超高層建筑玻璃幕墻熱工性能優(yōu)化與選型

高大煜 陳旭東 山東省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司

1 前言

玻璃幕墻是最近幾年應(yīng)用較為廣泛的一種建筑形式，主要是指由內(nèi)部支撐體系以及主體結(jié)構(gòu)所組成的，具有抵御位移能力、承壓能力的圍護(hù)結(jié)構(gòu)以及裝飾結(jié)構(gòu)[1]。與傳統(tǒng)的建筑墻體相對(duì)比，玻璃幕墻的美觀性能相對(duì)更強(qiáng)，類型也是多種多樣，主要可以劃定為以下兩種：單層玻璃和雙層玻璃。不同的建筑情況需要搭配對(duì)應(yīng)的玻璃幕墻，這實(shí)際上也是現(xiàn)代化高層建筑時(shí)代特征的一種體現(xiàn)[2]。通常情況下，部分高層建筑都會(huì)選用雙層玻璃幕墻來完成搭建，在構(gòu)造與氣流形式上進(jìn)行具體的劃定和規(guī)劃，采用外側(cè)閉口的形式，確保室內(nèi)空氣的循環(huán)。

超高層建筑玻璃幕墻的建設(shè)通常是采用熱工藝處理來實(shí)現(xiàn)，這種形式的應(yīng)用范圍較為廣泛，規(guī)模較大，所涉及的內(nèi)部結(jié)構(gòu)也更加多樣化，經(jīng)過多年的發(fā)展，也取得較好的應(yīng)用效果[3]。但是目前階段，隨著我國科技的發(fā)展以及建筑技術(shù)的不斷創(chuàng)新，原本的熱工藝雖然可以達(dá)到預(yù)期的建筑目標(biāo)，但是在實(shí)際應(yīng)用的過程中，仍然存在一定的缺陷和問題，對(duì)于玻璃幕墻最終的建筑效果產(chǎn)生消極影響[4]。因此，本文對(duì)超高層建筑玻璃幕墻熱工性能進(jìn)行優(yōu)化與選型。根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用需求，結(jié)合所構(gòu)建的內(nèi)部熱工藝，處理架構(gòu)自然通風(fēng)、低成本、高效果的玻璃幕墻，在推動(dòng)相關(guān)行業(yè)發(fā)展的同時(shí)，也進(jìn)一步加快了熱工藝的發(fā)展速度與效率。

2 超高層建筑玻璃幕墻選型

玻璃幕墻的選型對(duì)于后續(xù)的施工是十分重要的一項(xiàng)工作，通常情況下，會(huì)根據(jù)不同的建筑類型以及高度層級(jí)來挑選對(duì)應(yīng)型號(hào)的玻璃，以特定的格式搭配，實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)的處理效果，具體如圖1所示。

圖1 玻璃幕墻搭配效果圖示

根據(jù)圖1 可以了解選型搭配后的玻璃幕墻組裝建設(shè)效果。玻璃幕墻的選型一般需要從建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)、色彩、內(nèi)部造型、承接截面以及工藝處理控制等方面考慮[5]。首先是圍繞圍護(hù)結(jié)構(gòu)的玻璃幕墻選型，這部分主要考慮堅(jiān)固性，一般會(huì)選擇雙層的隱框玻璃幕墻，在確保整體安全性的同時(shí)，還可以擴(kuò)大圍護(hù)吸光面積[6]。超高層建筑對(duì)于色彩以及內(nèi)部造型的搭配一般更為注重，通常會(huì)選擇框架支撐玻璃幕墻、單元式幕墻單元式幕墻以及點(diǎn)支撐玻璃幕墻實(shí)現(xiàn)施工建筑，在一定程度上可以提升建筑的整體美感[7]。對(duì)于承接截面以及工藝處理這一類多變因素，一般會(huì)選擇使用全玻璃幕墻建筑，可以在原本的基礎(chǔ)之上，實(shí)現(xiàn)空間的觀感擴(kuò)展，給人以更加舒適的視覺感受，為后續(xù)的施工以及熱工藝技術(shù)的優(yōu)化奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

3 玻璃幕墻熱工性能優(yōu)化

3.1 性能參數(shù)獲取及雙層通風(fēng)熱處理構(gòu)造設(shè)計(jì)

在對(duì)玻璃幕墻熱工性能優(yōu)化之前，需要先獲取相關(guān)性能參數(shù)及雙層通風(fēng)構(gòu)造設(shè)計(jì)。結(jié)合實(shí)際的建筑需求以及標(biāo)準(zhǔn)，可以預(yù)設(shè)基礎(chǔ)的性能參數(shù)，如表1所示。

表1 玻璃幕墻性能參數(shù)預(yù)設(shè)表

根據(jù)表1可以完成對(duì)玻璃幕墻性能參數(shù)的預(yù)設(shè)。完成之后，結(jié)合上述數(shù)據(jù)信息，進(jìn)行玻璃幕墻雙層通風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要先確定玻璃幕墻自身的數(shù)據(jù)，設(shè)定傳熱系數(shù)1.400W/（m2·K），自身遮陽系數(shù)0.300，玻璃結(jié)構(gòu)為8mmLow-E+12Ar+8mm。。

根據(jù)選擇的型號(hào)，設(shè)定雙層的熱處理架構(gòu)，這部分需要注意的是，本層級(jí)熱處理架構(gòu)的建立與下設(shè)層級(jí)的熱處理架構(gòu)必須保持一致，這樣才能進(jìn)一步確保最終內(nèi)部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定與可靠，避免出現(xiàn)中心梁體坍塌、斷裂問題的發(fā)生。同時(shí)，每一個(gè)層級(jí)中需要設(shè)定一個(gè)熱處理節(jié)點(diǎn)，以此為后續(xù)的施工提供更為精準(zhǔn)的處理位置。

3.2 挑空樓板構(gòu)造及外窗熱工處理

在完成對(duì)性能參數(shù)獲取及雙層通風(fēng)熱處理構(gòu)造的設(shè)計(jì)之后，結(jié)合施工需求，進(jìn)行挑空樓板構(gòu)造及外窗熱工處理。所謂挑空樓板，一般是通過熱工藝處理作為玻璃幕墻的承壓截面，可以采用相關(guān)設(shè)備，將挑空樓板裁至與玻璃幕墻同面積狀態(tài)，在玻璃幕墻外側(cè)貼近安裝，同時(shí)，依據(jù)雙層玻璃的特性，在外界風(fēng)壓以及雙層幕墻的雙重作用之下，可以保證室內(nèi)的空氣循環(huán)流動(dòng)，確保幕墻內(nèi)的空氣流速為0.4m/s～1.25m/s之間即可。具體構(gòu)造如圖2所示。

圖2 挑空樓板與玻璃幕墻結(jié)構(gòu)圖示

根據(jù)圖2 可以完成對(duì)挑空樓板與玻璃幕墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，并繼續(xù)進(jìn)行外窗熱工處理。玻璃幕墻可以多個(gè)截面方向進(jìn)行施工，在墻體附近設(shè)定遮陽設(shè)施，加強(qiáng)對(duì)玻璃幕墻自身溫度的控制，同時(shí)，設(shè)定具體的溫度控制標(biāo)準(zhǔn)，將溫度與室內(nèi)熱度控制在合理范圍之內(nèi)，最終完成對(duì)挑空樓板構(gòu)造及外窗熱工的處理。

3.3 幕墻氣密性處理實(shí)現(xiàn)熱工性能優(yōu)化

在完成對(duì)挑空樓板構(gòu)造及外窗熱工的處理之后，需要加強(qiáng)幕墻氣密性的處理以優(yōu)化熱工性能。此部分需要先計(jì)算非中空窗氣密面積比，具體如公式1所示：

公式1中：B表示非中空窗氣密面積比，V表示氣密系數(shù)，O表示綜合氣密差值，通過上述計(jì)算，最終可以得出實(shí)際的非中空窗氣密面積比。結(jié)合得出的數(shù)值，在玻璃幕墻上劃定具體的氣密流通范圍，利用熱工藝處理墻體的通風(fēng)層級(jí)，擴(kuò)大玻璃層級(jí)中的空間，確?？諝膺M(jìn)一步流通，加強(qiáng)室內(nèi)整體的空氣流動(dòng)性能，一定程度上也增加了建筑的氣密效果，最終完成對(duì)熱工性能優(yōu)化以及超高建筑玻璃幕墻的處理。

4 實(shí)驗(yàn)分析

本次主要是對(duì)玻璃幕墻熱工性能優(yōu)化以及選型的實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行測定與分析?？紤]到實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果的穩(wěn)定性與可靠性，會(huì)在相同環(huán)境之下展開測定與實(shí)驗(yàn)分析。以比照的方式驗(yàn)證優(yōu)化前和優(yōu)化后的結(jié)果，最終得出更為精準(zhǔn)的結(jié)果。

4.1 高層建筑工程玻璃幕墻建設(shè)現(xiàn)狀

山東濟(jì)南某超高層建筑工程，是一個(gè)超高建筑玻璃幕墻建設(shè)工程，結(jié)合實(shí)際的建筑需求，設(shè)定原玻璃幕墻的構(gòu)造為“5mm+9A+5mm+9A+5mmLow-E”型號(hào)的中空玻璃鋁合金，同時(shí)經(jīng)過測算，可以得知此時(shí)的傳熱系數(shù)為2.000W/（m2·K），而當(dāng)玻璃幕墻安裝完成之后，自身的遮陽系數(shù)是0.400。山東濟(jì)南某超高層建筑的玻璃幕墻在建設(shè)初期，雖然獲得了一定的建設(shè)成果，但是隨著層級(jí)的增加，部分缺陷和問題逐漸暴露出來。

首先是由于熱工藝處理不當(dāng)，導(dǎo)致建筑底層的承接界限能力不夠，導(dǎo)致玻璃幕墻的外墻結(jié)構(gòu)不平穩(wěn)，存在坍塌或者斷裂安全隱患。

其次是熱工藝控制程度不高，再加上采暖隔墻的構(gòu)造不一，使得部分玻璃幕墻自身溫度極難控制，有的甚至?xí)a(chǎn)生極大的溫度差，這對(duì)于室內(nèi)溫度的把控也造成了一定的消極影響。在實(shí)際建設(shè)的過程中，上述問題對(duì)于玻璃幕墻的建筑以及熱工藝的使用均產(chǎn)生極大的影響，造成現(xiàn)如今較為糟糕的建筑現(xiàn)狀。

4.2 高層建筑工程玻璃幕墻熱工藝優(yōu)化實(shí)驗(yàn)分析

根據(jù)上述對(duì)山東濟(jì)南某超高層建筑工程現(xiàn)狀的分析與研究，結(jié)合實(shí)際的建筑需求，再加上對(duì)熱工藝的優(yōu)化，進(jìn)行更為具體的測試與驗(yàn)證。首先，在原有基礎(chǔ)之上，先對(duì)玻璃進(jìn)行選型，由于是超高層建筑，所以一般會(huì)選擇雙層玻璃幕墻，隨后，進(jìn)行玻璃傳熱系數(shù)的計(jì)算，具體如公式2所示：

公式2 中：K表示玻璃傳熱系數(shù)，h表示末端壓差，d表示綜合傳熱系數(shù)。通過上述計(jì)算，最終可以得出實(shí)際的玻璃傳熱系數(shù)。隨后，再在此基礎(chǔ)之上，計(jì)算對(duì)應(yīng)的遮陽系數(shù)，如公式3所示：

公式3中：T表示玻璃幕墻遮陽系數(shù)，w表示太陽能得熱系數(shù)，k表示太陽能總透射比。通過上述計(jì)算，最終可以得出實(shí)際的玻璃幕墻遮陽系數(shù)。根據(jù)得出的陽度，對(duì)玻璃幕墻進(jìn)行熱工藝立柱處理，這部分主要是對(duì)橫梁以及建筑前側(cè)進(jìn)行構(gòu)建，根據(jù)得出的傳熱系數(shù)以及遮陽系數(shù)，進(jìn)行玻璃幕墻的分化安裝。同時(shí)，搭配不同種類的玻璃組裝結(jié)露截面，經(jīng)過專業(yè)測量儀器的核定，計(jì)算出玻璃幕墻的陽光總透射比，具體如公式4所示：

公式4中：U表示陽光總透射比，R表示輻射吸收系數(shù)，J表示透光面積，a表示隔熱面積。通過上述計(jì)算，最終可以得出實(shí)際的陽光總透射比。在不同的建筑區(qū)域進(jìn)行多次測試，最終得出具體的結(jié)果，如表2所示。

根據(jù)表2可以完成對(duì)實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果的驗(yàn)證：經(jīng)過對(duì)熱工藝技術(shù)的優(yōu)化，對(duì)于不同的測定區(qū)域，最終得出的總透射比均相對(duì)較小，表明對(duì)于玻璃幕墻的熱透光處理效果具有較強(qiáng)的效果，實(shí)際價(jià)值較高。

表2 測試結(jié)果比照分析表

5 結(jié)束語

綜上所述，本文分析與研究超高層建筑玻璃幕墻熱工性能優(yōu)化與選型。與傳統(tǒng)的熱工藝技術(shù)相對(duì)比，優(yōu)化后的建筑處理技術(shù)相對(duì)更加靈活，內(nèi)部結(jié)構(gòu)的承壓效果更加穩(wěn)定，雙層玻璃幕墻的熱關(guān)聯(lián)處理，在一定程度上也擴(kuò)大了建筑的可持續(xù)性和可靠性，以及熱工藝的建筑處理潛能。合理的選型有利于提升玻璃幕墻整體應(yīng)用效果，不僅可以避免外部因素對(duì)其的影響，而且還能夠降低建筑能耗，形成一種更為多變的幕墻建筑模式，給未來建筑行業(yè)的發(fā)展奠定更為堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)條件。