玻璃幕墻建筑豎向遮陽設計速查表及后世博案例分析

張麗娜 季 亮 葛曹燕

上海世博發展（集團）有限公司

玻璃幕墻將建筑美學、建筑功能、建筑節能和建筑結構等因素有機地統一起來，是現代建筑常用的一種立面形式，多用于公共建筑中。玻璃幕墻由玻璃和金屬等結構組成，由于玻璃表面換熱性強，熱透射率高，夏季太陽輻射通過玻璃進入到室內，造成室內過熱[1]，而引起空調能耗的增加。在玻璃幕墻上設置遮陽系統，可以最大限度減少陽光的直接照射，作為一種簡單有效的節能技術，受到建筑行業的廣泛關注。建設部新頒布的《綠色建筑評價標準》（GB/T 50378-2014）中，遮陽措施的采取作為一項評分項出現[2]。所以，在倡導綠色建筑的今天，研究如何有效的設置遮陽措施對于新《綠色建筑評價標準》的實施推廣具有十分重要的指導意義。本文針對上海地區的氣候特點，以豎向遮陽板為研究對象，采用軟件模擬的方法，分析了不同朝向遮陽板的外挑長度、間距、夾角的影響作用。

1 遮陽技術

建筑遮陽技術包括對建筑圍護結構的遮陽和對窗戶的遮陽[3]，本文主要探討

對玻璃幕墻形式的建筑圍護結構的遮陽技術。

遮陽按構造形式一般可以分為水平遮陽、垂直遮陽、綜合式遮陽、擋板遮陽。

在玻璃幕墻建筑中，垂直遮陽形式較為普遍。本文所指豎向遮陽，包括與建筑立面成90°（垂直遮陽）及其它角度（夾角遮陽）的豎向遮陽形式。如上海市某項目，為了使建筑立面看起來富有韻律，變化中有統一，0°、30°、60°和90°4種類型的豎向遮陽板，按一定規律排布，如圖1中項目A效果圖所示。所以，本文將采用軟件模擬方法深入研究豎向遮陽技術,以推進該技術的推廣應用。

圖1 豎向遮陽技術應用案例

2 模擬概況

針對上海地區的氣候特點，采用光環境模擬軟件Ecotect建模分析。

（1）軟件介紹

Ecotect是美國Autodesk公司開發的綜合建筑性能模擬軟件，其提供了包括熱、光、聲、日照、造價以及可視度在內的一系列建筑性能模擬和分析功能[4]，適用于從概念設計到詳細設計環節的可持續設計及分析。Ecotect自身具有強大的建模工具，且與其他常用的設計軟件SketchUp、3DMAX、Radiance、AutoCAD有很好的兼容性，可以直接導入3DS、DXF格式的文件。除了常用于采光系數的計算，Ecotect還可模擬建筑立面太陽輻射得熱量。

（2）模型建立

選取邊長為23 m，高度為5 m的正八邊形建筑為研究對象，各個立面均為玻璃幕墻形式，且不考慮周圍建筑物的遮擋作用。分析模型、豎向遮陽板分別如圖2和圖3所示。

圖2 分析模型（無遮陽）

圖3 豎向遮陽板示意圖

(3)模擬工況

為分析不同朝向遮陽板的外挑長度、間距、夾角對遮陽效果的影響作用，模擬工況設置如表1所示。

表1 模擬工況設置

本文模擬采用IWEC（International Weather for Energy Calculation）上海地區氣象數據，該數據由ASHRAE和美國國家可再生能源實驗室自主開發[5]。

3 結果及分析

上海屬于夏熱冬冷地區，夏季太陽輻射強，對室內熱環境影響大，所以本文模擬夏季6月1日~ 9月30日期間0:00~24:00時的累計太陽輻射得熱量，并對比無遮陽和各種遮陽工況下的模擬值，得到不同模擬工況下的遮陽效果。現以南向為例，分析遮陽板的外挑長度、間距、夾角對遮陽效果的影響作用，對其余朝向遮陽效果的影響分析可參照南向。

(1) 外挑長度、間距對遮陽效果的影響

圖5為90°夾角遮陽板（即垂直遮陽）時，不同外挑長度、不同板間距下采用遮陽板比無遮陽時立面累計太陽輻射得熱量的降低比例。由圖5可以看出，在同一間距下，遮陽板外挑長度越大，遮陽效果越好；同一外挑長度下，遮陽板間距越大，遮陽效果越差。此結論顯而易見，遮陽板外挑長度越大，其遮陰面積越大；間距越小，遮陽板密度越大，遮陽效果愈加顯著。

(2) 夾角對遮陽效果的影響

圖6為外挑長度200 mm的遮陽板在不同夾角、不同間距下采用遮陽板比無遮陽時立面累計太陽輻射得熱量的降低比例。由圖6可以看出，在同一間距下，遮陽板垂直于外立面時，遮陽效果最好；60°、120°次之，且遮陽效果相近；30°、150°最差，遮陽效果也極為相近。另外，夾角60°、120°比90°遮陽板時遮陽效果降低甚微，低于1%；而夾角30°、150°比60°、120°遮陽板時遮陽效果降低較為顯著，在3%~5%之間。由此可見，在其他參數不變的條件下，以垂直遮陽板為中心，隨著遮陽板與兩側外立面夾角的減小，遮陽效果逐漸變差。

圖5 南向（90°）遮陽效果

圖6 南向（外挑長度200mm）遮陽效果

4 豎向遮陽設計速查表

圖7 豎向遮陽設計速查表

通過上述模擬分析，得到大量數據。將此結果整理成速查表，可供建筑設計人員在初期設計時，根據工程預期達到的遮陽效果，快速查圖表以確定遮陽板的外挑長度和間距。篇幅所限，僅列四個朝向垂直遮陽時的遮陽設計速查表，如圖7所示。

5 后世博案例分析

后世博項目外立面多為玻璃幕墻形式，考慮到該片區項目定位于綠色建筑，對節能降耗及室內環境的舒適性都有較高要求，多數建筑采用了外遮陽措施。以其中項目甲(見圖8)為例，分析豎向遮陽設計速查表在該項目中的應用。

圖8 項目甲遮陽效果圖

如圖8所示，在初期設計時，1號樓北西東3個立面和2號樓南西東3個立面考慮沿幕墻外側設置外挑長度450 mm、間距2 030 mm的豎向石材裝飾構件作為外遮陽措施。現以此豎向遮陽的設置條件，采用豎向遮陽設計速查表預估2號樓設置豎向遮陽后的效果。在圖7的南、東、西三向的圖表中，以外挑長度400的曲線為準，得到橫坐標取2 100時的縱坐標值，即為該朝向的遮陽效果。查圖可得結果如表2所示。

表2 項目甲2號樓各朝向預估遮陽效果（外挑長度400 mm、間距2 100 mm）

本項目遮陽外挑長度450 mm、間距2 030 mm，根據3(1)小節的分析，遮陽效果優于表2結果。故通過速查表預估，2號樓南西東3個立面設置外挑長度450 mm、間距2 030 mm的豎向遮陽后，遮陽效果均大于15%，效果顯著，可滿足上海市《綠色建筑評價標準》（DG/TJ08-2090-2012）優選項條文“5.2.18 建筑圍護結構透明部分應合理采用外遮陽設施”的要求。

兼顧項目的遮陽效果和建筑造型的美觀性、豐富性，該項目施工圖紙確定的最終遮陽方案為：在采用上述遮陽構件的基礎上，豎向遮陽之間設置直徑220 mm豎向金屬管遮陽，并在轉角處設置豎向間隔600 mm、 寬150 mm的橫向遮陽構件，因此，項目整體的遮陽效果大為增加，圖9為2號樓南向最終有無遮陽的夏季累計太陽輻射得熱量模擬結果。

設置遮陽措施后，2號樓南向減少37%的太陽輻射得熱量，東向、西向分別減少22%、23%，項目遮陽效果顯著，室內環境的舒適性提高。

6 結語

本文以上海地區為例，采用Ecotect軟件模擬分析了不同朝向豎向遮陽板的外挑長度、間距、夾角對遮陽效果的影響作用，并將結果整理成了速查表，通過后世博案例遮陽技術的分析表明，該速查表方便建筑設計人員初期的遮陽設計工作，預估遮陽設置是否可以達到預期效果，是一項實用的遮陽設計速查工具。

圖9 2號樓建筑南立面夏季累計太陽輻射得熱量模擬圖

[1] 趙陽東，幕墻遮陽技術在建筑節能方面的應用. 新材料新裝飾，2014年第4期

[2] 中華人民共和國住房和城鄉建設部、中華人民共和國國家質量監督檢驗總局聯合發布，綠色建筑評價標準，GB/T 50378-2014，2014年4月15日發布

[3] 劉瑞瑞，遮陽技術在現代建筑中的應用. 山西建筑，2013年5月第39卷第13期

[4] 云鵬編著，建筑光環境模擬. 中國建筑工業出版社，第一版，2010年7月

[5] 沈昭華，譚洪衛，呂思強等，上海地區建筑能耗計算用典型年氣象數據的研究. 暖通空調，2010年第40卷第1期