本文摘自：《建筑幕墻創(chuàng)新與發(fā)展》未經(jīng)許可不得轉(zhuǎn)載
隨著我國經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，國民的節(jié)能環(huán)保意識也在不斷加強(qiáng)，社會對建筑物的節(jié)能性能也提出了更高的要求。綠色建筑、新能源技術(shù)等開始大量應(yīng)用到國內(nèi)新建筑項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、建設(shè)當(dāng)中，其節(jié)能指標(biāo)對比既有建筑也大幅度提高。特別是最新的《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50189-2015)和《綠色建筑評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》(GBT 50378-2014)的頒布，對今后綠色建筑的發(fā)展和技術(shù)升級提出更高的要求。由此，一系列的問題亟待解決：諸如應(yīng)如何利用可再生資源、使設(shè)計(jì)節(jié)能環(huán)保、令產(chǎn)品在使用中節(jié)約能源等新要求。玻璃幕墻作為現(xiàn)代建筑的重要標(biāo)志、外圍護(hù)的重要結(jié)構(gòu)，其技術(shù)發(fā)展也理應(yīng)滿足以上需求。符合綠色節(jié)能指標(biāo)要求的幕墻產(chǎn)品將注定成為市場的新寵和今后幕墻技術(shù)和市場發(fā)展的風(fēng)向標(biāo)。本文以下章節(jié)將對多功能綠色集成幕墻系統(tǒng)中的技術(shù)重點(diǎn)及研發(fā)過程進(jìn)行介紹。
1 研發(fā)目標(biāo)
從建筑幕墻節(jié)能設(shè)計(jì)及熱工分析角度來看，玻璃幕墻通常處于建筑物熱交換、熱傳導(dǎo)最活躍的部位。針對于幕墻節(jié)能減排的新產(chǎn)品、新措施近年來不斷涌現(xiàn)。諸如隔熱斷橋鋁材、中空鍍膜玻璃、雙層幕墻結(jié)構(gòu)、室內(nèi)外遮陽設(shè)計(jì)、減少開啟扇設(shè)置等先進(jìn)的材料或技術(shù)方法，均大力促進(jìn)了幕墻節(jié)能技術(shù)的發(fā)展。然而，上述產(chǎn)品要想實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)及廣泛使用，均存在一定的局限性問題，如雙層幕墻雖然節(jié)能效果出眾，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜且造價(jià)昂貴，還侵占建筑室內(nèi)空間。室內(nèi)遮陽保溫隔熱效率較低，而室外遮陽如不能與建筑物及其外圍護(hù)結(jié)構(gòu)形成一體化設(shè)計(jì)，不僅會大大影響外觀效果，還可能會加速室內(nèi)外的熱交換，此外國內(nèi)現(xiàn)有的遮陽產(chǎn)品功能過于單一，節(jié)能效率不明顯。普通玻璃幕墻減少開啟扇雖然會使得幕墻整體熱工效果提高，但容易會造成樓內(nèi)空間的整體“密封”，如果空調(diào)通風(fēng)設(shè)施運(yùn)行不好，就會產(chǎn)生室內(nèi)空間的新風(fēng)量不足，空氣質(zhì)量差;而反之設(shè)置過多的開啟扇，雖然保證了自然通風(fēng)，但在某些特殊情況如高層或超高層建筑上，則容易造成安全隱患。經(jīng)我司綜合考慮，我們選擇以目前高層建筑所應(yīng)用的主流技術(shù)——單元式幕墻為主體，同時增加橫向光伏遮陽、豎向可滑動遮陽、電動通風(fēng)裝置等獨(dú)立功能模塊的設(shè)計(jì)，研發(fā)出一套性能優(yōu)良、整體性強(qiáng)，同時集成多種功能的綠色單元幕墻產(chǎn)品(如圖1所示)，并試圖形成標(biāo)準(zhǔn)化的模塊設(shè)計(jì)，以滿足國內(nèi)外有綠色建筑認(rèn)證、LEED認(rèn)證及相關(guān)高效節(jié)能需求的高端幕墻工程項(xiàng)目。
圖1金剛GM100多功能綠色幕墻單元效果圖
2 原理與結(jié)構(gòu)
2.1幕墻功能模塊構(gòu)成
該幕墻系統(tǒng)分為4個主要功能組件模塊，如圖2從左至右依次包括：橫向光伏遮陽板模塊、豎向電動遮陽格柵（詞條“格柵”由行業(yè)大百科提供）模塊、單元式幕墻模塊、電動通風(fēng)裝置模塊。除單元式幕墻核心模塊外，其它組件均可按需添置。
圖2 多功能綠色集成幕墻各主要模塊拆分效果圖
2.2單元式幕墻系統(tǒng)模塊
本系統(tǒng)的核心幕墻模塊以金剛幕墻UC100系列標(biāo)準(zhǔn)化單元幕墻系統(tǒng)(如圖3所示)為基礎(chǔ)而研發(fā)，經(jīng)過眾多工程考驗(yàn)，完全滿足國內(nèi)實(shí)際工程使用。在保溫隔熱方面靈活采用注膠、穿條（詞條“穿條”由行業(yè)大百科提供）、隔熱墊、多空腔膠條、雙層中空LOW-E鍍膜玻璃等技術(shù)確保良好的熱工性能。在結(jié)構(gòu)方面采用閉腔型材保證更好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，并配合我司成熟的標(biāo)準(zhǔn)化系統(tǒng)及配件使用，通用性大大增加，且無需額外試驗(yàn)檢測費(fèi)用，可使項(xiàng)目成本大為降低。
圖3 UC100單元幕墻系統(tǒng)十字縫節(jié)點(diǎn)效果
圖4 UC100單元幕墻系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)密封性設(shè)計(jì)示意圖
2.3豎向電動遮陽格柵模塊
豎向電動遮陽格柵(圖5)可裝配不同的豎向遮陽線條，也可以根據(jù)用戶的喜好或地區(qū)的日照不同而更換不同材質(zhì)或不同形狀，加上可水平滑移活動特性，能滿足不同應(yīng)用場景的需求。大大提高了在日照強(qiáng)烈地區(qū)使用的遮陽性能，減少炎熱季節(jié)用于建筑空調(diào)制冷能源消耗。
圖5 遮陽格柵模塊示意圖
2.4電動通風(fēng)裝置模塊
幕墻板塊內(nèi)設(shè)有通風(fēng)裝置，其上通風(fēng)器（詞條“通風(fēng)器”由行業(yè)大百科提供）靠近樓層地面，而下通風(fēng)器(如圖6)則設(shè)置于樓層結(jié)構(gòu)梁底。通風(fēng)器可與機(jī)械抽風(fēng)或排風(fēng)裝置相連接并配合使用。需要通風(fēng)時上下通風(fēng)器同時打開，與上通風(fēng)器配合的抽風(fēng)機(jī)從室外向室內(nèi)吸入新鮮空氣，而下通風(fēng)器部位則與排風(fēng)機(jī)配合負(fù)責(zé)將室內(nèi)的廢氣排出(見圖7通風(fēng)模式一);以此達(dá)到組織室內(nèi)氣流有序循環(huán)的目的。而室內(nèi)外的空氣由于氣壓差、熱壓差的效應(yīng)，也會使得室內(nèi)外空氣單向流動，此時可僅使用單向抽風(fēng)或排風(fēng)機(jī)械，并配合采用幕墻板塊間交錯通風(fēng)的方法(見圖7通風(fēng)模式二)，
從而根據(jù)季節(jié)及氣候需要，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外的自然通風(fēng)及空氣循環(huán)（詞條“空氣循環(huán)”由行業(yè)大百科提供）。
圖6 UC100單元幕墻系統(tǒng)通風(fēng)器圖解
圖7 多功能綠色集成幕墻通風(fēng)方式示意圖
2.4電動通風(fēng)裝置模塊
橫向光伏遮陽板模塊包含光伏玻璃組件，可在遮陽的同時通過光能發(fā)電并儲存于蓄電池組，又或者通過控制系統(tǒng)將光伏電能并入電網(wǎng)。光伏電能可分別供給豎向電動滑移遮陽裝置中遮陽葉片或格柵桿件（詞條“桿件”由行業(yè)大百科提供）的左右移動和通風(fēng)裝置使用。通過標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，橫向遮陽板連接件（詞條“連接件”由行業(yè)大百科提供）利用一個轉(zhuǎn)換裝置在不需要修改幕墻系統(tǒng)模具的情況下實(shí)現(xiàn)通用化的配件連接固定，易損部件如光伏玻璃組件等可以很方便地拆裝維修。光伏玻璃背面可采用穿孔蓋板設(shè)計(jì)，既有利于排水又可幫助光伏組件（詞條“光伏組件”由行業(yè)大百科提供）散熱。
圖8 橫向光伏遮陽板效果圖
3關(guān)鍵設(shè)計(jì)指標(biāo)與系統(tǒng)分析
3.1玻璃面板計(jì)算分析
3.2單元插接橫梁計(jì)算分析
地震影響橫梁選用6063-T5鋁型材，幕墻橫梁為雙向受彎構(gòu)件，在平面外承受由面材傳來的風(fēng)荷載、地震作用等其他荷載（詞條“荷載”由行業(yè)大百科提供），并根據(jù)面材的寬高比確定橫梁的負(fù)荷范圍(三角形荷載、梯形荷載或者均布荷載);在平面內(nèi)承受由面材傳來的集中荷載及型材本身的自重。上分格高度為1500mm，下分格高度為1500mm，橫梁計(jì)算跨度2000mm。
根據(jù)此前玻璃荷載取值情況，得到水平風(fēng)荷載和地震作用組合設(shè)計(jì)值為COMB1==5.53kPa。
由以上計(jì)算分析結(jié)果，我們再綜合可得作用在橫梁母料上的最大組合應(yīng)力為 11
3.3單元插接立柱計(jì)算分析
幕墻單元立柱選取單跨懸挑梁的計(jì)算模型,幕墻橫向計(jì)算分格寬度按最大B=1500mm，跨長3900mm，懸挑位置約350mm。
由于幕墻的荷載由橫梁和立柱承擔(dān)。玻璃面板將受到的水平方向的荷載，按45度角分別傳遞到橫梁和立柱上，玻璃與立柱之間采用結(jié)構(gòu)膠及入槽方式固定，兩者以鉸接的形式相連，所以此不考慮立柱的扭轉(zhuǎn)，橫梁又將承受的荷載傳遞給立柱，所以立柱承受荷載簡化為均部線荷載，最后由立柱將所有荷載通過埋件傳遞到主體結(jié)構(gòu)（詞條“主體結(jié)構(gòu)”由行業(yè)大百科提供）上。
由上文的設(shè)計(jì)荷載及計(jì)算結(jié)果，我們設(shè)計(jì)的立柱強(qiáng)度計(jì)算模型如下圖9所示。
圖9 單元立柱強(qiáng)度計(jì)算模型示意
立柱撓度計(jì)算模型如圖10所示：
圖10 單元立柱撓度計(jì)算模型示意
立柱最大撓度為16.73mm<3850/180=20mm，立柱撓度滿足設(shè)計(jì)要求。
2.6單元幕墻熱工分析
本系統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)可以用于中國夏熱冬冷地區(qū)、夏熱冬暖地區(qū)及大部分寒冷地區(qū)。產(chǎn)品熱工性能計(jì)算邊界條件如表1所示。
表1 熱工性能計(jì)算邊界條件
產(chǎn)品熱工設(shè)計(jì)的主要參考標(biāo)準(zhǔn)為《建筑門窗玻璃幕墻熱工計(jì)算規(guī)程》 JGJ/T 151-2008和《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50176-1993，所采用計(jì)算軟件為《粵建科®MQMC建筑幕墻門窗熱工性能計(jì)算軟件》2010正式版。
為簡化計(jì)算，我們采用了如圖11所示的東向玻璃幕墻幅面，不含及附加光伏及豎向遮陽模塊，并將層間百葉換成中空LOW-E玻璃，以計(jì)算其單元玻璃幕墻模塊的熱工性能。
圖11 單元幕墻熱工性能計(jì)算幅面設(shè)計(jì)
計(jì)算可得幕墻幅面熱工計(jì)算結(jié)果匯總表如表2。
表2 幕墻幅面熱工計(jì)算結(jié)果
幕墻主要立柱及橫梁熱工分析計(jì)算所得溫度場如圖12所示。
圖12 單元幕墻龍骨溫度場圖
由以上分析可得，本幕墻系統(tǒng)完全可以滿足中國夏熱冬冷地區(qū)、夏熱冬暖地區(qū)及部分寒冷地區(qū)的使用要求。
3.4產(chǎn)品日照分析
在本產(chǎn)品的研發(fā)設(shè)計(jì)中，我司選用了Ecotect軟件對若干個幕墻單元計(jì)算模型樣板進(jìn)行了模擬日照試驗(yàn)分析。計(jì)算模型選取了6m×6m的房間，層高3.9m，凈高3.75m，樓板邊梁300mm×700 mm;幕墻單元幅面尺寸為1500 mm×3900 mm，層間不透明部分分格為1500 mm×1350 mm，透明部分采用雙層中空LOW-E玻璃，產(chǎn)品設(shè)置有橫向和縱向固定遮陽設(shè)施。模型朝向?yàn)檎戏健１敬螌?shí)驗(yàn)分別對建筑物，對北京、上海、廣州三個城市的采光（詞條“采光”由行業(yè)大百科提供）率、光照強(qiáng)度、遮擋率、可視度等指標(biāo)進(jìn)行了模擬分析。計(jì)算參數(shù)設(shè)定則根據(jù)《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB50033-2013)，試驗(yàn)內(nèi)容包括：
產(chǎn)品采光和照明分析。
產(chǎn)品空間可視度分析。
產(chǎn)品日照遮擋率分析。
將模型的室內(nèi)地面相對800mm標(biāo)高（詞條“標(biāo)高”由行業(yè)大百科提供）位置的平面作為日照分析參考平面，1400mm標(biāo)高位置的平面作為可視性分析參考平面;采用幕墻玻璃外表面作為產(chǎn)品的日照遮擋率分析參考平面，對以上進(jìn)行網(wǎng)格劃分。
試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪疽鈭D如圖13所示。
圖13產(chǎn)品日照分析試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/STRONG>
分析結(jié)果如圖14、15、16所示。
圖14 模型室內(nèi)采光率分析結(jié)果
圖15 模型室內(nèi)可視性分析結(jié)果
圖16 模型幕墻產(chǎn)品日照遮擋率分析結(jié)果
試驗(yàn)結(jié)果表明，在搭載了含橫向和豎向遮陽模塊之后，單元幕墻系統(tǒng)的遮陽效果提升顯著，可大大降低夏季室內(nèi)空調(diào)使用能耗，但采光率則有所影響。以上海地區(qū)為例，室內(nèi)照度全年均值為174.45lux;在房間進(jìn)深超過約2.0m的地方其照度低于300lux。日照采光率全年均值為3.49%;在房間進(jìn)深超過約3.5m的地方其采光率低于3%。，則需要設(shè)置人造光源。夏季時，在其遮陽模塊可活動的情況下，其采光率及室內(nèi)照度可進(jìn)一步提升，而室內(nèi)輻射得熱將進(jìn)一步下降，由此建筑物可得到顯著的節(jié)能效果。
而在室內(nèi)可視性方面，6m(開間)×6m(進(jìn)深)的房間，除了靠近幕墻的房間邊緣及角落部位的極小面積處于不可視狀態(tài)，絕大部分處于可視狀態(tài)，如果再考慮到遮陽裝置的可活動因素，完全可以達(dá)到LEED認(rèn)證要求的90%以上室內(nèi)可視面積。
最后，在幕墻日照遮擋率分析中，其節(jié)能效果最為顯著，達(dá)到35%。由此可見，合理的幕墻遮陽設(shè)計(jì)，可大幅度改善建筑的能耗情況。特別是搭載了一體化設(shè)計(jì)的可活動遮陽模塊的幕墻產(chǎn)品，在不降低幕墻整體熱工性能的情況下，夏季能更好減少建筑的太陽輻射得熱，而冬季可調(diào)節(jié)其遮陽模塊至合適的位置，以便更有利于增加室內(nèi)的采光和減少取暖能耗。
4 實(shí)現(xiàn)綠色幕墻模塊化設(shè)計(jì)的展望
通過本項(xiàng)目的研發(fā)可以看到，現(xiàn)有的技術(shù)條件已經(jīng)完全可以實(shí)現(xiàn)多功能綠色集成幕墻系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)，同時，借助于先進(jìn)的計(jì)算分析軟件，也能夠?qū)δ粔ο到y(tǒng)產(chǎn)品在復(fù)雜物理環(huán)境下進(jìn)行仿真分析。
由于該系統(tǒng)各功能組件全都針對降低能源消耗設(shè)計(jì)開發(fā)，能最大程度的減少建筑物的熱損失，并降低建筑能耗。系統(tǒng)模塊化的設(shè)計(jì)理念也可隨不同用戶需求組合出不同解決方案，不必為了增減某一項(xiàng)功能而重新設(shè)計(jì)定制，大大節(jié)省了設(shè)計(jì)成本、生產(chǎn)成本和時間成本。同時，采用一體化設(shè)計(jì)的遮陽、通風(fēng)功能模塊可顯著降低建筑物的能源消耗、減少污染排放。此外，光伏遮陽板還可為幕墻系統(tǒng)自身甚至建筑物提供額外的電能補(bǔ)給。本項(xiàng)目所研發(fā)的系統(tǒng)產(chǎn)品及配套技術(shù)已被我司注冊為相關(guān)技術(shù)專利。
綜上所述，采用模塊化設(shè)計(jì)的綠色幕墻產(chǎn)品符合國家節(jié)能減排政策，同時能夠促進(jìn)產(chǎn)業(yè)升級和技術(shù)發(fā)展，其先進(jìn)的模塊化、集成化設(shè)計(jì)理念及配套產(chǎn)品在今后的幕墻技術(shù)及市場發(fā)展中完全大有可為。
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