建筑幕墻優(yōu)化設(shè)計(jì)方法分析

薛萃

（山西八建集團(tuán)有限公司，太原030002）

1 引言

我國建筑幕墻行業(yè)從1983年開始起步，是中國經(jīng)濟(jì)體制改革的產(chǎn)物，與其他傳統(tǒng)行業(yè)相比，年輕的幕墻行業(yè)受計(jì)劃經(jīng)濟(jì)體制的影響相對較小。根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，截至2017年我國建筑幕墻工程總產(chǎn)值達(dá)3 700億元。建筑幕墻是現(xiàn)代建筑常見的構(gòu)筑物，和一般常規(guī)填充墻不同，建筑幕墻本身是支撐結(jié)構(gòu)構(gòu)成的完整結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，其本身在平面上具備較大的可變性。相對于建筑結(jié)構(gòu)主體有較強(qiáng)的位移能力，且建筑幕墻不直接分?jǐn)偨ㄖY(jié)構(gòu)主體所承擔(dān)的載荷，是相對獨(dú)立的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)。建筑幕墻通常由面板和面板后部達(dá)到支撐結(jié)構(gòu)組成，常見面板為玻璃、鋁材等，支撐結(jié)構(gòu)常見為鋼結(jié)構(gòu)、鋁橫梁等。既往研究證明，建筑幕墻因本身具備連接活動能力，所以幕墻在平面內(nèi)，可以承受1/100的大變形，若是采用特殊構(gòu)件，在建筑主體結(jié)構(gòu)側(cè)向位移達(dá)到1/60時(shí)，建筑幕墻也不會被損壞[1]。目前，建筑幕墻已經(jīng)成為我國高層建筑的主要構(gòu)成部分，伴隨技術(shù)的不斷發(fā)展以及建筑理念的不斷革新，建筑幕墻的作用也在進(jìn)一步深化，從基礎(chǔ)的圍護(hù)作用外，建筑幕墻設(shè)計(jì)還承擔(dān)著降低建筑能耗，提高建筑舒適度的任務(wù)，為給建筑幕墻設(shè)計(jì)提供有價(jià)值的理論參考。

2 建筑幕墻項(xiàng)目概況

某商業(yè)綜合體建筑整合商業(yè)、酒店、寫字樓等，建筑面積約為1.5×105m2，是市內(nèi)重要地標(biāo)性建筑。該建筑外立面由多個(gè)立面單元構(gòu)成，在初步建筑設(shè)計(jì)方案中，建筑立面需保持渾然一體的雕塑感，展現(xiàn)現(xiàn)代化的建筑設(shè)計(jì)理念。建筑幕墻主要材料為無鏡面效果的深褐色玻璃幕墻，可隱藏建筑主體結(jié)構(gòu)，褐色涂抹在雙層玻璃內(nèi)片上，可給人營造出良好的視覺深度。

3 建筑幕墻優(yōu)化設(shè)計(jì)原理

我國現(xiàn)行的技術(shù)規(guī)范以及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中對建筑幕墻有明確定義：建筑幕墻是由面板和支撐結(jié)構(gòu)組成的，具有一定的承載能力、變形能力、適應(yīng)能力，且不分擔(dān)主體結(jié)構(gòu)載荷的裝飾性圍護(hù)結(jié)構(gòu)。根據(jù)我國建筑幕墻發(fā)展的應(yīng)用現(xiàn)狀，可對建筑幕墻的種類進(jìn)行有效劃分：（1）按照面板的材料進(jìn)行分類，如玻璃幕墻、金屬幕墻，玻璃幕墻具體指單片玻璃、中空玻璃、真空玻璃。金屬幕墻主要是指鋁板幕墻、防火板幕墻、不銹鋼板幕墻、彩涂鋼板幕墻、琺瑯板幕墻等。石材幕墻主要是指天然石幕墻、花崗巖幕墻等。除此之外，還有諸多人造板幕墻，如陶瓷板、瓷板、微晶玻璃等。（2）根據(jù)建筑幕墻支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類，有框架支撐幕墻、隱形幕墻、半隱形幕墻等。（3）根據(jù)面板支撐結(jié)構(gòu)分類，有鋼結(jié)構(gòu)支撐幕墻、全玻璃幕墻等。從行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀來看，玻璃材質(zhì)幕墻在我國的應(yīng)用最為廣泛。早在2010年，我國就已經(jīng)具備了獨(dú)立生產(chǎn)大規(guī)格三夾膠夾層玻璃的能力，針對玻璃幕墻，我國科研人員也開展了諸多研究工作。比如，玻璃幕墻應(yīng)力分布研究、中空玻璃支撐點(diǎn)設(shè)置研究以及玻璃最大撓度狀態(tài)研究等。玻璃建筑幕墻的設(shè)計(jì)方法也引起了人們的高度關(guān)注，常規(guī)設(shè)計(jì)規(guī)范不考慮中間層的結(jié)構(gòu)作用以及功能作用。國內(nèi)學(xué)者在近幾年提出，玻璃建筑幕墻的中間層通過設(shè)置離子性中間膜能夠提高玻璃建筑幕墻的結(jié)構(gòu)承載能力，提高建筑的保溫性能以及隔熱性能，彰顯現(xiàn)代建筑建設(shè)環(huán)保、節(jié)能、生態(tài)理念。

建筑幕墻節(jié)能性的表現(xiàn)已經(jīng)成為現(xiàn)代建筑幕墻設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)之一，節(jié)能性建筑幕墻的應(yīng)用也成為現(xiàn)代建筑行業(yè)發(fā)展的新趨勢。常見的建筑玻璃幕墻為Low-E中空建筑玻璃幕墻，設(shè)計(jì)理念先進(jìn)，舒適效果突出的則為雙層玻璃呼吸幕墻。雙層玻璃呼吸幕墻和常規(guī)玻璃幕墻相比，在建筑幕墻中間形成了一個(gè)良好的通風(fēng)換氣通道，根據(jù)結(jié)構(gòu)類型可將雙層玻璃呼吸幕墻分為外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)兩種類型。其中，內(nèi)循環(huán)雙層玻璃呼吸幕墻一般在我國寒冷的北方地區(qū)應(yīng)用，玻璃和外界換氣通過熱通道、通風(fēng)口實(shí)現(xiàn)，玻璃中有熱空氣循環(huán)流動，可保證內(nèi)側(cè)的雙層玻璃呼吸幕墻始終接近室溫，從而營造出一個(gè)舒適的室內(nèi)溫度。外循環(huán)雙層玻璃呼吸幕墻則是在外層玻璃幕墻上下兩端設(shè)置進(jìn)風(fēng)口以及排風(fēng)口，可選擇和熱風(fēng)通道連接，在冬季接受陽光直接照射，熱通道內(nèi)空氣逐步升溫，然后改變雙層玻璃呼吸幕墻中的空氣溫度，達(dá)到降低建筑物采暖運(yùn)行費(fèi)用的目的[2，3]。

相對而言，外循環(huán)雙層玻璃呼吸幕墻比內(nèi)循環(huán)雙層玻璃呼吸幕墻更為環(huán)保，但是外循環(huán)雙層玻璃呼吸幕墻造價(jià)較高，且會受到室外控制質(zhì)量影響，不適合在寒冷的北方地區(qū)使用，且需要定期進(jìn)行維護(hù)，不然外部灰塵等就有可能吸附在外循環(huán)雙層玻璃呼吸幕墻中，進(jìn)而影響其美觀性。針對該商業(yè)綜合體地處市內(nèi)的情況，因市內(nèi)空氣相對較差，對幕墻美觀程度較高，且擬建地冬季較為嚴(yán)寒，經(jīng)過詳細(xì)論證，最終決定采用內(nèi)循環(huán)雙層玻璃呼吸幕墻[4]。

4 建筑幕墻優(yōu)化設(shè)計(jì)及其設(shè)計(jì)效果

該項(xiàng)目在常規(guī)內(nèi)循環(huán)雙層玻璃呼吸幕墻的基礎(chǔ)上對其進(jìn)行單元化設(shè)計(jì)，綜合采用BIM技術(shù)，利用建筑設(shè)計(jì)單位提供的BIM模型，合理劃分建筑幕墻單元。所有幕墻單元均直接進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)以及工廠化的組裝，高標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)可大量節(jié)省施工時(shí)間，有效控制工程建設(shè)周期，具有突出的社會效益以及經(jīng)濟(jì)效益，施工過程中無須在現(xiàn)場采用密封膠組裝。具體而言，單元式內(nèi)循環(huán)雙層玻璃呼吸幕墻表現(xiàn)出以下優(yōu)點(diǎn)：（1）標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)大幅度提高了幕墻單元安裝效率，幕墻施工效率較高，工程工期較短，且幕墻表面平整度良好，裝飾效果突出，單元模塊在BIM技術(shù)輔助下可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)化定位；（2）單元式內(nèi)循環(huán)雙層玻璃呼吸幕墻結(jié)構(gòu)密閉性良好，無須依靠密封膠，僅通過結(jié)構(gòu)本身等壓原理就可實(shí)現(xiàn)有效密封，且氣密性、水密性更加突出；（3）采用三元乙丙橡膠條替代接縫處的密封膠，可避免幕墻單元接縫處出現(xiàn)灰塵大量累計(jì)的現(xiàn)象，可避免幕墻表面受到污染。

工程完工后，經(jīng)過準(zhǔn)確測算，單元式內(nèi)循環(huán)雙層玻璃呼吸幕墻的應(yīng)用效果突出：（1）單元式內(nèi)循環(huán)雙層玻璃呼吸幕墻綜合利用溫室效應(yīng)、煙囪效應(yīng)原理，能夠解決幕墻節(jié)能問題，同時(shí)Low-E玻璃本身的特性也能夠帶來出色的節(jié)能效果；（2）在節(jié)能方面，因內(nèi)循環(huán)雙層玻璃呼吸幕墻換氣層的效果，比一般幕墻節(jié)能約50%；（3）在隔音方面，相較于一般玻璃幕墻，內(nèi)循環(huán)雙層玻璃呼吸幕墻結(jié)構(gòu)密閉性更高，隔音效果更好，能夠?yàn)榻ㄖ镏械娜藗兲峁┮粋€(gè)安靜的室內(nèi)環(huán)境。

建筑幕墻在未來仍舊有著廣闊的發(fā)展空間，該工程采用內(nèi)循環(huán)雙層玻璃呼吸幕墻獲得了較高的節(jié)能效益，節(jié)能效果顯著。目前，國內(nèi)內(nèi)循環(huán)雙層玻璃呼吸幕墻造價(jià)較低，約在3 500元/m2，盡管造價(jià)高于一般的建筑幕墻，但是從行業(yè)發(fā)展趨勢來看，內(nèi)循環(huán)雙層玻璃呼吸幕墻帶來的經(jīng)濟(jì)效益是突出的。

5 結(jié)語

綜上所述，建筑幕墻是建筑結(jié)構(gòu)的重要構(gòu)成部分，建筑幕墻的合理設(shè)計(jì)決定了建筑的節(jié)能性以及建筑工程建設(shè)經(jīng)濟(jì)效益。廣大從業(yè)者應(yīng)深刻認(rèn)識到，建筑幕墻設(shè)計(jì)需充分滿足高層建筑建設(shè)在節(jié)能方面的需求，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，讓建筑幕墻在起到圍護(hù)作用的同時(shí)，表現(xiàn)出良好的節(jié)能效果。