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波澜壮阔 挑战创新——牟永来:中国幕墙产业30年发展之我见

来源:幕墙世界Weekly    


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作者:上海建工装饰集团   牟永来


  【摘  要】

  建筑幕墙在中国经历30多年的发展,经历了从无到有、从引进学习到自主创新的发展历程,中国幕墙已经发展成为幕墙行业世界第一制造大国和使用大国。经过30年的工程实践经验积累,中国的幕墙技术水平和创新能力有了质的飞跃。本文以时空为脉络,回顾中国幕墙发展里程中的关键事件和自主技术创新里程碑案例,供大家参考。

  【关键词】

  引进学习、自主创新、不断成熟、飞跃发展


  一、前言

  幕墙是现代化建筑的象征,其最早始于20世纪20年代,至今已有近百年历史。中国建筑幕墙行业从1983年开始起步,40年来逐步实现从无到有,由小到大的发展历程,特别是近30年来随着改革开放和经济的发展,建筑行业日新月异,技术革新一日千里,建筑幕墙也实现了跨越式的高速发展,目前已发展成为世界第一幕墙生产制造和使用大国。

  在现代建筑中,幕墙无处不在,其独特的设计和功能性使其成为城市风景的重要部分。无论在城市高层建筑、大跨度建筑、异型建筑、公共建筑物还是城市综合体,在充分的展现着建筑艺术美的同时并兼顾着美观、宜居、节能和安全功能。

  幕墙学科是包含了材料科学、结构工程、加工制造、环境科学等多专业的综合性交叉学科。它本身不仅是一种建筑维护结构更是现代城市的装饰。

  近20年间随着建筑工程的规模不断加大、建筑构造及外立面形式愈发复杂、管理流程的逐步规范化和智能化,同时基于多学科技术的创新整合应用,致使幕墙设计施工及建造技术不断的创新突破,幕墙行业也在不断发展中保持着技术创新激情和动力,中国已因此逐步发展成为幕墙技术创新的前沿阵地。

  本文将带您回顾中国幕墙产业近30年的发展和创新之路。

  二、 记录时空

  1、中国幕墙的直接缔造者

  中国幕墙的起步阶段始于1983年,当时一批国有军工、飞机制造企业是中国幕墙的直接缔造者。

  20世纪90年代发展中的中国幕墙逐步有了“南北派”之分,其中以受香港影响的深圳金粤幕墙和以受日本门窗技术影响的沈阳黎明为代表,还包括武汉“空军十八厂”等航空企业,他们依托着雄厚的技术实力,加工制造能力和机械行业技术的人才优势,逐渐发展壮大成为当时中国幕墙行业的佼佼者。

  2、异军突起

  进入90年代随着1992年邓小平同志南巡讲话后,南方城市建筑风潮崛起,国内幕墙行业发展迎来了第一个高峰期,幕墙公司也通过技术引进与学习,得到了迅速发展。为推动行业发展和技术进步,行业协会中国建筑金属结构协会铝门窗幕墙委员会在1994年组建成立。

  这个阶段幕墙企业在协会的引领下不断学习借鉴国外先进技术标准和规范,并编制了国内幕墙行业首个技术标准和规范。

  此时在南方一个有胆识和前瞻意识的民营“小铝窗厂”盛兴也在迅速崛起,他们参编了我国首部国家行业标准《玻璃幕墙工程技术规范》,独立研发了“165系列隐框玻璃幕墙”和“BM190系列小单元隐框幕墙”并通过国家级科技成果鉴定。而地处东北的沈阳远大,他的诞生同样得益于时代浪潮的推波助澜。作为一直有着“共和国装备基地”之称的沈阳,凭借得天独厚的技术优势和人才资源,孕育了沈阳远大这颗中国第一幕墙明星企业。初创阶段的远大其主要人员和大多数技术骨干,均来自黎明、新光、沈飞等航空军工企业。

  作为中国幕墙界的领军企业,可谓是门窗幕墙行业的“黄埔军校”。他们有着国有企业严格的公司管理和健全的技术研发体系,结合民营企业自有的营销体系推动了远大迅速崛起。

  3、三足鼎立

  回顾30年的中国幕墙发展历程,大体可分为引进学习期、成长期、成熟期、创新突破期四个阶段。其中1993年以前是中国幕墙产品的引进学习期,1993年至2003年为幕墙技术的成长期,2003年至2013年为幕墙技术的成熟期,2023年以后为幕墙技术创新突破期。在中国幕墙发展成熟期,“北远大,中凌云,南盛兴”成为当时行业标志,三足鼎立的局面使得很多业内人认为行业格局已定,此时的幕墙行业已经少了些创新的激情和动力。

  行业只有竞争才能促进发展,中国幕墙行业“鲶鱼”江河幕墙的横空出世搅动了整个幕墙行业的沉寂格局,也激发了行业多年来少有的激烈竞争,“鲶鱼”效应再一次激发了幕墙发展和创新的激情。

  4、创新突破

  在2013-2023年这10年间随着中国经济的高速发展和基建拉动投资的经济大背景,许多中国装饰型企业都积累到一定的规模,以苏州金螳螂和浙江亚厦最具代表性。作为中国装饰行业第一家上市企业金螳螂,在2013年企业的营收就已超200亿,被业界称为装饰界的“航空母舰”,高速发展期的金螳螂凭借在装饰领域强大的技术研发能力和市场知名度曾有过千亿目标计划,此时基于集团的全产业链发展定位,幕墙也被列为金螳螂重要发展版块之一。

  随着建筑全产业链发展和建筑设计多元化发展趋势及“幕墙装饰化”精致制造的市场需求,装饰企业的多专业综合素质和精致建造基因得以充分展现。其实每个装饰型规模企业都有自己的幕墙梦,其中不乏像中建深装、中建八局装饰、中建东方装饰等这样国家队,也包括诸如上海建工装饰等这样的地方国企装饰公司。

  三、悠远的回声  记录时代烙印

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图1 北京长城饭店

  1、幕墙设计与幕墙系统开发初探

  北京长城饭店(如图1)项目是中国第一次真正接触到幕墙的设计、施工技术,也是中国幕墙的第一个转折点。

  20世纪80年代初期,以国家队沈阳黎明航空发动机公司(如图2)、西安飞机工业公司、凌云空军十八厂等一批航空军工企业开创了铝合金门窗和幕墙在国内应用的历史先河。1984年4月沈阳黎明铝窗公司总工程师应邀到澳洲墨尔本代表深圳国贸大厦业主监督该项目幕墙样板试验的全过程,才有机会亲历学习了组装式幕墙技术,回国后便自主研发了国内第一款150型幕墙系统,随后又研发了180系列明框和隐框玻璃幕墙产品,并编制了门窗幕墙工艺规程和企业技术标准。这项系列技术的推广应用标志着我国具有了独立自主知识产权幕墙产品时代的开始。这期间为了检测和验证研发产品的性能指标,沈阳黎明铝门窗还借助航空系统的管理模式,创建了国内首个门窗幕墙风压性能实验室。

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图2  中航沈阳黎明公司

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图3  东方明珠电视塔

  作为“北派”幕墙的代表性企业,“黎明”和“沈飞”都有着上万人的特大型军工企业背景,并有着雄厚的技术实力和机械加工制造能力。“空军十八厂”做为空军装备部的飞机维修企业同样具备强大的技术储备和实力,他们在20世纪90年代逐渐发展壮大并成为了中国幕墙行业的时代佼佼者。

  2、创新突破让亚洲桅杆挂起凌云风帆

  1986年号称亚洲桅杆的武汉电视塔拔地而起,可高度300米的外幕墙成了当时最大的难题。当时的武汉凌云公司在国内没有成熟技术的条件下,发挥军工厂的技术优势通过自主创新,克服了建筑外形复杂、超高空作业安全性、抗风和防渗水要求高等一系列技术难题,完成了国内首个超高层电视塔外装饰幕墙建造。紧接着又攻克了中央广播电视塔和468米高的亚洲第一塔上海东方明珠塔(如图3)。东方明珠电视的几个球体均为异形双曲面幕墙,由八千平方米铝合金板块和七千平方米粉红色中空玻璃组成。凌云公司攻克了平板拟合异形曲面的的尖端技术,以完美的技术方案赢得了良好的市场口碑。据不完全统计国内80%的电视塔幕墙项目均为武汉凌云承建,被称为当之无愧的“中国塔王”。

  3、创新思想奠定行业的学术地位

  1992年的中国幕墙行业发展处于学习发展期,国内大量的高难度幕墙基本上都由外资幕墙公司完成,中国幕墙企业在国内幕墙市场竞争中没有绝对优势。在幕墙发展初期很少有企业能够意识到参与行业标准规范编写的价值和意义,而盛兴公司(如图4)在1992年却通过参编第一部国家行业标准《玻璃幕墙工程技术规范》(如图5),并在中山交通商业大厦幕墙工程中得以实践应用,奠定了他在行业的学术地位,也使盛兴的整体管理水平向着有序化方向发展。

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图4  盛兴公司

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图5 玻璃幕墙技术规范

  盛兴公司还在1996年编写了行业首部指导性教材《玻璃幕墙工程技术规范应用手册》,在1998年参编写国家行业标准《幕墙安装质量检验方法标准》和《金属与石材幕墙工程技术规范》等。盛兴也是首先开发小单元的幕墙企业之一,其独立研发的“系列小单元隐框幕墙”通过国家级科技成果鉴定,并于1999年主编国家行业标准《小单元建筑幕墙》,此后“盛兴小单元”曾 誉满江南。通过这一系列的技术和管理创新,成就了1995年至2005年 “南盛兴”的十年辉煌。 

  4、技术革命的到来

  “请进来,走出去”作为沈阳远大(如图6)成立之初最重要的发展思路,早在1994年就邀请欧洲技术专家作老师开始“拜师学艺”之路,并在实际工程中逐步吸收学习和应用。

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图6   沈阳远大公司

  随着市场多样化竞争的需求,如何将欧洲技术进行本土化改良势在必行,于是远大掀起了一场创新技术革命。1995年远大中标哈尔滨森融大厦,为了适应技术和成本的双重要求,远大在欧洲幕墙技术的基础上开发出远大“哈森融”标准框架幕墙系统,至此远大有了自己独特的幕墙产品,该幕墙技术的推出也成为远大技术上的里程碑事件,远大从此开启了设计标准之路。有了框架标准系统后为了增加市场竞争力,远大开始瞄准在国内应用较少的单元幕墙系统,可当时国内没有相应的单元幕墙技术资料可参考。恰逢其时一个具有划时代意义的单元幕墙项目给远大提供了学习的机会,上海浦东国际金融大厦当时由德国嘉特纳公司负责承建正在国内找板块安装分包商,这个工程外墙是典型的德式单元式幕墙系统,沈阳远大通过这次安装服务对单元式幕墙技术有了一定的理解后开始研发自己的单元幕墙系统,自此远大有了第一款横锁式单元幕墙系统,并于1997年完成第一个单元幕墙工程中国北京纺织品大厦。

  5、从“远大一条街”到首届奥运场馆

  1999年到2003年的上海浦东新区,陆家嘴金融区的建设如火如荼,一批批高端幕墙项目的建设给当时的国内幕墙企业与外资幕墙公司同台竞技的机会和舞台。远大凭借自身的技术优势将上海陆家嘴地区包括花旗银行、震旦国际大厦(如图7)、上海外滩中信城等在内的十多个工程项目收入旗下。陆家嘴也一度被国内的幕墙界称为“远大一条街”。这些项目中每一个都有着堪称“中国第一”的设计特色和技术创新应用。例如中银

  大厦当时为国内工程中板块最大的单元幕墙,震旦国际大厦上拥有当时世界上面积最大的电子显示屏幕,花旗大厦第一个采用无栏杆落地式单元幕墙技术,东方艺术中心玉兰花造型采用超大跨度装配式艺术钢结构体系等。 

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图7   震旦国际大厦

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图8   北京水立方

  2008年举世瞩目的第29届奥运会在北京“鸟巢”、“水立方”(如图8)隆重举行。“水立方”作为世界上技术难度最大、最复杂的膜结构工程,对隔音、隔热、防水及光线都有极为严格的要求。远大依靠自主创新,攻克了立面照明系统、膜吸充气系统、充气管道、充气泵布置等一系列技术难关,完美的完成世界上第一个超大体量膜结构体育场馆的建设。并参与制订了《国家游泳中心膜结构技术及施工质量验收标准》,该标准成为世界上第一个膜结构的实施标准,填补了膜结构标准的历史空白。

  6、中国最高楼的技术突破

  上海中心大厦(如图9)是我国唯一高度突破600米、采用绿色环保节能技术的超高层建筑,该项目采用螺旋式上升的建筑结构造型和柔性幕墙悬挂体系具备极大的设计和施工难度,成为中国最受瞩目的“超级工程”之一,项目也因此入选18大献礼纪录片“超级工程2--上海中心大厦”(如图10)。

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图9  上海中心大厦

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图10  CCTV超级工程

  上海中心大厦在立项之初就成为国内幕墙届魅力与挑战并存的建筑典范,无论是其所处的地理位置还是其超高双层的幕墙特点,都备受业界的关注。

  该项目具有高、柔、扭、偏、空五大特点(如图11),对幕墙结构的适应性、抗变位性、防水性和抗震性均提出了极高的要求,项目中所遇到技术难题也是无前例可参考的。其外幕墙关键技术曾刷新了上海建筑科技乃至中国建筑科技的新高度,“内刚外柔”的新型巨型结构设计理论体系,首创设计了主体结构与外围柔性悬挂支撑结构变形协同一体的双层表皮玻璃幕墙。外幕墙玻璃幕墙钢结构支撑体系结构非常复杂,以主体结构八道桁架层为界,共分为9区,每区幕墙自我体系相对独立,每层由140多块各不相同的玻璃幕墙包裹,整个大楼共2万多块不同大小曲面单元幕墙,每个单元构件无一相同,也是世界上首次在超高层安装14万平方米柔性幕墙。这类项目按传统施工方法,很难高精度安装。

  为了实现精准的设计、制造与安装,技术团队首次创新性的全过程应用数字化、参数化应用技术,利用BIM技术在电脑中精确模拟计算、三维演示,每块构件到了施工现场,将现场测量的数据输入电脑与理论数据相比对,通过实际测量数据与理论模型进行大数据合模后,可以使玻璃幕墙成品的误差控制在1毫米以内。最终实现复杂幕墙安装“0”偏差,被业界定义为“世界顶级幕墙工程”,难度系数堪称世界之最。

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图11  上海中心外幕墙

  上海中心外幕墙曾实现“突破超高层建筑完全中国自主建造”“突破最柔建筑幕墙构造技术”“突破最复杂建筑幕墙表皮建造技术”“突破最严苛幕墙构造安全验证”“突破超层建筑数字化设计技术壁垒”等五项“零突破”。打造中国“最高双层摩天大楼”“最柔幕墙结构体系”“最复杂建筑表皮”“最安全的双层玻璃幕墙”“最先采用数字化应用技术的超高层建筑”“最高绿色建筑”等六“最”超级工程幕墙。

  7、自由曲面幕墙成型技术

  随着社会的发展,在现代建筑设计中越来越多的建筑师将异型曲面建筑作为一种新的表达方式,异型曲面建筑的出现不仅打破了传统建筑的束缚,使建筑更接近艺术、人文和自然。但新颖的异型曲面建筑带来的是对设计、材料应用和施工技术的严峻考验。但是随着材料工艺和数字化技术手段的不断进步与成熟,为这一类项目成功落地创造了良好的条件。例如BIM参数化技术和低成本的冷弯金属板或冷弯玻璃技术的应用为异型自由曲面的实现和推广创造了更多可能性。

  苏州吴江高度358米的绿地中心项目(如图12),外立面局部为双曲面玻璃幕墙,为了实现双曲面建筑效果,金螳螂技术团队对建筑形体进行数字化分析并有理化归类,把该项目

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图12  吴江绿地

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图13  单元板块现场冷弯

  曲面单元成型工艺划分为二种,一种为异型“单元框架加玻璃工厂冷弯形成异型板块”工艺,第二种为“单元化框与玻璃组装为整体,再进行现场整体冷弯”工艺。

  单元幕墙板块整体冷弯工艺是指在现场通过对单元挂件施加一定的拉力来使边框形成微弧线来实现双曲面造型,从而获得扭曲的单元板块,玻璃在单元板块内保持较低的永久附加应力。 

  苏州中心(如图14)大鸟形屋面建筑为自由曲面造型,寓意为凤凰展翅。当时是国内最大面积的单层薄壳结构采光顶,也是苏州市的地标性建筑。该项目

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图14  苏州中心大鸟型屋面

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  采光顶玻璃80%采用冷弯技术,玻璃最大冷弯值达到60mm。该项目无论从建筑形体建筑结构形式还是大面积冷弯玻璃的应用都是史无前例的,项目在设计、加工、现场施工上都遇到前所未有的技术难题。

  该项目创新性的运用了超长异性网格结构自由曲面玻璃幕墙数字化适应性分析和施工技术,创造六最设计技术,包括“最先进BIM设计分析及修模下料技术,60mm国内最大玻璃冷弯量设计实现技术,最直观动态施工模拟技术,最多的不同尺寸玻璃板块冷弯受力分析技术,最经济安全的构造设计技术,最完美的自由曲面成型技术”。该项目由于冷弯玻璃技术应用等创新技术曾获得“华夏建设科技进步奖”一等奖。

  嘉兴未来广场项目(如图15)采用大跨度异型空间钢结构拱桁架系统配以弧形白色陶瓦自由曲面幕墙屋面,结合各层退台空间绿化,形成错落有致的建筑群落。作为一座公园中的景观建筑,建筑师通过优美的建筑曲线将三处场馆“手拉手”地连接一起围合而成白色

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图15  嘉兴未来广场

  陶瓦双曲面屋面,屋面由50余万片叠拼而成,如何将50万片陶瓦叠拼出顺滑的曲面,并满足屋面效果、工艺、结构沉降及温度变形要求,如何使得屋面系统、双曲金属檐口、曲面水泥板吊顶、弯弧玻璃幕墙等系统完美融合是本项目的重难点。上海建工装饰集团幕墙团队应用数字化设计平台,对复杂异形屋面建造技术研究,形成国内首个复杂异形陶瓦屋面成套智能建造技术,其中包括“大体量双曲陶瓦屋面系统设计”“复杂异形屋面智能精准测量技术”“三维扫描数字仿真及正向纠偏技术” “超大异形曲面安装建造技术” 等。依托该项目企业自主研发7项创新技术,申请专利5项,创造了多项国内首创技术,以绿色化、工业化、数字化技术赋能异型曲面文化场馆建筑。

  8、建筑幕墙装配化技术

  装配式建筑(如图16)最早出现在上世纪60年代,随着国办发〔2016〕71号文,装配式迎来了新的机遇。作为建筑外表皮的幕墙,相比其它建筑专业更早的开始了装配式技术的研发,其中单元幕墙、小单元幕墙、单元钢架、钢结构幕墙一体化等都归为幕墙早期对于装配式的探索。随着装配式技术的不断发展,幕墙装配式也在不断突破原有的技术,适用范围逐步扩大,原来无法实现的单元幕墙构造系统通过技术创新,也逐步实现了装配化,同时装配式板块更趋大化,安装效率也更高。 

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图16   装配式建筑

  由于大空间建筑效果的需求,超大跨度钢结构建筑也逐步增多,由此对于依附在大跨度钢结构上的幕墙系统如何去适应钢结构的加工与施工偏差和大变形都提出更大的挑战。一般情况下大空间主体钢构都是为幕墙传力而设置,钢结构体系的好坏最终决定了幕墙的整体品质。传统大空间幕墙结构体系存在较多问题,例如钢结构和幕墙由不同的分包单位进行设计施工两者之间缺少系统性融合,由于钢结构加工精度及施工误差大单纯依靠幕墙自身的调节无法吸收误差,另外部分主体钢构完成后需要在现场开孔、焊接等作业都会对主体结构产生不利的影响,甚至削弱主体强度影响结构安全。 

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图17   重庆来福士广场

  解决这些技术问题的最好办法是采用钢结构幕墙一体化技术。采用这项技术需要在建筑方案阶段就进行整体策划,在幕墙设计阶段进行幕墙和钢结构的融合设计,在工厂一体化加工制造,运用参数化数字化技术一体化施工管理等综合性措施。

  采用这项技术的案例包括重庆来福士(如图17)的空中连廊整体吊装技术,上海上港十四区风塔项目(如图18)幕墙单层钢网壳装配式液压整体提升技术等。上港十四区风塔高180米,整体为圆柱造型,主体结构体系上采用了与上海中心外幕墙相同的大跨度悬挑单层幕墙钢网壳体系(如图19)

  幕墙钢结构为三角形筒状网壳体系,虚拟层为三角形的高度4m,每层72个三角形组成。出风口以下三角形网壳为悬挂形式,分为三个吊挂段,上端铰接连接,下端滑动连接, 最大悬挂段44m。

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图18  上港十四区风塔项目

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图19   风塔幕墙钢网壳体系

  风塔楼层为呈悬挑跳跃式分布,幕墙钢结构为吊挂形式(如图20),最大吊挂44m区间内无横向连接,高空吊挂柔性结构施工措施布置难。该项目幕墙钢结构采用地面拼装,整体提升的技术方案。在正负零位置进行钢架的拼装,以 8m(两层)为一个拼装单元,拼装完成后提升8m,再次拼装8m连接至已提升单元,累积提升,直至分段整体拼装完成,整体提升到位。

  重庆来福士广场(如图21)由8栋超高层及一个横向跨度300米的空中连廊组成,空中连廊位于200米的高空,横跨其中四栋塔楼,连廊在塔楼之间的部位完全悬空,整体为悬空悬挑渐变波纹造型。针对该项目空中连廊幕墙施工采用传统的施工技术很难完成。经过多技术论证,最终采用了装配式整体液压提升的技术方案。

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图20  上港十四区风塔吊装

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图21  重庆来福士吊装

  四、结语    

  建筑幕墙在中国经历30多年的发展,经历了从无到有、从引进模仿到自主创新的发展历程,30年后的今天中国门窗幕墙年生产量已占世界幕墙产量的80%以上,已经发展成为幕墙行业世界第一生产大国和使用大国。经过30年的工程实践经验积累,中国的幕墙技术水平已有质的飞跃。

  在国家双碳政策背景下,随着建筑数字技术的广泛应用和中国制造行业高质量发展战略要求,幕墙的发展不仅需要设计创新和材料革新,更需要品质创新,打造幕墙技术强国。期待未来一定会有更多绿色低碳、智能化和工业化定制化的精致幕墙产品出现在我们的生活中,在扮靓城市的同时,也为我们的生活带来更多的便利和舒适。


作者简介

牟永来

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  幕墙行业国家级资深专家,中国建筑装饰行业科学技术奖科技人才,30年间始终从事建筑幕墙领域的研究、技术咨询和工程应用工作。

  曾完成包括上海中心大厦、上海首届进口博览会国家会议中心、苏州中心大鸟型屋面、嘉兴未来广场、重庆来福士广场等几十座超高层超复杂难度地标建筑的设计与施工。

(本文已经作者授权发布,版权归作者所有)


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