能避免幕墙设计后期被动修改并由此带来的工程计划被打乱。
2.3.2 智能化技术更容易实现复杂的动态建筑幕墙
曾有段时间，复杂几何的外墙，如中国国家大剧院、阿布扎比ADIC、上海中心大厦、哈尔滨大剧院等项目的设计极具挑战性，如今越来越多的建筑师正在使用更为先进的参数化设计工具来完成外观独特且引人注目的建筑设计。
如今，BIM经常用于对具有复杂曲面板（词条“面板”由行业大百科提供）的建筑物进行建模，甚至通过计算整体热工性能、详细成本估算和4D虚拟建造，实现动态可视化施工和运维管理。
2.3.3 善待大自然及亲近自然设计将成为建筑幕墙创新热点
节能环保设计，成为建筑设计的普遍追求。过去超高层建筑是耗能大户，现在节能设计同样成了趋之若鹜的追求。这不仅体现在这些“垂直城市”表达地标特性的目的，更是追求人本主义设计理念的结果，而幕墙在其中扮演着重要角色。如，上海中心获得LEED和绿建双标准认证(见图表3)，实现了节能20%的设计目标。该项目通过双层幕墙和扭转体块降风压（词条“风压”由行业大百科提供）等措施，凭借幕墙要素达到节能目的。这一点与首尔乐天世界大厦和圣彼得堡拉赫塔中心大厦采用节能幕墙策略类似，在建筑节能设计中幕墙因素均占很高的权重。此外，居住在城市中的人们渴望获得更多地亲近自然机会。为此，室内外视觉交融的无框玻璃幕墙，构建“城市中小型绿岛”的新型绿植幕墙，成为减轻工作压力，从而促进其身心健康方面发挥有价值的作用。
2.3.4 追求大尺度构件（词条“构件”由行业大百科提供）和精细细节成为未来追求方向
建筑师和工程师正在将创造力和实施力相结合，以挑战可能的极限。例如，超大中空玻璃（词条“中空玻璃”由行业大百科提供）装置(IGU)、超大开启装置、大尺度遮阳装置和超长构件等成为一种建筑设计元素。同时，细节上追求设计感，而反对直接思维的产物。从而颠覆“常规设计”成为趋势。这种普遍的趋势为进入不断扩展的市场提供了绝好机会，但同时对幕墙行业专业人士思维转变提出新的要求。而这样的变化，将会要求技术人员掌握更加专业的结构分析软件技能。
2.3.5 更加严格的法规将陆续出台
随着环境问题的凸显，有利地球环境的行为在商业上也会带来巨大利益。建筑是耗能大户，节能潜力也巨大，从而全世界范围内将对建筑设计提出更高的能效标准要求。正如近零能耗建筑被热捧，这传达出更多的建筑将对节能及装配技术提出更高的要求。
2.3.6 日新月异的软件平台
新的软件工具平台，使幕墙复杂造型更容易实现，从而降低个性化建筑建造成本，自然加快推动幕墙个性化创新步伐。
这些幕墙发展趋势预示着幕墙创新价值点和走向。
2.4 建筑幕墙设计存在的问题和创新障碍
2.4.1 建筑幕墙行业主要存在以下几种问题：
1)由于构造设计不合理或耐久性（词条“耐久性”由行业大百科提供）差，引发安全事故。2)幕墙有关建筑物理功能不达标，如等压原理使用不当，造成雨水渗漏。3)不符合建筑美学，细节粗糙。4).产品经济性差，存在资源浪费。5)维护困难或无法维护。6)与其它各专业的图表 4 幕墙出现的典型质量问题
兼容性和协调性差类型，这些质量问题往往源于不合理的设计。通过创新设计，可以避免其中很大一部分质量问题。
2.4.2对技术创新存在的障碍可以概括为如下几点：
1) 技术人员缺乏理论高度和系统性分析，难于持续创新幕墙技术涉及到多学科领域，而专业化高等教育很少设置幕墙专业及其课程。绝大多数幕墙设计师，从机械设计、工民建等专业“转行”而来，缺乏系统性专业技能与训练，多数从业技术人员凭“传帮带”、零星培训即可上岗，导致许多幕墙技术人员在工作岗位上凭借直接思维模式开展技术工作，养成“照葫芦画瓢”式工作习惯，从而影响技术人员觉知力和创新能力。例如，对规范的理解停留于表面，没有按行业规范要求开展设计。
2)幕墙知识广度和密度不足，缺乏多样化思考以及事物间联想能力
幕墙创新首先对结构设计、建筑美学、建筑功能、保证工程可实施性充分把握的情况下，提出新的有价值联系，才能做到以创新方法解决老问题，知识多样性和密度不足影响幕墙设计创新行为。
3)激励技术的生态环境有待进一步建设幕墙技术人员自身素质、市场竞争粗犷，技术人员身份得到社会认可较晚，审图流于表面和知识产权保护力度不足等多种因素，这一定程度上影响了从业人员创新动力。
3 推动技术创新的方法与策略
根据上述分析建筑幕墙创新可归纳为目前集成设计创新、幕墙构造创新、幕墙效果创新、幕墙功能创新、幕墙智能化控制创新、工具软件运用方式创新等多方面。但传统幕墙技术创新存在系统性和效率不足等问题，为此，提出基于认知神经科学理论的创新方法，争取提高创新效果。
3.1 重视建筑幕墙发展趋势，同时需要扎实推进基础性技术创新能力
具备基础性技术能力是企业组织获得持续可靠性创新能力的前提。只有夯实基础，才能稳步推进技术创新，否则即使有了创新也很难持续。目前，国内幕墙还存在很多基础性技术问题。例如，装饰扣条脱落、构造连接美观度不足、因低标准化带来的品质不稳定等问题(见图表4)。这些问题的长期存在，直接影响进一步的创新构想。
以雨水渗漏性能设计为例，这一最古老的“基础性技术”，因应用“等压”原理、外侧设“雨幕”等技术处理不合理，如“室内侧漏气”导致防水失败(如图表5)，从而更高层级的创新被大打折扣。
众所周知，参数化设计代表幕墙设计方式的未来。但可以设想一项构造设计不合理的幕墙，只凭构件尺寸的快速而精确设计，不足以完成精品幕墙工程。
针对容易发生雨水渗漏的斜幕墙，提出一种创新解决方法，见图表6。针对斜面幕墙防水难题，除了考虑“等压原理”控水以外，采用“防倒流二次分流”策略来达到有效防水目的。
3.2 协调推动各技术领域，创新才有生命力
3.2.1幕墙集成设计创新
集成创新能力是幕墙设计的核心能力之一，是指把相关专业集成到幕墙上，从而完成多功能一体化幕墙产品。作为集成设计幕墙，不管是光电集成幕墙(BIPV)、遮阳帘集成幕墙、LED照明集成幕墙(见图表7)、通风器集成幕墙还是擦窗机轨道集成在内的各种集成幕墙，需要深刻理解相关专业的特殊性和兼容性。深圳平安金融中心擦窗机出口设计为例，采用超大活动折叠门并将照明集成于其中，实现了活动状态下照明的连贯性。
集成设计创新应注意以下几点：
1)利用建筑幕墙自然形态和特点，集成相关专业。例如，当采用双层幕墙体系时，据其构造条件，设置隐蔽的LED照明灯具。
2)设计之初应考虑各专业的匹配度及其互相之间的协调性。
3)应充分研究相关专业的特点和本质，掌握其基本原理，这对更为合理的设计和创新提供有力条件。
4)要有系统性思维，考虑多种可能方案，比选最优方案。
3.2.2幕墙构造创新
构造设计是幕墙设计灵魂，要结合建筑细节美学、功能、安全和施工工艺等多方面，才能完成构造创新。幕墙个性化越强，其构造设计越起着核心主导作用，实现更先进功能的必要前提，如图表8所示。
3.2.3幕墙效果创新
追求纤细、超大构件，是新的建筑审美追求的方向之一。纤细的钢构、复合钢化玻璃（词条“钢化玻璃”由行业大百科提供）(如采用SGP胶膜合片的夹胶玻璃)，索网作为受力构件，可以获得纤细、通透的立面效果。图表9所示，盖有纤细铝合金型材的单索幕墙，给人一种超然纤细之感。
3.2.4幕墙功能创新
节能、发电、通风、采光（词条“采光”由行业大百科提供）、遮阳和免维护等功能是功能创新的重要领域。玻璃上加工孔，并其中装入通风孔的设计，对设开启装置困难的点式幕墙和不愿破坏立面韵律的幕墙提供更多选择。这样的做法，对玻璃加工、密封工艺来说，是成熟技术，只需要确认玻璃孔边应力值，如图表10所示。
3.2.5幕墙智能化控制创新
随着物联网技术和人工智能的兴起，未来建筑行业的智能化已经成为必然趋势。幕墙作为建筑部件，其智能化与楼宇智能是分不开的，同时只有与其他建筑智能子系统进行集成，才能充分发挥其边际效用。目前幕墙自身智能化有了长足进步，不过要达到被主流知识界所接受的“智能化”定义的标准：“状态感知、实时分析、自主决策、精准执行、反馈修正控制、学习提升和不断优化循环”，还有很大差距。该定义是根据人脑智能的基本特性所做的描述。在2016年出版的《三体智能革命》一书中描述了该理念的核心部分。智能的核心在于，产品自身通过不停地决策、执行和反馈控制过程中，系统能够优化升级并适应新环境和新情况。目前，在门窗（词条“门窗”由行业大百科提供）和幕墙行业，在状态感知和执行操作命令方面进步很快，但在实时分析、自主决策、特别是通过学习优化方面还有很大的空间和差距。显然需要与楼宇智能化一起走一段较长的路。
目前，建筑市场幕墙工程中，可以通过一些传感器（词条“传感器”由行业大百科提供）、程序控制建筑外立面开启、通风和遮阳等组件，但这不是建筑幕墙智能化全部，但无疑是很重要的一部分。目前其控制精度、控制可靠性和执行部件寿命等依然存在诸多问题。而要真正实现智能化，在建筑物理现场环境的感知及分析(例如，声光空气质量检测，并与相应标准对比分析)、决策和执行操作(例如，根据CO2浓度打开通风)、反馈控制和优化循环方面几个环节中，都要达标，特别是学习优化方面差距较大。所以，幕墙智能化要筑物理环境调节方面，可以发挥更大的作用。
3.2.6工具软件运用方式创新
幕墙设计工具的创新是跟随相应工业软件平台升级发生的。上世纪90年代前，设计工具基本上都是手绘装置，之后2D CAD发展，再接下来3D CAD得到发展。现在逐渐走向BIM平台，并必然走向设计与体验一体化工作模式，即“虚拟设计和建造VDC”模式。发现和挖掘软件新功能，甚至二次开发软件功能，用于幕墙设计和实施过程中，见图表12。
长沙梅溪湖国际文化艺术中心基本实现了VDC工作模式。该幕墙项目采用非线性多变建筑体块，功能集成度高，交界多而复杂，同时大面积应用高强度GRC板新材料。该幕墙项目全程采用BIM实施设计、制造和安装，并通过现场立体扫描测量反馈，初步实践了虚拟设计和建造(VDC)方法，保证了三位空间精度动态匹配要求。与虚拟技术VR 结合，在幕墙设计和方案决策方面，可以进一步提高工作效率。例如，虚拟样板观看、预展室内外效果虚拟游览、板块优化虚拟展示等方式，除了设计人员自身优化设计以外，还可以请决策者做出高效而可靠的决策。
3.3 有效的思维方法是落实创新思想的必要条件
根据认知神经科学最新观点，编制了适合幕墙行业技术创新流程，如图表14所示。由图可看出，必要的幕墙及相关知识是创新的基础，通过专注思维获得多样化常规想法，在凭借漫游想象获得更多的新颖想法，即“孵化有价值新技术方案”，这是该流程的核心部分。
为了获得有价值的新想法，要具备以下条件：1)创新者有与业主和建筑师等深度交流，获得启发的机会;2)团队成员之间技能的互补性和知识体系的多样性;3)创新者拥有进行漫游想象的宽松环境;4)宽容失败的组织文化环境和评价机制;5)创新者存在内在动机和好奇心;因为创新作为思维非线性过程，从与业主和建筑师交流过程中能获得有价值的启发。从大脑神经运行原理来看，创造力与大脑整体神经回路中央执行回路(CEN)、默认想象回路(DMN)和显著性回路(SN)，尤其是与默认想象回路的活跃度密切相关。若高强度专注思考之后，没有足够的“思绪漫游想象”机会和条件，难于产生高质量的新颖想法。图表15 给出了提高创新力的神经回路工作原理。
3.4 建立好的创新长效机制才能持续系统性创新
所谓好的创新长效机制包括企业投入的意愿，各专业合作导向，保护知识产权和肯定技术价值的文化以及公平竞争市场环境等因素，它对持续系统性创新具有深远影响。
4 总结
建筑是各专业系统集成体，从而建筑设计和施工方式转变必将进一步推动各专业整合深度和进程。为此，将在集成各专业的兼容软件平台、前置设计各专业、提高效率的建筑设计和工程实施，终将以“虚拟设计和建造VDC”工作模式为标志。建筑幕墙创新是更高层级上解决当前幕墙行业存在问题的手段。而我们需要多方面的创新，不仅需要构造和工艺等基础层面的创新，也需要新功能、软件平台和工作模式切换的更换范式的创新。
幕墙技术创新，既需要执行有力的知识产权保护制度、健康发展的建筑行业环境、幕墙主体企业组织保障，也需要良好的鼓励创新文化导向，更依赖从业技术人员的创新能力。幕墙行业创新主体是幕墙企业，企业组建技能多样化团队和投入试验等研发手段、鼓励技术积累的评价制度、宽容失败的文化导向等组织力量是持续创新的保障。与此同时，创新者——从业技术人员的技能多样化、培育结合理论知识与经验的能力以及保持个人创新动机是幕墙技术创新的先决力量。
建筑幕墙的个性化是建筑之永恒的魅力所在，从而面向未来的幕墙之个性化只能得到进一步强化。所以，结合“型式研发”创新与针对具体个性化项目创新是建筑幕墙创新的特色之路。通用性强的“型式研发”创新，需要对趋势做出判断，在企业层面上投入为前提。而个性化创新需要市场动力，更依赖于具体技术人员的创新能力和态度。如，研发免维护双层幕墙，可以作为“型式研发”项目。针对不同肌理幕墙，开发兼经济性和工艺性更优的构造，就属于个性化创新。
基于认知神经科学的创新方法—“寻求广泛启发，重视客户价值;思绪漫游孵化新想法，专注评估可施性;技能扎实多样化，赋予求新激情;”是提高创新能力的有效手段。
建筑幕墙作为不可或缺的建筑功能性“皮肤”，虽然面临诸多挑战，其创新所带来的价值潜力必然巨大。
参考文献
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[2] 董红, 2020年行业发展趋势及分会工作规划
[3] [英]彼得.F.史密斯，美观的动力学-建筑与审美
[4]李百战等，室内热环境与人体热舒适
[5] 邢智毅，智能建筑技术应用
[6] 孟根宝力高主编 《 现代建筑外皮》
[7] 顾泰昌，中国建筑幕墙标准化现状和新规范介绍
作者单位：远大科技园
