幕墻中空玻璃影像變形影響因素及改善措施

李亞娟 趙紅英

（天津耀皮工程玻璃有限公司 天津 300402）

0 引言

隨著中國城市化持續(xù)快速發(fā)展，超高層建筑正不斷的刷新著城市的天際線，幕墻工程從設計理念、施工難度等多方面也在不斷的創(chuàng)造著奇跡，這一趨勢在近十年尤為顯著［1］。為了保證建筑良好的保溫隔熱性能，應用于幕墻上的玻璃必須為節(jié)能玻璃，中空玻璃作為一種優(yōu)異的節(jié)能玻璃品種，是目前應用最廣泛的節(jié)能玻璃，也被號稱為“今天的玻璃”［2］。幕墻玻璃作為建筑的“外衣”，其美觀效果對整個工程外觀效果的影響是顯而易見、且至關重要的，尤其對于各地知名地標建筑，更是影響重大、意義深遠。而中空玻璃影像變形現(xiàn)象是幕墻建筑的普遍現(xiàn)象，直接影響著幕墻的“外衣”美觀程度。因此，如何給玻璃幕墻穿上靚麗的“外衣”，是我們一直關注的熱點問題。本文分析了影響中空玻璃影像變形的因素，使大家對中空玻璃影像變形有更準確的認識，并給出了相應改善措施，有助于進一步改善幕墻玻璃影像變形現(xiàn)象。

1 中空玻璃影像變形影響因素

由于幕墻玻璃并不是完全均勻平整的，玻璃的不完全平整最終導致了景物的影像扭曲變形。這種光學變形現(xiàn)象普遍存在于我們的日常生活中。

影響中空玻璃影像變形的因素有很多，除了鋼化玻璃自身的不平整外，環(huán)境溫度、氣壓變化、風荷載、設計、安裝等因素也會導致中空玻璃影像變形；同時，玻璃反射率、觀測距離、觀測角度、周圍物體等因素也會影響觀測效果。

1.1 鋼化/半鋼化玻璃本身的固有的平整度

鋼化/半鋼化玻璃在制作過程中，由制作工藝導致的玻璃不平整。主要表現(xiàn)為鋼化/半鋼化玻璃的整體弓形和局部波形，這種現(xiàn)象是鋼化/半鋼化玻璃的固有特性，它是由鋼化工藝本身引起的，雖然很輕微，但確實會產(chǎn)生肉眼可辨的影像變形。在當今技術條件下，即使采用最先進的設備進行最嚴格的工藝控制，影像變形也是不可避免的。玻璃平整度越差，其影像變形越嚴重，只能盡量嚴格控制熱處理玻璃本身的平整度。

圖1 熱處理玻璃本身固有的平整度引起的影像變形

1.2 環(huán)境溫度和氣壓的變化

中空玻璃是一個密閉的系統(tǒng)，根據(jù)克拉佩龍方程：pV＝nRT，式中：p為壓強（Pa），V為氣體體積（m3），T為溫度（K），n為氣體的物質(zhì)的量（mol），R為摩爾氣體常數(shù)（也叫普適氣體恒量）（J/（mol·K））。當溫度變化時，其體積及壓力都會變化，作用于玻璃表面，就會引起玻璃的膨脹或收縮變形。當外界溫度高于玻璃加工溫度時，中空腔內(nèi)氣體溫度隨之升高，發(fā)生膨脹，中空玻璃便發(fā)生外凸變形；當外界溫度低于玻璃加工溫度時，中空腔內(nèi)氣體溫度隨之降低，發(fā)生收縮，中空玻璃便發(fā)生內(nèi)凹變形。同理，當外界氣壓發(fā)生變化時，會引起中空玻璃內(nèi)外氣壓的不平衡，這種不平衡即會對玻璃產(chǎn)生一向內(nèi)或向外的力，進而造成玻璃的撓曲變形。若中空玻璃腔體內(nèi)氣壓低于外部大氣壓，中空玻璃就會出現(xiàn)收縮變形；若中空玻璃腔體內(nèi)氣壓高于外部大氣壓，中空玻璃就會出現(xiàn)膨脹變形。因此，便會產(chǎn)生中空玻璃反射影像變形現(xiàn)象。

1.2.1 環(huán)境溫度的變化

玻璃在使用過程中，加工地與項目所在地可能會存在溫差，溫度也會隨四季變化，甚至每天的早晨到夜晚溫度都在時刻發(fā)生變化（日照下玻璃表面溫度可達60 ℃），這都會引起中空玻璃的影像變形。以“6 mm玻璃＋13.4 mm空氣層＋6 mm玻璃”中空玻璃為例，當溫差為50 ℃時，將會產(chǎn)生一個2.5 mm的外凸或內(nèi)凹撓曲變形?？諝鈱雍穸纫矔绊懫鋼锨冃?，對于“ 6 mm玻璃＋18 mm空氣層＋6 mm玻璃”配置而言，同樣的溫差（50℃），其撓曲變形值將達3.4 mm。空氣層厚度越大，同等條件下，撓度變形越大。溫度一年四季時刻發(fā)生著變化，中空腔內(nèi)的空氣隨之熱脹冷縮導致中空玻璃影像變形，這是一種自然現(xiàn)象無法規(guī)避，但可以通過優(yōu)化玻璃配置來改善。

1.2.2 環(huán)境大氣壓的變化

一般情況下，如果中空玻璃生產(chǎn)和安裝的兩地之間所處緯度以及海拔接近，那么中空玻璃空氣層內(nèi)的壓強與外部的大氣壓基本是相同的。但是，當中空玻璃在低海拔地區(qū)制作，而玻璃使用地在高海拔地區(qū)時，海拔高度不同，大氣壓力也不會相同。大氣壓與海拔高度的關系見表1。

表1 海拔高度和大氣壓強關系

從表1中可以看出，海拔高度每升高1000 mm，相對大氣壓力大約下降12%。當中空玻璃生產(chǎn)地和安裝地海拔高度相差較大時，其大氣壓也相差較大，受中空玻璃內(nèi)外壓差的影響，中空玻璃的兩片玻璃會向外撓曲（鼓肚子），玻璃也會產(chǎn)生視覺變形。如果壓差過大，大到超過玻璃自身的強度的話，中空玻璃就可能出現(xiàn)炸裂和中空玻璃的結(jié)構(gòu)膠斷裂等問題，從而導致中空玻璃的密封過早失效。

1.3 風荷載

在風荷載作用下，一個密閉的玻璃單元很容易產(chǎn)生一個2 mm甚至更大的形變。玻璃越薄，風荷載作用下?lián)锨冃卧酱蟆Ｄ壳?，國?nèi)在進行玻璃厚度計算時，按在風荷載標準值作用下，四邊支撐玻璃的最大撓度不大于其短邊邊長的1/60進行計算［3］，實際上國際上一般按1/90～1/120來進行核算，這種算法導致國內(nèi)選用玻璃偏薄。

1.4 支撐塊和安裝因素

玻璃安裝的夾具、支撐塊、定位塊、壓條等部件，都有可能導致玻璃邊部受力不均，進而產(chǎn)生玻璃局部變形，對玻璃反射變形產(chǎn)生影響。

1.5 玻璃反射率

反射率高的玻璃比反射率低的玻璃對光學影像變形影響大。反射率越高，影像變形越容易被觀察到。

1.6 觀測距離

玻璃距觀測者的距離與玻璃距被觀測者距離的不同，會使觀測到的視覺效果不同。觀察距離越遠，反射失真越明顯。同時，玻璃距被觀測者越遠，變形也越明顯。

1.7 觀測角度

如果正面觀察玻璃，一般不會看到變形，但當觀察角變得更大時，光學變形失真越來越明顯，如圖2、圖3所示。同一物體，分別從E、D、F三個不同觀測角度，觀測到的反射失真影像如圖4所示。

圖2 正面觀測

圖3 大角度觀測

圖4 同一物體，分別從E、D、F三個不同觀測角度，觀測到的反射失真影像

1.8 周圍物體

線性物體（如建筑幕墻和電線桿）和移動物體（如汽車）會產(chǎn)生變形。不規(guī)則和無固定形狀的物體（如樹或者云）則幾乎看不出變形。

2 中空玻璃影像變形改善措施

2.1 改善鋼化玻璃自身平整度

鋼化/半鋼化玻璃自身平整度直接影響著整個建筑的外觀平整度效果，選用高品質(zhì)的鋼化/半鋼化玻璃是改善中空玻璃影像變形的基礎。采用先進的加工設備、加工工藝和檢驗設備，經(jīng)驗豐富和穩(wěn)定的專業(yè)工藝技術隊伍，及嚴格的質(zhì)量控制，通過進一步改善加熱的均勻性，降低玻璃出爐溫度，減少玻璃中間和邊部的溫度差異，適當抬高風柵風嘴的高度等措施進一步改善加熱和冷卻的均勻性，可有效改善鋼化玻璃平整度。

2.2 安裝毛細管

對于玻璃生產(chǎn)地和安裝地海拔高度相差較大導致的影像變形，通?？赏ㄟ^在中空玻璃的密封邊部安裝毛細管來解決。毛細管的作用是不斷調(diào)節(jié)隨著海拔高度的變化引起的中空玻璃空氣層內(nèi)的壓強和外部的環(huán)境大氣壓之間的差，平衡內(nèi)外壓差，使之達到動態(tài)均衡，進而解決壓差的問題。毛細管管徑一般≤0.5 mm。毛細管安裝完畢后，需要依次用丁基膠和結(jié)構(gòu)膠密封好，在生產(chǎn)地毛細管處于打開狀態(tài)，在玻璃運抵使用地后，待玻璃內(nèi)部壓強和外部氣壓平衡后，必須盡快對中空玻璃毛細管進行密封操作。

毛細管如無密封處理或密封不當，中空腔內(nèi)與外部環(huán)境連通，空腔內(nèi)氣體會與外界氣體發(fā)生流動交換，中空玻璃內(nèi)外環(huán)境中水分子濃度的差別是水分子擴散運動的根本動力，外界水氣分子濃度較大，會擴散進入中空腔內(nèi)，中空玻璃間隔條內(nèi)的分子篩能吸附進入中空腔內(nèi)的水氣分子，但當分子篩吸附達到飽和后，就不能再吸附進入的水氣。當此玻璃安裝在建筑物上時，外部溫度下降，玻璃表面溫度也會下降，當溫度低于中空玻璃內(nèi)水氣分子的露點時，水氣就會產(chǎn)生冷凝，即中空玻璃會出現(xiàn)結(jié)露，最終導致中空玻璃失效。

2.2 優(yōu)化玻璃設計

在前期設計時，合理優(yōu)化玻璃配置可改善中空玻璃影像變形，如在玻璃厚度、中空腔體、尺寸方面應考慮以下因素：

2.2.1 增加室外片玻璃厚度

由于風荷載和環(huán)境溫度變化引起的中空玻璃影像變形不可避免，那可以通過增加玻璃厚度，增加玻璃剛性的措施，來減小撓度變形。為節(jié)約成本，可以僅增加室外片玻璃厚度，使室外片厚度大于室內(nèi)片，這樣在外力作用下，撓度變形主要集中在室內(nèi)較薄的那片玻璃上，可以有效改善中空玻璃整體影像變形。

2.2.2 控制玻璃尺寸

對于鋼化/半鋼化玻璃，當玻璃高邊和寬邊均大于800 mm，且比例接近1時，熱處理時波形難以控制，會出現(xiàn)比較大的變形，建議玻璃的長寬比應大于1.5∶1，小于4∶1。且玻璃尺寸越大，撓度變形越大，所以應盡量避免使用超大玻璃尺寸。

2.2.3 中空腔體

空氣層厚度越大，同等條件下，撓度變形越大，在滿足節(jié)能計算等的情況下，使用中空腔薄的玻璃，可減小撓曲變形。

撓曲變形的程度既取決于玻璃的剛度和尺寸，也取決于中空腔體的厚度。當中空玻璃尺寸小、中空腔薄、單片玻璃厚度大時，撓曲變形可以明顯減?。?］。

2.3 嚴格控制安裝精度

嚴格控制玻璃的安裝，優(yōu)化安裝工藝、嚴控安裝過程、減少安裝誤差，避免玻璃邊部受力不均，可有效改善中空玻璃邊部局部影像變形。

2.4 周圍環(huán)境

玻璃的選擇，還應綜合考慮建筑的周圍環(huán)境，高反射率的玻璃固然看起來更美觀、更有質(zhì)感，尤其是超高層建筑，很多選用高反射率的鍍膜玻璃。但如果周圍有比較高的線性物體時，選擇反射率低的玻璃，會使玻璃影像變形不那么凸顯。

3 結(jié)語

中空玻璃影像變形是中空玻璃的固有現(xiàn)象，隨著溫度和氣壓的變化，中空玻璃影像變形程度也隨之變化，如果影像一成不變，說明中空玻璃已密封失效。中空玻璃影像變形既和玻璃本身平整度有關，也受外界環(huán)境、設計、安裝的影響，同時也和觀測距離、角度及周圍環(huán)境有關。這是一個復雜的系統(tǒng)問題，并非單單玻璃加工的問題。通過改善鋼化玻璃自身的平整度、優(yōu)化玻璃設計、嚴格控制安裝精度，及綜合考慮使用環(huán)境因素進行加裝毛細管、選用合適反射率的鍍膜玻璃等一系列措施，可有效改善中空玻璃影像變形現(xiàn)象。