高層建筑玻璃幕墻隱藏式開窗方式研究以鐵四院（光谷）高科創(chuàng)新基地項(xiàng)目為例

殷韻

建筑師對(duì)建筑造型有接近完美的要求，又要著力提高建筑對(duì)于使用者的舒適度，同時(shí)增進(jìn)節(jié)能、減排的效果，才能真正實(shí)現(xiàn)以人為本、綠色環(huán)保的目標(biāo)。

玻璃幕墻是目前高層建筑普遍采用的外觀造型形式，但這種流行方式帶來的問題之一，是外表美觀與開窗納風(fēng)殊難做到較好統(tǒng)一。

本文以鐵四院（光谷）高科創(chuàng)新基地實(shí)際項(xiàng)目為例，通過其外幕墻隱藏式開窗效果設(shè)計(jì)方案三易其稿的過程，闡釋了一種兼顧良好通風(fēng)效果與建筑外觀，同時(shí)能減輕后期使用能耗，節(jié)省運(yùn)營成本的設(shè)計(jì)理念及方法。

一、概述

1.設(shè)計(jì)背景

在現(xiàn)代高層建筑中，外表皮普遍采用玻璃幕墻體系，玻璃幕墻（reflection glass curtainwall）由建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)或裝飾結(jié)構(gòu)組成，它的支承結(jié)構(gòu)體系相對(duì)主體結(jié)構(gòu)有一定位移能力，不分擔(dān)主體結(jié)構(gòu)的荷載作用。玻璃幕墻的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)通常采用雙層中空Low-E玻璃。自20世紀(jì)以來，作為一種新穎美觀的建筑墻體裝飾手法，玻璃幕墻現(xiàn)代主義高層建筑的顯著特征之一。

高層建筑由于室內(nèi)人員密度較大，要求室內(nèi)有充分的自然空氣流動(dòng)，以增強(qiáng)建筑的舒適性。在我國大部分地區(qū)，普遍有開窗加強(qiáng)房間通風(fēng)的習(xí)慣，在較好的室外氣象條件下,開啟外窗通風(fēng)可以獲得熱舒適性和良好的室內(nèi)空氣品質(zhì)。

近年來，建筑師為了追求建筑外立面的視覺效果和極簡的設(shè)計(jì)風(fēng)格，致使一些高層建筑外窗的可開啟率有逐漸下降甚至完全為零的趨勢(shì)。取而代之的，是采用室內(nèi)全新風(fēng)系統(tǒng)，不僅造價(jià)高，不利于節(jié)能，且需定期清潔或更換維護(hù)，一旦系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)不佳或維護(hù)不善，新風(fēng)系統(tǒng)性能降低，將導(dǎo)致房間自然通風(fēng)不足或空氣污染，因此而產(chǎn)生的建筑內(nèi)殘留甲醛等有害氣體彌久不散、甚至室內(nèi)人員因大腦缺氧而暈倒的新聞時(shí)有報(bào)道。

2.規(guī)范要求

現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《民用建筑設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》G B 50352-2019中第7.2.2條規(guī)定：“采用直接自然通風(fēng)的生活、工作的房間的通風(fēng)開口有效面積不應(yīng)小于該房間地板面積的1/20?！边@是民用建筑通風(fēng)開口面積需要滿足的最低規(guī)定。

通過對(duì)我國南方地區(qū)建筑實(shí)測(cè)調(diào)查與計(jì)算機(jī)模擬表明：當(dāng)室外干球溫度不高于28℃，相對(duì)濕度80%以下，室外風(fēng)速在1.5m/s左右時(shí)，如果外窗的有效開啟面積不小于所在房間地面面積的8%，室內(nèi)大部分區(qū)域基本能達(dá)到熱舒適性水平；而當(dāng)室內(nèi)通風(fēng)不暢或關(guān)閉外窗，室內(nèi)干球溫度26℃，相對(duì)濕度80%左右時(shí)，室內(nèi)人員仍然感到有些悶熱。人們?cè)鴮?duì)夏熱冬暖地區(qū)典型城市的氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從5月到10月，室外平均溫度不高于28℃的天數(shù)占每月總天數(shù)，有的地區(qū)高達(dá)60%～70%，最熱月也能達(dá)到10%左右，對(duì)應(yīng)時(shí)間段的室外風(fēng)速大多能達(dá)到1.5m/s左右。所以做好自然通風(fēng)氣流組織設(shè)計(jì)，保證一定的外窗可開啟面積，可以減少房間空調(diào)設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間，節(jié)約能源，提高舒適性。

《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB 50189-2015中第3.2.8條規(guī)定：甲類公共建筑外窗(包括透光幕墻)應(yīng)設(shè)可開啟窗扇，其有效通風(fēng)換氣面積不宜小于所在房間外墻面積的10%；當(dāng)透光幕墻受條件限制無法設(shè)置可開啟窗扇時(shí)，應(yīng)設(shè)置通風(fēng)換氣裝置。

《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》GB-T50378-2014中第8.2.10條規(guī)定：公共建筑根據(jù)在過渡季節(jié)典型工況下主要房間平均自然通風(fēng)換氣次數(shù)不小于2次/h的面積比例，最高評(píng)分可得13分；《綠色建筑設(shè)計(jì)與工程驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)DB42/T1319-2017》中第7.4.11條規(guī)定：公共建筑主要功能空間平均自然通風(fēng)換氣次數(shù)不小于2次/h的面積宜大于60%，該項(xiàng)目為優(yōu)選項(xiàng)。

3.設(shè)計(jì)思路和目的

高層建筑的玻璃幕墻開啟扇，普遍采用上懸扇，根據(jù)《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》JGJ102的要求，上懸窗開啟扇的角度不宜大于30°，開啟間距不宜大于300mm。計(jì)算有效通風(fēng)換氣面積時(shí)，外開上懸窗的有效面積僅為窗洞面積的19%～67%，實(shí)際使用中通風(fēng)量常不能滿足使用要求。

另一方面，上懸窗凸出于建筑外立面開啟，并處于隨機(jī)無序的開啟狀態(tài)，造成高層建筑的外立面顯得較為凌亂，與建筑師的初衷相去甚遠(yuǎn)。

本文以鐵四院（光谷）高科創(chuàng)新基地實(shí)際項(xiàng)目為例，分析其外幕墻三種隱藏式開窗效果設(shè)計(jì)方案推演的過程，闡述三種隱藏式開窗幕墻方案的形式及其優(yōu)缺點(diǎn)。

二、設(shè)計(jì)方案研究

鐵四院（光谷）高科創(chuàng)新基地是鐵四院位于武漢光谷中心城的第二個(gè)辦公基地。建筑總規(guī)模13萬方，其中地上8萬方，地下5萬方。包含A、B兩棟建筑，分別為23層和19層，高度分別為99.0m和75.6m。塔樓部分建筑功能包括辦公、健身、公寓，裙房部分建筑功能包括商業(yè)、眾創(chuàng)辦公、影院、報(bào)告廳，是一個(gè)大型商務(wù)辦公綜合體。

本項(xiàng)目基地位于武漢光谷五路和高新大道的交叉口，地理位置顯著，為城市次級(jí)地標(biāo)。一高一低兩棟塔樓采用黑白、虛實(shí)相對(duì)比，由錯(cuò)落有致的矩形體塊堆疊而成，外立面以垂直線條為元素。

1.方案一：利用外立面凸窗側(cè)面開窗

本方案設(shè)想通過設(shè)置呈凸凹形態(tài)的玻璃幕墻豎向立柱，在立柱側(cè)面開窗的方式，將可開啟窗扇隱藏在建筑陰角中，以達(dá)到建筑主立面的整齊劃一。

具體方式是在平面上做800mm寬，凸出玻璃幕墻主體表面450mm深的單元體，每個(gè)單元體間距為1300mm，通過體塊外側(cè)的黑、白兩色中空背漆玻璃來實(shí)現(xiàn)跳色效果。單元體的側(cè)面設(shè)置內(nèi)開窗扇，外罩3mm厚穿孔鋁板，起到遮擋開啟后窗扇洞口的作用。

然而單元體側(cè)面除去幕墻龍骨、窗框的厚度后，可開啟窗扇寬度僅為230mm，高度有2m，窗戶高寬比略顯狹窄，且當(dāng)人視角位于建筑側(cè)面時(shí)，會(huì)感受到三種不同的材質(zhì)變化，削弱了設(shè)計(jì)之初對(duì)建筑體塊輕盈的構(gòu)想，在視覺效果上稍顯雜亂，故未采用該方式。

2.方案二：外飾穿孔鋁板后方開窗

隨后為簡化設(shè)計(jì)，方案二取消了凹凸單元體的造型，收齊玻璃幕墻外表面，外立面僅采用玻璃與穿孔鋁板兩種材質(zhì)，在穿孔鋁板后方設(shè)置內(nèi)開窗，以達(dá)到隱藏式開窗的目的。

具體方式是在800mm寬的黑/白色穿孔鋁板后方設(shè)置等寬的內(nèi)平開窗，窗戶位置稍稍內(nèi)凹，穿孔鋁板之間設(shè)置1300mm寬的玻璃，維持了原方案的豎向線條造型比例關(guān)系。為了強(qiáng)調(diào)建筑外立面的挺拔感，穿孔鋁板的兩側(cè)安裝40mm寬白色鋁合金線條收邊。

本方案的窗扇朝室內(nèi)方向開啟，不會(huì)影響外立面造型，但缺點(diǎn)是會(huì)擠占室內(nèi)使用空間。鋁板上開孔的直徑和間距可以根據(jù)建筑效果調(diào)整，建議其直徑不宜小于2mm，以利于新鮮空氣的進(jìn)入。

室內(nèi)平開窗的材質(zhì)可采用鋁板或玻璃，且須保證其保溫性能，不致成為外幕墻系統(tǒng)的保溫薄弱環(huán)節(jié)。

鑒于目前武漢大氣污染指數(shù)較高，采用穿孔鋁板作為建筑外飾面后，易形成灰塵積攢在孔隙中不宜清理，該方案最終棄用。

3.方案三：外部懸掛造型遮擋可開啟外窗

此為本項(xiàng)目最后采用的設(shè)計(jì)方案。本方案通過在玻璃幕墻的外側(cè)，懸掛黑、白兩色的鋁合金豎向懸片，來實(shí)現(xiàn)隱蔽窗扇、保持外觀整齊美觀的目的。

立面上的鋁合金豎向懸片，固定于從主體層間幕墻主龍骨上挑出的橫向連接件上，可開啟窗就隱藏在這些懸片后方，窗扇可以實(shí)現(xiàn)下懸和平開兩種模式，均不會(huì)擠占室內(nèi)使用空間，且能避免外立面觀感上的雜亂無章。

豎向懸片距離主體玻璃外表皮300mm。外側(cè)每個(gè)懸片的寬度為800mm，安裝間距為1300mm，維持了原方案的豎向線條造型比例關(guān)系；內(nèi)側(cè)窗戶寬度為600mm，特意設(shè)置得比懸片寬度窄，可遮擋窗扇兩側(cè)豎龍骨，立面更簡潔。

白色懸片為3mm厚鋁型材，黑色懸片為鋁型材外包3mm厚灰色鋁板。內(nèi)開內(nèi)倒窗的玻璃采用與幕墻玻璃相同材質(zhì)的6LOW-E+12A+6mm厚中空鋼化超白玻璃，窗戶高度為1.2m。

室內(nèi)效果上為全玻璃幕墻形式，無凹凸變化，視覺效果上更整齊，并且便于室內(nèi)空間靈活使用。

三 、成果運(yùn)用效果及評(píng)估

如上所述，鐵四院（光谷）高科創(chuàng)新基地項(xiàng)目幕墻的每次深化設(shè)計(jì)，都是在保證原方案效果不變的前提下完成，著眼點(diǎn)都是利用不同材質(zhì)、豎向裝飾構(gòu)件或凸凹造型變化，達(dá)到隱藏式開窗的目的，最大程度地保證了建筑立面的簡潔。

經(jīng)過計(jì)算，塔樓的主要功能房間換氣次數(shù)大于2次/h的面積比例分別為84.70%和79.18%，根據(jù)《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》GB-T50378-2014中第8.2.10條規(guī)定，該項(xiàng)得分為最高13分。

高層建筑玻璃幕墻隱藏式開窗的方式多種多樣，以上只是在鐵四院（光谷）高科創(chuàng)新基地項(xiàng)目設(shè)計(jì)過程中，深化和推演的幾種形式。本項(xiàng)目最終采取的是外部懸掛造型遮擋可開啟外窗的方式，使立面更簡潔，開窗方式更靈活。本文謹(jǐn)以拋磚引玉，實(shí)際運(yùn)用時(shí)設(shè)計(jì)師可以本文闡述的原理為基礎(chǔ)，根據(jù)項(xiàng)目的具體情況進(jìn)行推敲，演化出更多隱藏式開窗的方式，達(dá)到經(jīng)濟(jì)與美觀兼并有之的目的。