光伏建筑一體化中的幕墻加固設計

楊 濤

(國核電力規劃設計研究院有限公司,北京 100095)

光伏建筑一體化中的幕墻加固設計

楊 濤

(國核電力規劃設計研究院有限公司,北京 100095)

光伏建筑一體化(BIPV)是目前大規模利用光伏技術發電的研發熱點。既有建筑幕墻加固改造是推動光伏技術在建筑領域應用的新課題。結合具體的幕墻改造工程，通過結構整體安全性、幕墻構件安全性分析和幕墻構件加固方案的研究，選取合理的加固方式，為建筑幕墻改造與BIPV技術的有機結合提供了工程經驗。

BIPV，光伏幕墻，加固改造

從1978年我國建筑幕墻工業開始起步，在30多年間不斷的發展和創新過程中，目前我國以建成的各式建筑幕墻(包括采光頂)超過了1.5億m2，占世界總量的50%。

玻璃幕墻建筑在既有公共建筑中占有相當一部分比例，但能耗高一直是我國既有玻璃幕墻存在的突出問題。數據顯示，目前我國約有50%的既有玻璃幕墻需要加以改造。因此玻璃幕墻的升級改造已經成為建筑節能比較突出薄弱環節，相對也成為我國建筑節能中最有潛力的重要領域。

BIPV，即光伏建筑一體化(Building Integrated Photovoltaic)。BIPV技術是將太陽能發電(光伏)產品集成到建筑上的技術。BIPV光伏幕墻是將普通幕墻玻璃替換為可以進行光電轉換并具備節能隔熱效果的復合型光伏組件，兼具發電與建筑構件的功能，提升建筑社會價值，帶來綠色概念的效果。BIPV光伏幕墻因此成為21世紀建筑及光伏技術市場的熱點[1,2]。

1 項目概況

項目工程建筑的外墻采用全幕墻形式，幕墻分為明框玻璃幕墻和干掛石材幕墻，建筑的南、北立面4.8 m以下為干掛石材墻面，4.8 m以上為玻璃幕墻。

幕墻面積為3 900 m2，工程擬將建筑物南側4層～15層、西側4層～15層和東側3層～14層幕墻中的玻璃進行替換，在人視點的采光主要區域采用普通玻璃，其他區域采用不透光型薄膜復合型光伏組件，起到降溫降耗功能，同時兼具光伏發電功能。

2 大樓結構整體安全性核算

建筑整體結構的安全可靠是幕墻加固方案得以實施的先決條件。項目工程原玻璃幕墻更換為復合型光伏組件，玻璃自重及附屬措施材料重量由原來54 kg/m2增加為87 kg/m2，增加了33 kg/m2,玻璃厚度由普通雙銀Low-E玻璃的24 mm增加為36 mm。幕墻體系施加在主體結構的荷載增加，需要對建筑整體結構進行安全性復核。項目工程原設計單位進行了復核，認為幕墻加固方案可行，滿足原結構構件的承載力要求，不影響整體結構的安全性。

3 幕墻體系結構安全性核算

幕墻龍骨主要承受水平風荷載、地震荷載、幕墻玻璃及附屬措施重量的豎向荷載。由于幕墻體系自重增加，高層建筑風荷載較大，依據《建筑結構荷載規范》[3]驗算，在單面幕墻兩側總寬度1/10的邊角部位，立柱強度超出規范允許值10%；在建筑樓層12層～14層，立柱強度達到規范允許值92%，需要對立柱進行加固處理；其他位置立柱強度、撓度滿足規范要求。幕墻橫梁在各區域均滿足規范要求，但支撐構造需重新設計。幕墻加固范圍如圖1,圖2所示(云線內范圍為加固范圍)。

4 幕墻體系加固方案

4.1加固方案計算

為了最大限度節約資源，項目工程幕墻龍骨整體不需更換，原有鋁合金龍骨需在隱蔽部位進行局部加固改造。幕墻立柱在層高范圍受力體系為簡支梁，通過在混凝土結構梁上增加支座節點，使立柱在層高范圍內變為兩跨連續梁，減小計算長度，可有效地提高立柱的承載能力。橫梁在水平跨度范圍內為單跨簡支梁。經驗算，根據《玻璃幕墻工程技術規范》[4]，立柱、橫梁抗彎強度和撓度滿足要求。

4.2加固方案

立柱是幕墻體系中的主要受力構件，其安全性直接決定整個幕墻的結構安全性。通過在龍骨立柱高度范圍內增加節點，使立柱的計算長度減小，使強度、撓度滿足規范要求。加固轉接件通過化學螺栓與主體結構混凝土梁連接?；瘜W螺栓的優點主要有：1)錨固力強；2)在基孔內不產生由于膨脹引起的應力，盡量減小對原結構混凝土梁的破壞；3)可以做到精準定位，并與結構體完全聯結，具有抗老化、抗風化、抗酸堿的優良性能；4)抗震性能良好。幕墻立柱加固節點形式見圖3。龍骨橫梁不需加固，但由于安裝光伏組件，玻璃厚度增加，橫梁構造中需重新設計鋼承托件支撐復合型光伏組件，如圖4所示。

5 結語

項目工程幕墻改造方案，經過原設計單位驗算分析，幕墻改造不影響整體結構的安全性。通過計算分析了幕墻體系薄弱環節，結合改造后幕墻的受力特點，采取合理的加固方式，通過在原有幕墻立柱層高范圍增加支撐節點和改造橫梁支撐構造，使幕墻結構安全性滿足規范要求。

項目工程不整體更換幕墻龍骨，只在局部薄弱環節進行加固，采用BIPV技術替代傳統玻璃幕墻，既節約利用現有資源，又發展清潔能源產生新的經濟效益，具有一定的推廣意義，為光伏項目與建筑幕墻改造工程的結合提供了寶貴的經驗。

[1] 龍文志.太陽能光伏建筑一體化[J].建筑節能,2009(7):1-9.

[2] 謝士濤.光伏建筑一體化技術與應用[J].門窗,2007(9):42-45.

[3] GB 5009—2012，建筑結構荷載規范[S].

[4] JGJ 102—2003,玻璃幕墻工程技術規范[S].

CurtainwallstrengtheningdesignofBuildingIntegratedPhotovoltaic

YangTao

(StateNuclearElectricPowerPlanningDesign&ResearchInstituteCo.,Ltd,Beijing100095,China)

Building Integrated Photovoltaic (BIPV) is a research hotspot of large-scale utilization of photovoltaic technology. The strengthening of existing building curtain wall is a new subject to promote the application of photovoltaic technology in the field of building construction. Combining with the concrete curtain wall strengthening project, through the analysis of the building structure safety, curtain wall structure safety, and reasonable strengthening scheme and way of curtain wall, the engineering experience is provided for the combination of curtain wall strengthening and BIPV.

BIPV, photovoltaic curtain wall, strengthening

1009-6825(2017)28-0057-02

2017-07-24

楊 濤(1983- )，男，工程師

TU318

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