建筑玻璃幕墻的綠色節(jié)能設(shè)計(jì)探討

鄭彬彬 翠鳥(niǎo)工程咨詢（杭州）有限公司

1 前言

在建筑裝飾施工中，合理應(yīng)用節(jié)能型玻璃幕墻，不僅能夠改善室內(nèi)溫度，還可以減少能源浪費(fèi)。并且在建筑裝飾工程中，合理應(yīng)用節(jié)能型技術(shù)，能夠優(yōu)化施工工藝流程，創(chuàng)新并完善施工技術(shù)，以此發(fā)揮出技術(shù)的作用與價(jià)值，盡早實(shí)現(xiàn)建筑行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，同時(shí)促進(jìn)生態(tài)環(huán)境、自然能源的發(fā)展。

2 玻璃幕墻特點(diǎn)

玻璃幕墻是一種新的墻體形式，它可以將各種不同元素有機(jī)地組合在一起，以滿足建筑美觀、節(jié)能的要求。人們從不同的角度看這座建筑，會(huì)發(fā)現(xiàn)它有不同的美感。尤其是在外部環(huán)境不斷變化的情況下，玻璃幕墻在白天和夜間的墻面顏色都會(huì)發(fā)生動(dòng)態(tài)變化，以滿足人們不同的審美需要。

但玻璃幕墻本身也存在一些缺點(diǎn)，如限值過(guò)高、易受光污染、能耗過(guò)大等。玻璃窗墻體雖然平滑、透明，但長(zhǎng)期使用容易造成污染，尤其是在空氣粉塵含量較高的北方地區(qū)，建筑投入使用一段時(shí)間后會(huì)產(chǎn)生揚(yáng)塵，根據(jù)玻璃設(shè)計(jì)墻的材料特性，長(zhǎng)期使用會(huì)產(chǎn)生光變形，造成光污染。

3 玻璃幕墻設(shè)計(jì)原則

首先，對(duì)于玻璃幕墻的結(jié)構(gòu)方式，幕墻的構(gòu)件是懸掛在建筑主體上的，并將主體結(jié)構(gòu)作為支撐結(jié)構(gòu)，而在此基礎(chǔ)上為了避免玻璃幕墻承受不必要的負(fù)荷，因此玻璃幕墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)為圍護(hù)結(jié)構(gòu)。

其次，為了避免建筑負(fù)荷、減少地震作用以及避免溫度、濕度變化對(duì)玻璃幕墻產(chǎn)生的影響，無(wú)論是對(duì)玻璃幕墻自身還是對(duì)玻璃幕墻連接構(gòu)件而言，都需要具備強(qiáng)大的剛度韌性及承載能力，不僅如此，還要具備良好的抗位移能力。

最后，在玻璃幕墻架構(gòu)的主體建筑外部設(shè)計(jì)層面，需注重抗震設(shè)計(jì)。為了能夠預(yù)防風(fēng)力作用，使玻璃幕墻不會(huì)出現(xiàn)破碎及脫離的現(xiàn)象，需要在進(jìn)行玻璃幕墻設(shè)計(jì)的過(guò)程中重點(diǎn)考慮玻璃幕墻的位移能力值，并且要加強(qiáng)抗震設(shè)計(jì)。

4 建筑玻璃幕墻綠色節(jié)能設(shè)計(jì)探討

4.1 隔熱玻璃

隔熱玻璃對(duì)紫外線和紅外線的放射性良好，也是目前應(yīng)用較為廣泛的一種節(jié)能型玻璃。隔熱玻璃的主要類型包括兩種：一種是鈉鈣硅酸鹽類玻璃材料。該類玻璃含有著色劑，具有良好的吸熱性。另一種是在浮法玻璃表層涂抹特殊的金屬氧化薄膜，從而進(jìn)行節(jié)能型隔熱玻璃幕墻的制作。

另外，真空隔熱玻璃也是一種玻璃材料類型，其原理為抽走玻璃空腔中的空氣，將空腔內(nèi)部對(duì)流及傳熱清除，具有良好的隔熱作用。該類玻璃空腔相對(duì)狹窄，僅為0.5mm~2.0mm，兩層玻璃間需要通過(guò)均勻分布支柱分開(kāi)，通過(guò)Low-E技術(shù)的應(yīng)用，其傳熱系數(shù)為0.5W/（m2·K）。但該類型玻璃的生產(chǎn)工藝具有一定的復(fù)雜性，因?yàn)橹虚g小立柱導(dǎo)致其美觀性不佳，其在幕墻上的應(yīng)用具有局限性。

4.2 基于柔性太陽(yáng)能光電幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)建筑玻璃幕墻的節(jié)能，在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種基于柔性太陽(yáng)能的光電幕墻，通過(guò)此種設(shè)計(jì)，滿足工程設(shè)計(jì)的節(jié)能需求。而光電幕墻之所以可以被稱之為柔性結(jié)構(gòu)，是由于在光電板中安裝的金屬壓片屬于合成類材料，此種材料可以根據(jù)玻璃幕墻的具體排布設(shè)計(jì)，整體設(shè)計(jì)過(guò)程自由度較高，也正因如此，解決了玻璃幕墻工程在實(shí)施中存在的曲面安裝工程板困難的問(wèn)題。并且，材料的自重較輕，在施工中不需要在幕墻結(jié)構(gòu)上安裝其他的支撐類結(jié)構(gòu)，因此，也節(jié)約了大量工程施工成本。

綜合上述分析，對(duì)光電幕墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。光電幕墻結(jié)構(gòu)的供電系統(tǒng)是由光電控制系統(tǒng)與玻璃幕墻結(jié)構(gòu)系統(tǒng)構(gòu)成，前者由多個(gè)硅晶體電池連接形成，不同的電池組之間由導(dǎo)線與電線進(jìn)行連接，通常情況下，電線鑲嵌在玻璃幕墻中空位置，并且在玻璃膜與電池組之間由一層透明度極高的薄膜覆蓋，可以避免由于薄膜過(guò)厚出現(xiàn)遮光問(wèn)題。

在設(shè)計(jì)玻璃幕墻結(jié)構(gòu)時(shí)，需要全面考慮電池組、導(dǎo)線、集中供電芯片在其中的布設(shè)，所有的導(dǎo)線均需要通過(guò)變壓器進(jìn)行連接，每一個(gè)PV變壓設(shè)備，均對(duì)應(yīng)一個(gè)密封單元，從而構(gòu)成了一個(gè)完整的幕墻供電結(jié)構(gòu)。

4.3 玻璃幕墻結(jié)構(gòu)

玻璃幕墻由玻璃結(jié)構(gòu)骨架拼裝組合而成，玻璃與結(jié)構(gòu)骨架兩者有機(jī)的連接在一起，成為玻璃幕墻結(jié)構(gòu)。其中，骨架可以根據(jù)建設(shè)要求選擇不同型材配置構(gòu)成，應(yīng)用連接件固定裝飾玻璃。在龍骨架設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要考慮到幕墻承重支撐體是否滿足設(shè)計(jì)要求，對(duì)玻璃幕墻載荷分布狀態(tài)進(jìn)行分析，確保龍骨架可以承受玻璃和幕墻所受到的載荷，通過(guò)自身結(jié)構(gòu)傳遞給支撐體系，再由支撐體系將荷載反饋于主體結(jié)構(gòu)中。

玻璃幕墻可以達(dá)到美化建筑外立面的效果，同時(shí)其還擁有圍護(hù)墻體的功能。另外，玻璃幕墻可靠性與安全性體現(xiàn)于抗變形性、抗氣密封性、抗風(fēng)壓性、抗震性、抗防火性等方面。

4.4 抗風(fēng)壓設(shè)計(jì)

玻璃幕墻抗風(fēng)壓設(shè)計(jì)會(huì)對(duì)高層建筑工程中采用的玻璃幕墻安全性造成直接影響，可見(jiàn)，在高層建筑工程中的玻璃幕墻設(shè)計(jì)中，抗風(fēng)壓設(shè)計(jì)是幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要內(nèi)容。針對(duì)風(fēng)荷載，可依據(jù)GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》計(jì)算獲取。但是，高層建筑實(shí)際風(fēng)荷載會(huì)受周圍場(chǎng)地具體情況、高層建筑工程自身形狀等各項(xiàng)因素影響，從而出現(xiàn)與計(jì)算值相差較大的情況，最直接的解決問(wèn)題方法就是采用風(fēng)洞試驗(yàn)法進(jìn)行分析，然后采用模擬試驗(yàn)方式獲取不同位置在具體應(yīng)用時(shí)可以承受的最大風(fēng)荷載。

計(jì)算風(fēng)荷載時(shí)，要考慮不同位置的體型系數(shù)也會(huì)存在一定差異，這也就導(dǎo)致同一高度風(fēng)荷載也會(huì)有所不同，因此，針對(duì)非對(duì)稱幕墻結(jié)構(gòu)構(gòu)件，要全面考慮正風(fēng)壓和負(fù)風(fēng)壓在高層建筑工程幕墻中的作用。在計(jì)算構(gòu)件結(jié)構(gòu)時(shí)，工作人員要對(duì)變形和強(qiáng)度兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行校核，也就是正常應(yīng)用的極限狀態(tài)和承載力極限狀態(tài)。需要注意的是，不同材料的變形值和強(qiáng)度值也會(huì)有所不同，在分析時(shí)要與其他荷載情況進(jìn)行組合，對(duì)比分析找到最差工況，合理計(jì)算，從而使玻璃幕墻安全性能夠得到進(jìn)一步提高，滿足應(yīng)用需求。

4.5 采光與保溫系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)

建筑幕墻不但要保證其室內(nèi)照明效果，還要保證其建筑立面效果。建筑過(guò)程中的絕大部分建筑都需要使用玻璃，與非透明玻璃相比，透明玻璃的保溫性不佳。因此，空調(diào)消耗及相關(guān)采暖設(shè)施的投入和透明玻璃面積為正相關(guān)關(guān)系。比如金屬、石墻等非透明幕墻，無(wú)法滿足視覺(jué)通透、天然照明等功能需求。所以，在幕墻設(shè)計(jì)階段，需要保證照明及保溫的一致性，選擇合理的材料，對(duì)窗面與墻面的比值進(jìn)行合理調(diào)整。為了保證建筑物的傳熱系數(shù)下降，需要采取保溫巖棉等相關(guān)措施。

4.6 防變形設(shè)計(jì)

（1）適應(yīng)自身變形。風(fēng)、溫度、地震等各項(xiàng)荷載直接作用在高層建筑工程玻璃幕墻上，這會(huì)導(dǎo)致型材、玻璃發(fā)生變形，對(duì)玻璃幕墻的性能和應(yīng)用造成直接影響。

（2）適應(yīng)主體結(jié)構(gòu)變形。受風(fēng)荷載、地震、不均勻沉降影響，會(huì)導(dǎo)致高層建筑工程主體結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，這種變形會(huì)間接作用在玻璃幕墻上，為了適應(yīng)自身變形，玻璃幕墻在設(shè)計(jì)時(shí)通常都采用柔性方式連接。

玻璃連接框架時(shí)，應(yīng)當(dāng)留出一定間隙，而且玻璃板間要留有一定間隙。采用螺栓進(jìn)行框架連接，通常要采用柔性墊片，可以適應(yīng)變形，能夠起到減少噪聲的作用。上下立柱連接可以采用插芯插接方式進(jìn)行，在插接部位要預(yù)留間隙，可以更好適應(yīng)高層建筑工程主體結(jié)構(gòu)變形。

4.7 活動(dòng)百葉技術(shù)

遮陽(yáng)技術(shù)的主要作用為實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑物冷熱負(fù)荷的有效控制，從而避免直射太陽(yáng)光對(duì)建筑冷熱負(fù)荷造成不利影響。傳統(tǒng)模式下，需要將遮陽(yáng)罩安裝在室外，但會(huì)對(duì)建筑的節(jié)能效果產(chǎn)生不利影響，主要表現(xiàn)在循環(huán)風(fēng)管形成困難，無(wú)法有效控制熱量。為了解決這一問(wèn)題，需要加強(qiáng)對(duì)活動(dòng)百葉技術(shù)的運(yùn)用，該方法可以通過(guò)改變角度實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)位置的有效調(diào)整，避免發(fā)生通風(fēng)遮陽(yáng)問(wèn)題，提高節(jié)能效果。

4.8 節(jié)能型玻璃幕墻設(shè)計(jì)

節(jié)能型玻璃幕墻設(shè)計(jì)包括遮陽(yáng)體系以及節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。在夏季高溫季節(jié)，陽(yáng)光通過(guò)窗戶進(jìn)入室內(nèi)，導(dǎo)致溫度上升，而冬天室內(nèi)熱量耗散，都是增加室內(nèi)能耗的原因。為了減少陽(yáng)光的影響，需要采用百葉格柵、遮陽(yáng)板等，避免太陽(yáng)直射，影響室內(nèi)的溫度，以達(dá)到隔熱的效果。節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)是提升玻璃幕墻節(jié)能的重點(diǎn)之一。

在節(jié)能型玻璃幕墻設(shè)計(jì)中，要按照主體結(jié)構(gòu)的定位線，使用相應(yīng)的柔性墊片，同時(shí)預(yù)留1cm~2cm的間隙填充隔熱膠。采用隔熱設(shè)計(jì)不但能夠起到隔熱保溫的效果，也有利于降低外界噪聲。在玻璃幕墻與周邊構(gòu)件的連接處，需要增加保溫材料，并且做好密封設(shè)計(jì)，提升其保溫性能。

節(jié)能型玻璃幕墻中，開(kāi)窗是影響節(jié)能保溫的因素之一，為了減少能耗，需要控制開(kāi)窗數(shù)量以及面積，同時(shí)在窗戶與框架之間，設(shè)立密封隔離帶，減少空氣對(duì)流，使玻璃幕墻、構(gòu)件、密封膠等形成統(tǒng)一的整體，從而形成完整的節(jié)能型玻璃幕墻體系，這不僅能夠發(fā)揮玻璃幕墻的美觀作用，也能夠充分發(fā)揮其節(jié)能性能。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，節(jié)能型玻璃幕墻作為現(xiàn)代建筑的裝飾手段之一，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。相比于普通幕墻材料，雖然節(jié)能型玻璃幕墻的先期成本高出10%~30%，但是由于其節(jié)能效果顯著，在長(zhǎng)期使用后，能節(jié)省大量的電費(fèi)，5~7年后可以收回先期投入，不僅具有經(jīng)濟(jì)效益，而且具備良好的環(huán)境效益和社會(huì)效益，值得推廣應(yīng)用。