玻璃幕墻建筑豎向遮陽設(shè)計(jì)速查表及后世博案例分析

張麗娜 季 亮 葛曹燕

上海世博發(fā)展（集團(tuán)）有限公司

玻璃幕墻將建筑美學(xué)、建筑功能、建筑節(jié)能和建筑結(jié)構(gòu)等因素有機(jī)地統(tǒng)一起來，是現(xiàn)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(jié)構(gòu)組成，由于玻璃表面換熱性強(qiáng)，熱透射率高，夏季太陽輻射通過玻璃進(jìn)入到室內(nèi)，造成室內(nèi)過熱[1]，而引起空調(diào)能耗的增加。在玻璃幕墻上設(shè)置遮陽系統(tǒng)，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(jié)能技術(shù)，受到建筑行業(yè)的廣泛關(guān)注。建設(shè)部新頒布的《綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50378-2014）中，遮陽措施的采取作為一項(xiàng)評分項(xiàng)出現(xiàn)[2]。所以，在倡導(dǎo)綠色建筑的今天，研究如何有效的設(shè)置遮陽措施對于新《綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》的實(shí)施推廣具有十分重要的指導(dǎo)意義。本文針對上海地區(qū)的氣候特點(diǎn)，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(shù)

建筑遮陽技術(shù)包括對建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)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(hù)結(jié)構(gòu)的遮陽技術(shù)。

遮陽按構(gòu)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(xiàng)目，為了使建筑立面看起來富有韻律，變化中有統(tǒng)一，0°、30°、60°和90°4種類型的豎向遮陽板，按一定規(guī)律排布，如圖1中項(xiàng)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(shù),以推進(jìn)該技術(shù)的推廣應(yīng)用。

圖1 豎向遮陽技術(shù)應(yīng)用案例

2 模擬概況

針對上海地區(qū)的氣候特點(diǎn)，采用光環(huán)境模擬軟件Ecotect建模分析。

（1）軟件介紹

Ecotect是美國Autodesk公司開發(fā)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(nèi)的一系列建筑性能模擬和分析功能[4]，適用于從概念設(shè)計(jì)到詳細(xì)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的可持續(xù)設(shè)計(jì)及分析。Ecotect自身具有強(qiáng)大的建模工具，且與其他常用的設(shè)計(jì)軟件SketchUp、3DMAX、Radiance、AutoCAD有很好的兼容性，可以直接導(dǎo)入3DS、DXF格式的文件。除了常用于采光系數(shù)的計(jì)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(shè)置如表1所示。

表1 模擬工況設(shè)置

本文模擬采用IWEC（International Weather for Energy Calculation）上海地區(qū)氣象數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)由ASHRAE和美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室自主開發(fā)[5]。

3 結(jié)果及分析

上海屬于夏熱冬冷地區(qū)，夏季太陽輻射強(qiáng)，對室內(nèi)熱環(huán)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(jì)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?，F(xiàn)以南向?yàn)槔治稣陉柊宓耐馓糸L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(jì)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(jié)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(jì)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(shù)不變的條件下，以垂直遮陽板為中心，隨著遮陽板與兩側(cè)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(shè)計(jì)速查表

圖7 豎向遮陽設(shè)計(jì)速查表

通過上述模擬分析，得到大量數(shù)據(jù)。將此結(jié)果整理成速查表，可供建筑設(shè)計(jì)人員在初期設(shè)計(jì)時，根據(jù)工程預(yù)期達(dá)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(shè)計(jì)速查表，如圖7所示。

5 后世博案例分析

后世博項(xiàng)目外立面多為玻璃幕墻形式，考慮到該片區(qū)項(xiàng)目定位于綠色建筑，對節(jié)能降耗及室內(nèi)環(huán)境的舒適性都有較高要求，多數(shù)建筑采用了外遮陽措施。以其中項(xiàng)目甲(見圖8)為例，分析豎向遮陽設(shè)計(jì)速查表在該項(xiàng)目中的應(yīng)用。

圖8 項(xiàng)目甲遮陽效果圖

如圖8所示，在初期設(shè)計(jì)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(cè)設(shè)置外挑長度450 mm、間距2 030 mm的豎向石材裝飾構(gòu)件作為外遮陽措施?，F(xiàn)以此豎向遮陽的設(shè)置條件，采用豎向遮陽設(shè)計(jì)速查表預(yù)估2號樓設(shè)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(zhǔn)，得到橫坐標(biāo)取2 100時的縱坐標(biāo)值，即為該朝向的遮陽效果。查圖可得結(jié)果如表2所示。

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

本項(xiàng)目遮陽外挑長度450 mm、間距2 030 mm，根據(jù)3(1)小節(jié)的分析，遮陽效果優(yōu)于表2結(jié)果。故通過速查表預(yù)估，2號樓南西東3個立面設(shè)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(biāo)準(zhǔn)》（DG/TJ08-2090-2012）優(yōu)選項(xiàng)條文“5.2.18 建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)透明部分應(yīng)合理采用外遮陽設(shè)施”的要求。

兼顧項(xiàng)目的遮陽效果和建筑造型的美觀性、豐富性，該項(xiàng)目施工圖紙確定的最終遮陽方案為：在采用上述遮陽構(gòu)件的基礎(chǔ)上，豎向遮陽之間設(shè)置直徑220 mm豎向金屬管遮陽，并在轉(zhuǎn)角處設(shè)置豎向間隔600 mm、 寬150 mm的橫向遮陽構(gòu)件，因此，項(xiàng)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(jì)太陽輻射得熱量模擬結(jié)果。

設(shè)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(xiàng)目遮陽效果顯著，室內(nèi)環(huán)境的舒適性提高。

6 結(jié)語

本文以上海地區(qū)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(jié)果整理成了速查表，通過后世博案例遮陽技術(shù)的分析表明，該速查表方便建筑設(shè)計(jì)人員初期的遮陽設(shè)計(jì)工作，預(yù)估遮陽設(shè)置是否可以達(dá)到預(yù)期效果，是一項(xiàng)實(shí)用的遮陽設(shè)計(jì)速查工具。

圖9 2號樓建筑南立面夏季累計(jì)太陽輻射得熱量模擬圖

[1] 趙陽東，幕墻遮陽技術(shù)在建筑節(jié)能方面的應(yīng)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(xiāng)建設(shè)部、中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)總局聯(lián)合發(fā)布，綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)，GB/T 50378-2014，2014年4月15日發(fā)布

[3] 劉瑞瑞，遮陽技術(shù)在現(xiàn)代建筑中的應(yīng)用. 山西建筑，2013年5月第39卷第13期

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

[5] 沈昭華，譚洪衛(wèi)，呂思強(qiáng)等，上海地區(qū)建筑能耗計(jì)算用典型年氣象數(shù)據(jù)的研究. 暖通空調(diào)，2010年第40卷第1期