建筑幕墻中空玻璃光學(xué)變形問題分析

唐佳峰

（北京北辰會展投資有限公司，北京 100000）

0 引言

建筑幕墻經(jīng)過40 多年的發(fā)展，近20 年來建筑幕墻被普遍應(yīng)用于辦公建筑、綜合體建筑、高端住宅等。越來越多的建筑立面幕墻采用玻璃作為主要立面裝飾材料，而中空玻璃其優(yōu)異的保溫、隔熱、節(jié)能性能，是目前應(yīng)用最為廣泛的建筑玻璃，以便達(dá)到建設(shè)項目的低耗、高效、經(jīng)濟、環(huán)保的目的。幕墻玻璃作為建筑的“衣服”，其外觀質(zhì)量效果對整個幕墻工程的影響是且至關(guān)重要的。尤其對高層建筑、超高層建筑，更是影響重大。中空玻璃的反射影像變形現(xiàn)象是玻璃幕墻的常見問題，一直是一個難以克服的頑疾，幾乎每塊幕墻玻璃都存在或多或少反射影像的扭曲變形。因此，如何讓建筑的“外衣”更加靚麗，中空玻璃的影像變形更小，在整體幕墻工程中的品質(zhì)控制就變得尤為重要。本文針對建筑幕墻中空玻璃使用的全過程對反射影像變形的影響因素進(jìn)行分析，提出控制方法及解決方案[1]。

1 建筑玻璃幕墻中空玻璃光學(xué)變形問題概述

1.1 建筑玻璃幕墻

由支承結(jié)構(gòu)體系和面板組成的、相對主結(jié)構(gòu)有一定位移或變形能力、不分擔(dān)主體結(jié)構(gòu)作用力的建筑外圍護結(jié)構(gòu)或裝飾性結(jié)構(gòu)。而其主要面板材料采用玻璃的外圍護結(jié)構(gòu)稱為建筑玻璃幕墻[2]。

1.2 中空玻璃

中空玻璃是一般為兩層或多層單片玻璃組成，四周采用高強度的、密封性優(yōu)異的復(fù)合黏結(jié)材料，將兩層或多層玻璃與內(nèi)含干燥劑的框架粘接、密封。內(nèi)部腔體充入氣體形成有干燥氣體空間中間層的復(fù)合玻璃。

1.3 中空玻璃反射光學(xué)變形問題

國內(nèi)建筑物因安全要求幕墻玻璃多采用鋼化或半鋼化中空玻璃，它是由2 片或多片鋼化、鍍膜、彩釉、夾層等玻璃加工合片而成。中空玻璃由于其加工方式、使用環(huán)境溫度和氣壓、安裝方式等因素的影響，存在一定程度的反射影像失真現(xiàn)象，嚴(yán)重時甚至無法辨識反射物體的形狀，對建筑物的整體立面效果影響很大。另外，如果中空玻璃變形過大，前后片玻璃貼合，還可能導(dǎo)致中空玻璃貼合位置形成冷橋，喪失節(jié)能性能[3]。

2 建筑幕墻中空玻璃反射光學(xué)變形的影響因素

2.1 中空玻璃生產(chǎn)加工

（1）單片浮法玻璃平整度因素。浮法玻璃生產(chǎn)的成型過程是在通入保護氣體的錫槽中完成的。熔融玻璃從池窯中連續(xù)流入并漂浮在相對密度較大的錫液表面上，在液體表面張力的作用下，熔融的玻璃液在錫液上面展開、攤平、形成上下表面平整、硬化，冷卻后被引上過渡輥臺。輥臺的輥子轉(zhuǎn)動，把玻璃帶拉出錫槽進(jìn)入退火窯，經(jīng)退火、切裁，就得到浮法玻璃產(chǎn)品[4]。

依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《平板玻璃》（GB 11614—2009），浮法玻璃從外觀質(zhì)量上可分為合格品、一等品和優(yōu)等品，要求光學(xué)變形對應(yīng)的入射角為50°、60°、70°。目前國外的高等級浮法玻璃其光學(xué)變形的入射角已經(jīng)達(dá)到了70°，因此，浮法玻璃的外觀質(zhì)量可以選用高等級產(chǎn)品，以改善玻璃的影像失真影響。

（2）單片鋼化或半鋼化玻璃平整度因素。中空玻璃大多情況下內(nèi)、外片會選用鋼化或半鋼化玻璃，單片玻璃在鋼化加工的過程中，玻璃會急速升溫和冷卻，因此會造成玻璃彎曲、輥道印痕等局部微小平面變形的缺陷。

采用此種加工工藝組合成的中空玻璃，必然會出現(xiàn)玻璃物理平面變形與反射影像的光學(xué)扭曲。同時，如果不同彎曲方向的單片或多片玻璃進(jìn)行中空合片，還會增加成品合成玻璃產(chǎn)生自爆破損的風(fēng)險。

中空玻璃當(dāng)選用單片鋼化玻璃時，應(yīng)注意選用內(nèi)、外片玻璃厚度差值不大于5mm 的單片鋼化玻璃，且內(nèi)外片玻璃的彎曲方向盡量一致。單片玻璃越厚，在鋼化處理過程中，玻璃表面平整度越好，彎曲現(xiàn)象越不明顯[5]。

另外，單片鋼化玻璃的平整度也是中空玻璃合片前的重要控制因素。依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑用安全玻璃第2 部分：鋼化玻璃》（GB 15763.2—2005）對玻璃本身的光學(xué)影像變形并未有說明，但在玻璃平整度方面明確要求，弓形變形不超過0.3%，波形變形不超過0.2%。

（3）中空玻璃合片工藝因素。中空玻璃合片封膠工藝分為臥式合片和立式合片。臥式合片是把玻璃水平放置進(jìn)行封膠，由于玻璃自重的原因中心區(qū)會局部下?lián)希斐芍锌涨豢臻g變薄，封膠后中空腔氣體會形成負(fù)壓，從而引起玻璃表面向內(nèi)凹陷，玻璃的面積越大，玻璃向內(nèi)凹陷的程度也越大。

解決中空玻璃向內(nèi)凹陷的另一種工藝為立式打膠法。在玻璃片的檢查、流轉(zhuǎn)、清洗、烘干、支撐框安裝、合片等各工序均采用立式流水線工藝，由于整個合片過程玻璃片始終處于豎直狀態(tài)避免了由于玻璃平放自重而造成的局部中心區(qū)域下?lián)希虼?，立式合片加工工藝所生產(chǎn)的中空玻璃平整度要優(yōu)于水平放置合片的中空玻璃。

2.2 中空玻璃安裝施工

除單元體玻璃幕墻系統(tǒng)外，其余幕墻系統(tǒng)形式多為框架構(gòu)造，桿件及面板均是在施工現(xiàn)場逐一構(gòu)件安裝，因此施工過程的控制也會影響玻璃的反射成像效果。依據(jù)《建筑玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》（JGJ 102—2013）隱框玻璃板塊的安裝允許偏差控制在2.5mm 以下，但實際上有些工程現(xiàn)場沒有很好的依據(jù)要求進(jìn)行安裝，特別是玻璃板塊的直線度、玻璃幕墻整體的平面度以及相鄰面板的接縫高低差，當(dāng)安裝偏差超出控制要求值時，玻璃幕墻整體反射的影像出現(xiàn)不連續(xù)的情況。同時，玻璃安裝的壓塊、壓條支撐塊、支撐托片等構(gòu)件的安裝，也會導(dǎo)致玻璃邊部受力不均勻，中空玻璃局部產(chǎn)生形變，局部玻璃失真明顯。

2.3 建筑物所處物理環(huán)境

（1）室外風(fēng)荷載。建筑物在建造過程中、后續(xù)完成及實際使用中必然會受到自然界的風(fēng)荷載作用。依據(jù)《建筑玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》（JGJ 102—2013），風(fēng)荷載作用下幕墻玻璃撓度限制為1/60 的短邊長度。例如，寬度為1500mm 的單塊幕墻玻璃，允許的撓度變形不超過25mm。此時，計算玻璃的強度滿足要求即可。但玻璃幕墻在實際使用環(huán)境中，外部的自然風(fēng)作用即使按40%考慮，1500mm 寬的玻璃撓曲變形也有近10mm。變形量已遠(yuǎn)超玻璃本身允許彎曲的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。因此，幕墻玻璃在風(fēng)荷載的作用下，玻璃會向內(nèi)或外彎曲，形成凹凸曲面，進(jìn)而反射影像產(chǎn)生變形。

（2）中空玻璃生產(chǎn)地與使用地大氣壓力差。由于中空玻璃的中空腔屬于全密閉狀態(tài)，腔體內(nèi)的氣體與加工地的環(huán)境溫度和氣壓相同。所以當(dāng)中空玻璃安裝完成后所處物理環(huán)境中大氣壓力發(fā)生變化時，也會產(chǎn)生彎曲變形。例如，中空玻璃的生產(chǎn)地與使用地海拔高度超過500m 以上時，在某種程度上就可以引起中空玻璃的凹凸變形。如果中空玻璃的產(chǎn)地海拔高于使用地，中空玻璃在安裝后會發(fā)生向內(nèi)凹陷，如果產(chǎn)地的海拔低于使用地，會造成中空玻璃的外凸現(xiàn)象。

（3）中空玻璃合片溫度與使用地環(huán)境溫度差。中空玻璃特殊的密閉中空腔構(gòu)造，其腔體內(nèi)的氣體也受環(huán)境溫度的影響。根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程PV=nRT 的原理，當(dāng)加工地與使用地的溫度不同時，或者季節(jié)不同引起溫度變化時，中空玻璃中空腔內(nèi)的氣體會發(fā)生熱脹冷縮，中空玻璃腔與使用環(huán)境形成壓強差。在壓力差的作用下，中空玻璃的內(nèi)外片發(fā)生變形以適應(yīng)中空腔內(nèi)氣體的體積變化，形成一種外凸或內(nèi)凹的狀態(tài)，導(dǎo)致反射物體影像發(fā)生變形。

一般來說，中空玻璃尺寸越大、玻璃基片越薄，相同溫差下的凹凸變形程度越大；當(dāng)使用環(huán)境溫度與中空玻璃合片的溫差越小時，凹凸變化的幅度越小。

2.4 觀測因素

玻璃與觀測者的距離、玻璃與被觀測物的距離不同，也會導(dǎo)致觀測到的影像效果有所不同。觀察距離越遠(yuǎn)，反射失真越嚴(yán)重。玻璃距觀測物越遠(yuǎn)，變形也越嚴(yán)重。

同時，觀測角度的大小也對觀感影響很大。如果正面觀察玻璃，一般變形較小或不明顯，但當(dāng)觀察角度變大時，光學(xué)變形失真越來越明顯。

3 中空玻璃反射變形問題的控制方法

3.1 優(yōu)化建筑設(shè)計方案

（1）建筑立面及園林方案協(xié)同考慮。在建筑外立面設(shè)計時，首要重點考慮到人流密集位置視距范圍內(nèi)的玻璃幕墻，可優(yōu)先選用明框或半隱框的幕墻形式，增加外立面可視的裝飾線條，形成玻璃分格避免大面積的全玻璃幕墻反射面。

此外，可以采用優(yōu)化建筑物四周的園林設(shè)計方案，即玻璃幕墻四周增加高大綠植進(jìn)行光學(xué)遮擋，避免對建筑物附近行人形成視覺污染。

但上述設(shè)計方案的優(yōu)化并未在實質(zhì)上改變中空玻璃反射光學(xué)變形的形成。

（2）幕墻玻璃分格尺寸。中空玻璃的尺寸越大，玻璃的加工、鋼化、合片等工藝因素的變形影響越明顯。同時，玻璃分格越大，荷載下?lián)隙茸冃卧矫黠@。因此，滿足建筑方案效果的前提下，合理選擇玻璃分格尺寸是控制玻璃影響失真的基礎(chǔ)因素。

3.2 優(yōu)化幕墻設(shè)計方案

（1）中空玻璃配置優(yōu)化。玻璃幕墻中空玻璃分為內(nèi)片玻璃和外片玻璃，而形成反射光學(xué)影像變形主要由室外片玻璃產(chǎn)生的，減小外片玻璃的撓度變形才是核心要素。依據(jù)《建筑玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》（JGJ 102—2013），在風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下，玻璃撓度值df與剛度D 成反比，與撓度系數(shù)μ（與玻璃短邊與長邊邊長之比a/b 有關(guān)）成正比，而玻璃的剛度又與玻璃的厚度成正比。因此，同樣尺寸的單片玻璃越厚，即剛度越大，因而在外界荷載的作用下?lián)隙茸冃我苍叫?，從而玻璃的反射變形也越小?/p>

除了外片玻璃厚度因素外，還應(yīng)該考慮內(nèi)、外片玻璃的剛度關(guān)系，盡量采用外片剛度稍大一些、內(nèi)片玻璃剛度稍小的中空玻璃配置，中空玻璃內(nèi)外雙片在外部荷載的作用下，兩片玻璃協(xié)同受力變形，室內(nèi)片玻璃剛度小，因此負(fù)擔(dān)中空玻璃的整體變形較大，從而減小外部荷載對室外片玻璃的撓度變形影響。

（2）幕墻系統(tǒng)構(gòu)造做法優(yōu)化。可采用全明框幕墻或半明框幕墻系統(tǒng)，增加玻璃幕墻系統(tǒng)立柱、橫梁構(gòu)造對玻璃四邊變形的限制，避免單點或多點對玻璃產(chǎn)生集中力，從而減少玻璃局部變形。

（3）中空玻璃構(gòu)造做法優(yōu)化。改變中空玻璃中空腔完全封閉的構(gòu)造形式，采用可自動調(diào)壓的中空玻璃。這種玻璃能夠根據(jù)外界環(huán)境溫度或大氣壓力的變化，中空腔內(nèi)的壓力可以自動調(diào)節(jié)，始終與外部環(huán)境壓力保持平衡。依據(jù)自動調(diào)壓式玻璃的構(gòu)造原理可分為氣囊調(diào)壓式中空玻璃和自呼吸式中空玻璃兩種。氣囊調(diào)壓式中空玻璃是將中空玻璃內(nèi)的封閉氣體通過導(dǎo)管與柔性氣囊相連，柔性氣囊處于外界大氣中，通過氣囊的伸縮進(jìn)行內(nèi)外壓差調(diào)節(jié)，該裝置因中間層氣體處于密閉的空間中未聯(lián)通大氣環(huán)境，因此，不需要設(shè)置特殊的干燥過濾裝置。自呼吸式中空玻璃是通過毛細(xì)管將中空玻璃腔內(nèi)封閉氣體與外部環(huán)境連通，通過中空腔內(nèi)外之間的氣體交換實現(xiàn)壓力平衡。由于中空腔氣體與外部環(huán)境聯(lián)通，需在通道中設(shè)置有干燥過濾層。

自動調(diào)壓式中空玻璃能隨外界環(huán)境的變化調(diào)節(jié)中間層氣體壓力，使之與外界壓力保持一致，減小了因壓力差帶來的附加應(yīng)力，即減小了撓度變形導(dǎo)致的玻璃反射影像變形。但另一方面，自動調(diào)壓式中空玻璃因中間氣體層直接或間接地與外界氣體相通，中空層失去了傳力作用，所受外力主要由外片玻璃承擔(dān)，中空玻璃無法實現(xiàn)應(yīng)力傳導(dǎo)，因此承載能力明顯降低，同等風(fēng)荷載作用下，需要增加自動調(diào)壓式中空玻璃的單片玻璃厚度。

3.3 控制幕墻玻璃的生產(chǎn)加工過程

在玻璃半鋼化或鋼化的生產(chǎn)加工過程中，自身的平整度直接影響著外觀效果，核心因素是選用高品質(zhì)的半鋼化或鋼化產(chǎn)品。因此，選用先進(jìn)的加工設(shè)備、加工工藝和檢驗設(shè)備，調(diào)整玻璃鋼化過程中加熱的均勻性，可明顯提高鋼化玻璃的平整度。

3.4 控制幕墻玻璃的安裝施工過程

選用具有相應(yīng)專業(yè)素質(zhì)的施工隊伍，在安裝玻璃的過程中，需進(jìn)行嚴(yán)格的測量放線，反復(fù)核對現(xiàn)場條件，逐道工序按規(guī)范進(jìn)行安裝、驗收，減少相關(guān)的誤差累積，避免玻璃邊部受力不均，可有效減小中空玻璃的影像變形。

4 結(jié)語

在建筑玻璃幕墻的實際工程中，這類中空玻璃的光學(xué)反射變形是不可避免的。但是可以通過合理、有效的手段或措施減小光學(xué)反射變形的影響，例如進(jìn)行合理的方案設(shè)計，選用合適的板塊分格，阻隔玻璃幕墻光學(xué)反射線路；進(jìn)行幕墻設(shè)計優(yōu)化，選擇合適的幕墻系統(tǒng)構(gòu)造，采用合理的抗風(fēng)壓玻璃厚度及內(nèi)外片玻璃剛度比，或特殊構(gòu)造中空玻璃等；嚴(yán)格控制玻璃的加工質(zhì)量，嚴(yán)把玻璃幕墻安裝的工藝過程安裝。通過以上措施，有效、經(jīng)濟、合理地減少幕墻中空玻璃的光學(xué)畸變，將光學(xué)變形降低至可以接受的范圍內(nèi)，以達(dá)到建筑玻璃幕墻的美學(xué)要求。