建筑玻璃幕墻綠色設(shè)計實踐分析

王怡勻

(華東建筑設(shè)計研究院有限公司，上海 200002)

0 引言

玻璃幕墻自100多年前問世以來，以其多姿多彩的立面形式和簡潔明快的線條，深受世人青睞。隨著玻璃幕墻新設(shè)計、新技術(shù)、新材料和新工藝的不斷發(fā)展，玻璃幕墻建筑在我國得到廣泛應(yīng)用，其中有的已經(jīng)成為城市現(xiàn)代化的標(biāo)志性建筑，我國也成為目前世界上最大的幕墻生產(chǎn)、制造、施工和使用國家。玻璃幕墻的通透性使人們能夠充分感受自然景觀、自然光線和自然空間，但同時也帶來制冷、采暖能耗上升的問題。建筑業(yè)是社會能耗大戶，建筑設(shè)計應(yīng)當(dāng)積極分析研究玻璃幕墻綠色節(jié)能的設(shè)計方法。

1 使用玻璃幕墻的合理性

玻璃幕墻是由玻璃面板和支撐結(jié)構(gòu)組成的非承重、連續(xù)的建筑外圍護(hù)系統(tǒng)，其受力特點是：懸掛在建筑主體結(jié)構(gòu)上，不承受主體結(jié)構(gòu)荷載、內(nèi)力及其傳遞。玻璃幕墻除具有美觀大方、經(jīng)久耐用、裝配高效等特點外，其優(yōu)越的抗震性能尤為突出。2008年5·12汶川大地震(8級)震害調(diào)查發(fā)現(xiàn)，震中地區(qū)所有裂而未倒的建筑均未發(fā)生嚴(yán)重幕墻震害，這與1999年臺灣臺中、南投等地的9·21大地震(7.6級)和1995年日本關(guān)西地區(qū)的阪神大地震(7.2級)情況類似。為什么在相同的地震烈度下，幕墻基本完好無損而窗戶卻普遍破壞嚴(yán)重呢？這主要是因為玻璃窗鑲嵌在圍護(hù)結(jié)構(gòu)平面內(nèi)，地震時與主體結(jié)構(gòu)具有相同的側(cè)向位移，而玻璃幕墻則是懸掛體系和浮動節(jié)點，結(jié)構(gòu)層間變形適應(yīng)性好。正是由于玻璃幕墻優(yōu)越的抗震性能，特別是對于高層、超高層建筑，玻璃幕墻以其他建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式所不可比擬的優(yōu)勢而獨占鰲頭。

2 玻璃幕墻綠色設(shè)計策略

綠色設(shè)計并不等于高成本設(shè)計，綠色設(shè)計也不僅僅是高科技設(shè)計。綠色設(shè)計主要是指充分利用自然資源、設(shè)計手段和技術(shù)集成，以人、建筑和環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展為目標(biāo)，創(chuàng)造綠色健康的建筑環(huán)境。玻璃幕墻綠色設(shè)計需要借鑒系統(tǒng)思維，即從單一材料、單項技術(shù)、單個指標(biāo)的設(shè)計控制向綜合性、系統(tǒng)化的綠色設(shè)計方式轉(zhuǎn)變。

根據(jù)《綠色建筑技術(shù)導(dǎo)則》，與外圍護(hù)結(jié)構(gòu)直接有關(guān)的綠色指標(biāo)項主要包括：“節(jié)能與能源利用”項目中的“降低能耗”子項、“節(jié)材與材料資源”項目中的“使用綠色建材”子項以及“室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量”項目中的“光環(huán)境”、“熱環(huán)境”、“聲環(huán)境”和“室內(nèi)空氣質(zhì)量”子項。其中主要的技術(shù)要點有提高建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫隔熱性能、采用有效的遮陽措施、使用可節(jié)能的功能性建材、防止透過玻璃進(jìn)入室內(nèi)的太陽輻射引起不舒適感等?？梢姡诒馗魺?、外遮陽措施、節(jié)能建材和控制太陽輻射等方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，就能有效地提高玻璃幕墻的“綠色”成色。

3 玻璃幕墻綠色設(shè)計實踐分析

夏熱冬冷地區(qū)，夏季炎熱，冬季濕冷，室內(nèi)熱環(huán)境不盡如人意，目前多采用空調(diào)降溫取暖以改善室內(nèi)環(huán)境，如果玻璃幕墻熱工性能不能滿足要求，則建筑空調(diào)能耗就會大幅增加。空氣調(diào)節(jié)的目的應(yīng)當(dāng)是盡量減少人工環(huán)境，而不是相反。在晉合廣場項目(由高層酒店、超高層辦公等組成)玻璃幕墻技術(shù)設(shè)計過程中，設(shè)計重點關(guān)注保溫絕熱、幕墻遮陽、功能建材和調(diào)控陽光4個方面，采用集成技術(shù)措施實現(xiàn)玻璃幕墻的綠色節(jié)能要求。

3.1 保溫隔熱措施

追求大面積采光的玻璃幕墻對綠色設(shè)計提出艱巨挑戰(zhàn)。如何使幕墻玻璃在夏季阻止過多陽光熱能進(jìn)入室內(nèi)，冬季阻擋室內(nèi)熱能外溢，維持室內(nèi)適宜溫度，是必須解決的綠色設(shè)計課題。傳熱系數(shù)反映幕墻玻璃的溫差傳熱特性，對同一種幕墻玻璃的傳熱系數(shù)而言，歐洲EN673標(biāo)準(zhǔn)k值＜我國GB10294標(biāo)準(zhǔn)(同日本標(biāo)準(zhǔn))K值＜美國ASHREA標(biāo)準(zhǔn)(或ISO15099)U值。由于不同標(biāo)準(zhǔn)、不同測試條件下結(jié)果的非線性，因此，歐洲k值、我國K值與美國U值三者之間不存在換算關(guān)系，三值遞差約在0.07～0.08 W/(m2·K)。U值和K值的區(qū)別就在于U值增加了一個間隔條的導(dǎo)熱系數(shù)，我國K值及歐洲k值相當(dāng)于美國(冬季夜間)U值，若U值滿足要求，則K值就能滿足要求。

在高層酒店的“透明玻璃幕墻”即可見光直接投射入室內(nèi)的幕墻部分，設(shè)計采用雙銀Low-E中空充氬氣(Ar)玻璃。從熱量傳遞的途徑來看：①單片透明玻璃即可隔絕全部 (不計安裝間隙和漏風(fēng))對流傳熱。②氬氣的導(dǎo)熱系數(shù)(約0.016 84 W/(m2·K))遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于普通玻璃(鈉鈣硅玻璃)的導(dǎo)熱系數(shù)(約1 W/(m2·K))，中空玻璃將兩片玻璃平行放置，并用內(nèi)部充滿高效分子篩吸附劑的鋁框隔出一定寬度的空間 (充氬氣)，周邊再用高強(qiáng)度密封膠粘合密封，隔絕了大部分傳導(dǎo)傳熱。③在玻璃表面鍍上反射紅外線、不吸熱的低輻射(Low-E)膜，反射整個紅外波段的熱輻射(既反射太陽能波段的熱輻射也反射遠(yuǎn)紅外波段的熱輻射)，減少輻射傳熱，有效控制幕墻玻璃的傳熱系數(shù)和遮陽系數(shù)。

在高層酒店的“非透明玻璃幕墻”即玻璃背后有結(jié)構(gòu)梁或窗檻墻、窗間墻、防火裙墻的部分，設(shè)計采用彩釉玻璃(背襯防火保溫巖棉)。要在玻璃透光率較高的情況下遮蔽內(nèi)部建筑構(gòu)件，就必須設(shè)法降低建筑構(gòu)件表面的漫反射系數(shù)，設(shè)計采取條狀彩釉，彩釉圖案覆蓋率＞50%，彩釉顏色選取淺灰色。彩釉玻璃是將無機(jī)色釉通過輥筒(或絲網(wǎng))印制在玻璃表面，然后經(jīng)烘干、鋼化處理將色釉永久燒結(jié)于玻璃表面以限制部分陽光輻射的透過。背襯保溫材料以前多采用模塑聚苯板(EPS)和擠塑聚苯板(XPS)，導(dǎo)熱系數(shù)分別為0.041和0.03，EPS和XPS雖有一定的機(jī)械強(qiáng)度和柔韌性，吸水率低，施工、切割方便，但也有易燃易老化的缺點。設(shè)計選用巖棉作為背襯保溫材料，其導(dǎo)熱系數(shù)0.044(密度80～200 kg/m3)比EPS和XPS略大，雖然需要比EPS和XPS更厚一些才能達(dá)到相同的保溫效果，但無機(jī)保溫材料不燃燒、耐久性好。

圖1 酒店幕墻效果圖

3.2 幕墻外遮陽設(shè)施

幕墻外遮陽作為一種實用有效的綠色節(jié)能措施，能調(diào)節(jié)或阻擋太陽直射輻射(短波輻射)，控制天空、地面漫射輻射和環(huán)境反射輻射(長波輻射)，防止室內(nèi)外眩光，通過遮擋幕墻玻璃避免夏季室內(nèi)過熱，降低建筑冷負(fù)荷，提高室內(nèi)的熱舒適性和視覺舒適性。外遮陽可以將太陽輻射熱屏蔽在室外，而內(nèi)遮陽并不能避免太陽輻射加熱遮陽板，熱量還是留在室內(nèi)。外遮陽設(shè)施遮擋陽光的同時也改變了室內(nèi)的燈光負(fù)荷，盡管室內(nèi)總的照度很重要，但光線的均勻性是決定室內(nèi)光環(huán)境質(zhì)量的決定因素。外遮陽對建筑能耗與室內(nèi)舒適度的影響主要有以下三方面：

(1)合理的建筑外遮陽能夠有效降低夏季空調(diào)負(fù)荷；

(2)避免室內(nèi)自然采光出現(xiàn)眩光；

(3)改善室內(nèi)熱舒適性。固定外遮陽設(shè)施具有良好的外觀可視性，為建筑立面設(shè)計提供更多的機(jī)會。超高層辦公幕墻立面采取綜合式遮陽即水平遮陽與垂直遮陽相結(jié)合的外遮陽系統(tǒng)，盛夏時提供良好的遮陽，冬季允許太陽輻射進(jìn)入室內(nèi)。固定外遮陽構(gòu)件與辦公立面渾然一體，成為整個建筑不可分割的組成部分和建筑立面表達(dá)的重要元素。

圖2 辦公幕墻效果圖

3.3 節(jié)能的功能性建材

設(shè)計采用隔熱斷橋鋁合金型材，阻隔鋁合金型材室內(nèi)外的溫度交換。在鋁合金型材中間以導(dǎo)熱系數(shù)較低的高分子PA66尼龍(鋁的導(dǎo)熱系數(shù)是塑料的1 270倍)阻擋熱量在內(nèi)外兩層鋁合金之間傳導(dǎo)，起到中斷熱傳遞、防止冷熱迅速傳遞或緩熱傳遞的作用，隔熱鋁合金型材的熱傳導(dǎo)性比非隔熱鋁合金型材低40%～70%。隔熱斷橋鋁合金型材兼顧了尼龍和鋁合金兩種材料的優(yōu)勢，合理分離水汽腔，實現(xiàn)汽水等壓平衡，顯著提高型材的水密性和氣密性，具有優(yōu)良的保溫、隔聲性能。

隱框和明框玻璃幕墻的傳熱系數(shù)大致是幕墻玻璃的傳熱系數(shù)加上0.3和0.5，如果明框玻璃幕墻沒有采用隔熱斷橋鋁合金型材，則鋁合金型材和幕墻玻璃的傳熱系數(shù)加權(quán)平均值就是玻璃幕墻的傳熱系數(shù)，通常斷熱條高度在8 mm時，隔熱斷橋鋁合金型材的傳熱系數(shù)一般在3.5左右。玻璃幕墻采用適應(yīng)玻璃線性變形的環(huán)繞膠條，實現(xiàn)幕墻型材和玻璃面板的無縫集成，并通過填充隔熱條、中間密封膠條、帶有延伸隔斷的玻璃密封膠條等在型材的有效位置上發(fā)揮節(jié)能、防滲漏作用，配合高節(jié)能性玻璃，構(gòu)成綠色節(jié)能的玻璃幕墻系統(tǒng)。

3.4 調(diào)控太陽輻射

外遮陽構(gòu)件起到阻擋太陽輻射進(jìn)入室內(nèi)的作用，而低輻射鍍膜玻璃(Low-E玻璃)則可以進(jìn)一步起到調(diào)控太陽輻射的作用。低輻射鍍膜玻璃表面輻射率(0.08～0.15)較低，約為普通玻璃表面輻射率(0.84)的10%～18%，同時，低輻射膜層對紅外線、遠(yuǎn)紅外線有很高的反射率。設(shè)計選用雙銀Low-E中空充氬氣(Ar)玻璃，強(qiáng)調(diào)玻璃對太陽熱輻射的遮蔽效果，將玻璃的高透光性與太陽熱輻射的低透過性結(jié)合起來，除具有普通Low-E玻璃的一些優(yōu)點外，還具有以下兩個特點：

(1)更高的透光率——保持可見光波段較高的透過率，保證良好的自然采光；

(2)更低的太陽能透過率——限制太陽熱輻射的透過，尤其是近紅外熱輻射的通過。

在可見光透過率相同的情況下，雙銀Low-E玻璃比普通Low-E玻璃具有更低的太陽能透過率，即具有更低的遮陽系數(shù)SC。通俗地說，Low-E玻璃將太陽光過濾成“冷”光源，解決了高可見光透過率與低太陽能透過率不能兼顧的矛盾，為玻璃幕墻通透性的立面設(shè)計提供了綠色節(jié)能保障。設(shè)計將Low-E膜放在中空玻璃的第2面 (由室外向室內(nèi)數(shù))，雖然Low-E膜位于第2面和第3面的U值(冬季)相同，即對冬季暖氣的阻擋效果相同，但位于第2面時遮陽系數(shù)SC要比位于第3面低15%，顯然位于第2面具有更好的遮陽效果，且Low-E膜位于第2面時幕墻外觀具有鍍膜玻璃的質(zhì)感。

4 結(jié)語

改革開放30多年來，我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展舉世矚目，已經(jīng)成為世界第二大經(jīng)濟(jì)體，但也為之付出了沉重的環(huán)境代價和巨大的能耗代價，GDP和能耗同步增長使我國成為全球第一大排碳國(排碳絕對值已超過美國)。目前，建筑總能耗(包括建材生產(chǎn)能耗、施工能耗和使用能耗)約占國家總能耗的25%，而建筑使用能耗(按50年計)約占建筑總能耗的80%～90%，其中建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)能耗又約占建筑使用能耗的一半。

2011年8月31日，國務(wù)院發(fā)出《國務(wù)院關(guān)于印發(fā)“十二五”節(jié)能減排綜合性工作方案的通知》(國發(fā)[2011]26號文)?！笆濉睍r期是我國經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級的關(guān)鍵時期，包括玻璃幕墻在內(nèi)的建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)向綠色設(shè)計轉(zhuǎn)型是國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分，也是我國生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作的重要方面。設(shè)計實踐證明，只要采取合理的綠色設(shè)計技術(shù)措施，玻璃幕墻建筑同樣可以成為節(jié)能環(huán)保的綠色建筑。

[1]車學(xué)婭.“玻璃幕墻與建筑節(jié)能”[J].建筑師與建材(會刊),2009(8).

[2]蕭愉.當(dāng)前玻璃幕墻的熱門話題[J].建筑師與建材(會刊),2008(8).

[3]許武毅.建筑鍍膜玻璃及其復(fù)合產(chǎn)品的節(jié)能性能[J].建筑節(jié)能,2001.