1 前言
被動(dòng)式超低能耗建筑在中國(guó)的健康發(fā)展，逐步由過去的示范項(xiàng)目普及開來。被動(dòng)式超低能耗建筑的風(fēng)格魅力得到了廣泛的認(rèn)可，在政府各級(jí)部門的大力支持下，被動(dòng)式建筑的應(yīng)用范圍越來越廣泛，由過去的住宅項(xiàng)目逐步向全面發(fā)展，公建、民建、廠房、場(chǎng)館等都有被動(dòng)式超低能耗建筑在建設(shè)或者籌備，被動(dòng)式超低能耗建筑得到了蓬勃發(fā)展。
透明部分外圍護(hù)結(jié)構(gòu)是應(yīng)用在被動(dòng)式超低能耗建筑中的最主要的部件之一，為了適應(yīng)不同類型建筑的發(fā)展，逐步由單一的門窗系統(tǒng)向幕墻發(fā)展，同時(shí)支撐材料也由塑料、木材包打天下的局面，向多元化方向發(fā)展。
鋁合金幕墻系統(tǒng)經(jīng)過30多年的驗(yàn)證，以它獨(dú)特的魅力得到廣泛認(rèn)可?？墒怯玫奖粍?dòng)式超低能耗建筑中，因?yàn)殇X合金是熱的良導(dǎo)體而備受質(zhì)疑。本文通過充分論證，模擬及數(shù)據(jù)計(jì)算，來說明鋁合金玻璃幕墻作為被動(dòng)式超低能耗玻璃幕墻不但可行，而且還能做得很好。
2 目前被動(dòng)房用鋁合金玻璃幕墻現(xiàn)狀
目前市場(chǎng)上超低能耗玻璃幕墻大部分為框架結(jié)構(gòu)形式，有兩種體現(xiàn)形式：
（1）幕墻框架加長(zhǎng)隔熱條，玻璃采用符合被動(dòng)式建筑要求的中空玻璃或真空中空玻璃，開啟扇采用被動(dòng)窗或普通的斷橋窗。這種形式一般是幕墻廠家做法，不懂被動(dòng)式幕墻做法。
圖1 傳統(tǒng)幕墻
（2）系統(tǒng)窗的做法應(yīng)用到超低能耗幕墻中，將系統(tǒng)門窗材料摞起來當(dāng)幕墻用，這種做法是在走90年代幕墻剛進(jìn)入中國(guó)的老路，結(jié)構(gòu)體系等一系列問題經(jīng)不起推敲，暴露出來很多問題。
圖2 超低能耗幕墻
這兩種形式的幕墻結(jié)構(gòu)都有一個(gè)共同的特點(diǎn)，就是過于注重幕墻傳熱系數(shù)K值的影響，而忽略被動(dòng)式建筑的其它要求，所以不能稱之為被動(dòng)式超低能耗鋁合金玻璃幕墻。
3 被動(dòng)式超低能耗鋁合金玻璃幕墻所具備的條件
做為一款優(yōu)質(zhì)的被動(dòng)式超低能耗鋁合金玻璃幕墻，需要具備很多特質(zhì)。首先，被動(dòng)式超低能耗鋁合金玻璃幕墻是被動(dòng)式超低能耗建筑最重要的部件之一，需要滿足被動(dòng)房的需求。其次，要滿足玻璃幕墻相關(guān)的規(guī)定，結(jié)構(gòu)計(jì)算、有限元模擬、材料應(yīng)用、安裝工藝等必須滿足相應(yīng)的規(guī)范要求。
3.1 玻璃幕墻在被動(dòng)式超低能耗建筑中的重要性
被動(dòng)式超低能耗建筑設(shè)計(jì)的五要素：高保溫的外墻，性能優(yōu)異的透明部分（門窗和幕墻），高效熱回收新風(fēng)系統(tǒng)，氣密性，無熱橋設(shè)計(jì)。這五大要素，均與玻璃幕墻有直接或間接的關(guān)系。
圖3 設(shè)計(jì)五要素
(1)幕墻安裝與門窗不同，幕墻的安裝點(diǎn)熱橋會(huì)非常大，因?yàn)槟粔Φ陌惭b點(diǎn)一般都會(huì)在保溫層中，會(huì)對(duì)保溫層造成比較大的影響，所以不能不重視。需要將點(diǎn)熱橋影響程度計(jì)算出來，提供給能量平衡計(jì)算。將點(diǎn)熱橋控制在影響最小、結(jié)構(gòu)受力滿足要求的可控范圍內(nèi)。這是幕墻對(duì)保溫層的影響。
(2)玻璃幕墻的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，會(huì)直接影響被動(dòng)式超低能耗建筑的透明部分的功能，需要對(duì)幕墻系統(tǒng)的傳熱系數(shù)、線熱橋、點(diǎn)熱橋、太陽得熱系數(shù)（SHGC值）等嚴(yán)加控制。
(3)玻璃幕墻的氣密性會(huì)直接影響到熱回收新風(fēng)系統(tǒng)的效率。
(4)玻璃幕墻的氣密性會(huì)直接影響到整個(gè)建筑的氣密性。所以，玻璃幕墻的氣密性設(shè)計(jì)至關(guān)重要。
(5)玻璃幕墻的熱橋很多，包括安裝點(diǎn)熱橋、安裝線熱橋；幕墻系統(tǒng)點(diǎn)熱橋；幕墻系統(tǒng)線熱橋等，所以不能忽視，需要嚴(yán)格控制，確保被動(dòng)式超低能耗建筑無熱橋的設(shè)計(jì)理念。
玻璃幕墻必須滿足國(guó)內(nèi)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求材料的加工制作安裝，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要滿足基本幕墻規(guī)范JGJ102要求。玻璃的加工制作安裝滿足JGJ113規(guī)范要求。熱工設(shè)計(jì)要滿足JGJ151規(guī)范要求。
圖4 設(shè)計(jì)需要滿足的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范
3.3 玻璃幕墻一般要求
水密性、抗風(fēng)壓強(qiáng)度、隔音性能、防結(jié)露性能等，也是玻璃幕墻的重要指標(biāo)，需要控制。
4 裝配式被動(dòng)式超低能耗鋁合金玻璃幕墻簡(jiǎn)介
裝配式-超低能耗鋁合金玻璃幕墻是融合了鋁合金單元玻璃幕墻，被動(dòng)式玻璃幕墻，同時(shí)又增加了很多細(xì)部處理的一種幕墻形式，完美地應(yīng)用于被動(dòng)式建筑中，特別是裝配式-超低能耗建筑。
圖5 安裝
這種幕墻形式的最大特點(diǎn)是：將面板和金屬框架（橫梁、立柱）在工廠組裝為幕墻單元，以幕墻單元形式在現(xiàn)場(chǎng)完成大部分安裝施工任務(wù)的框支承玻璃幕墻體系。
5 裝配式被動(dòng)式超低能耗鋁合金玻璃幕墻設(shè)計(jì)
5.1 玻璃幕墻氣密性設(shè)計(jì)
氣密性設(shè)計(jì)是被動(dòng)房設(shè)計(jì)的重中之重，尤其是透明部分。玻璃幕墻氣密性的好壞，會(huì)直接影響熱回收新風(fēng)系統(tǒng)的熱回收效率，以及新風(fēng)系統(tǒng)耗能。玻璃幕墻氣密性會(huì)直接影響建筑本身的熱平衡，增大建筑失熱，影響室內(nèi)環(huán)境的舒適度。
幕墻氣密性分為系統(tǒng)氣密性及安裝氣密性。幕墻氣密性設(shè)計(jì)要注意以下幾個(gè)方面：
(1)幕墻系統(tǒng)氣密性設(shè)計(jì)要打破傳統(tǒng)的幕墻氣密性思維。國(guó)標(biāo)GB21086幕墻氣密性分級(jí)見表1，最高級(jí)為4級(jí)。
表1 氣密性能分級(jí)（m3/M2·h）
常規(guī)幕墻能達(dá)到3級(jí)的氣密水平已經(jīng)非常好，可是作為被動(dòng)式玻璃幕墻，最高級(jí)別4級(jí)只是一般要求。被動(dòng)房的氣密要求，在室內(nèi)外壓差50Pa的條件下，換氣次數(shù)N50≤0.6/h。
圖6 常規(guī)幕墻
常規(guī)幕墻按照氣密性最高級(jí)4級(jí)計(jì)算，大概窗墻面積比0.5時(shí)，幕墻的換氣次數(shù)就到了0.6次，還沒算外墻的滲透，更何況常規(guī)幕墻很難達(dá)到4級(jí)氣密性。
所以，被動(dòng)式超低能耗玻璃幕墻的氣密性設(shè)計(jì)，不管是材料，還是設(shè)計(jì)理念都與常規(guī)幕墻的設(shè)計(jì)理念不同。
(2)幕墻隔氣層，要與建筑氣密層連續(xù)。
(3)幕墻的窗墻面積比盡量不要超過0.5，如果超過0.5時(shí)，需要進(jìn)行能量平衡計(jì)算，同時(shí)，被動(dòng)式幕墻的密封手段要采用非常規(guī)處理，確保幕墻的氣密性。
(4)隔氣層需要設(shè)立在13度線以內(nèi)，對(duì)于高濕熱地區(qū)，需要考慮型腔內(nèi)結(jié)露現(xiàn)象的產(chǎn)生。
(5)幕墻隔氣層需要連續(xù)無斷點(diǎn)。
圖7 氣密性設(shè)計(jì)
5.2 玻璃幕墻的熱工設(shè)計(jì)
根據(jù)JGJ/T151-2008要求，對(duì)于單幅幕墻結(jié)構(gòu)：
UCW=(ΣAg·Ug+ΣAp·Up+ΣAf·Uf+Σlg·ψg+Σlp·ψp)/(Ag+Ap+Af)
在上面的公式中：
UCW：?jiǎn)畏粔Φ膫鳠嵯禂?shù)；
Ag：玻璃或透明面板面積；
lg：玻璃或透明面板邊緣長(zhǎng)度；
Ug：玻璃或透明面板的傳熱系數(shù)；
ψg：玻璃或透明面板的線傳熱系數(shù)；
Ap：非透明面板面積；
lp：非透明面板邊緣長(zhǎng)度；
Up：非透明面板的傳熱系數(shù)；
ψp：非透明面板的線傳熱系數(shù)；
5.2.1 玻璃幕墻的傳熱系數(shù)
整體傳熱系數(shù)分為兩部分：
1)透明部分：UCW≤1.0W/M2.K；
2）有梁柱墻體的非透明部分：Up≤0.15W/M2·K
框傳熱系數(shù)Uf≤1.3/M2·K
玻璃傳熱系數(shù)Ug≤0.8W/M2·K
玻璃邊緣線傳熱系數(shù)Ψ≤0.04W/M·K
非透明面板的線傳熱系數(shù)ψp≤0.01W/M·K
5.2.2 幕墻玻璃得熱系數(shù)（g值）的規(guī)定
玻璃幕墻的g值與門窗的規(guī)定不一樣，需要根據(jù)具體情況具體分析。
被動(dòng)房門窗幕墻的太陽能總透射比（得熱系數(shù)）g值，被動(dòng)房導(dǎo)則規(guī)定嚴(yán)寒地區(qū)≥0.5，寒冷地區(qū)≥0.45，夏天<0.3。
南側(cè)幕墻宜采用固定遮陽的方式，東西向可采用活動(dòng)外遮陽，也可根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍庀笄闆r，適當(dāng)?shù)亟档吞柲芸偼渡浔取?/span>
寒冷地區(qū)：建筑南北向幕墻g≥0.45；建筑東西向幕墻g：冬季≥0.45，夏季<0.3。如果沒有外遮陽時(shí)，可考慮在0.3-0.4之間取值。
5.3 玻璃幕墻的無熱橋設(shè)計(jì)
無熱橋設(shè)計(jì)是被動(dòng)房設(shè)計(jì)的一部分，幕墻安裝和門窗不一樣，有很多埋件連接幕墻與結(jié)構(gòu)，會(huì)形成很多的點(diǎn)熱橋，以及線熱橋，如果不加以控制，對(duì)整個(gè)建筑失熱影響很大。幕墻不能做到完全無熱橋，需要控制有度。所有這些熱橋需要模擬計(jì)算，給建筑能量平衡提供比較準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。
(1)幕墻埋件的大小、數(shù)量，墊片的厚度，需要進(jìn)行熱工模擬，同時(shí)需要點(diǎn)熱橋計(jì)算，確保埋件點(diǎn)熱橋影響最小。點(diǎn)熱橋χ≤0.01W/M2·K。
(2)幕墻埋件以及墊片需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗(yàn)算，確保幕墻結(jié)構(gòu)的安全性，確保墊片局部承壓不失效。
(3)幕墻安裝線熱橋也需要嚴(yán)格控制，ψ≤0.01W/M·K。
5.4 玻璃幕墻系統(tǒng)設(shè)計(jì)
幕墻的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，除了考慮熱工因素外，還有其它很多因素。例如水密性、結(jié)構(gòu)抗風(fēng)壓、系統(tǒng)降噪、抗震等等。
(1)幕墻熱工設(shè)計(jì)除了控制框傳熱系數(shù)、玻璃傳熱系數(shù)、玻璃g值外，還要對(duì)玻璃托件、螺釘連接等構(gòu)造點(diǎn)熱橋進(jìn)行控制，在確保幕墻系統(tǒng)構(gòu)造連接穩(wěn)定性的同時(shí)，幕墻的點(diǎn)熱橋χ≤0.04W/M2·K，線熱橋ψ≤0.04W/M·K。
(2)幕墻斷面設(shè)計(jì)除了考慮構(gòu)造影響、美觀因素外，更要充分考慮g值的影響。幕墻非透明部分越小越好。Ψopa=Ψg+Uf×Af/Lg≤0.11W/M·K
Ψopa非透明部分線傳熱系數(shù)
(3)幕墻內(nèi)表面大面溫度不能低于室內(nèi)溫度3度。局部溫度不能小于13度，防止結(jié)露現(xiàn)象發(fā)生。
圖8 玻璃幕墻系統(tǒng)設(shè)計(jì)
5.5 玻璃幕墻結(jié)構(gòu)與構(gòu)造設(shè)計(jì)
幕墻結(jié)構(gòu)與構(gòu)造設(shè)計(jì)，完全屬于幕墻工程范疇。
河北新華幕墻有限公司在幕墻界打拼多年，有豐富的經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)，同時(shí)在幕墻領(lǐng)域及被動(dòng)房領(lǐng)域均有厚實(shí)的基礎(chǔ)沉淀,擁有國(guó)內(nèi)最高級(jí)別的幕墻甲級(jí)設(shè)計(jì)一級(jí)施工資質(zhì)，擁有強(qiáng)大設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)，足能應(yīng)付各種形式的幕墻工程。
圖9 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
利用現(xiàn)代的計(jì)算與模擬手段。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用SAP2000，ANSYS有限元手段。利用Rhino、BIM等技術(shù)進(jìn)行構(gòu)造模擬，利用熱工有限元進(jìn)行熱工模擬。
6 裝配式被動(dòng)式超低能耗鋁合金玻璃幕墻的特點(diǎn)
河北新華幕墻有限公司自行研制的裝配式超低能耗鋁合金玻璃幕墻，完全按照上述設(shè)計(jì)理念進(jìn)行設(shè)計(jì)，進(jìn)行大量的熱工模擬，線熱橋、點(diǎn)熱橋計(jì)算，進(jìn)行大量的結(jié)構(gòu)模擬，局部承載模擬等各種數(shù)據(jù)分析，各指標(biāo)均達(dá)到或超過預(yù)期要求，被PHI定性為PHA級(jí)別的產(chǎn)品，該產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)如下:
6.1 熱工性能優(yōu)越
6.1.1 根據(jù)PHI嚴(yán)苛的計(jì)算給出的結(jié)論如下：
框傳熱系數(shù)Uf=0.637W/M2·K；玻璃線傳熱系數(shù)Ψg=0.034W/M·K。采用swisspacer超級(jí)暖邊條；幕墻整體傳熱系數(shù)Ucw=0.776W/M2·K。
6.1.2 幕墻非透明部分線傳熱系數(shù)：
Ψopa=0.066≤0.11W/M·K，達(dá)到PHI規(guī)定的PHA優(yōu)秀級(jí)別。
6.2 形式變換多樣
圖10 玻璃幕墻
這款幕墻的開發(fā)，打破了被動(dòng)式建筑中明框幕墻包打天下的單一局面，形式可以根據(jù)設(shè)計(jì)師的要求變換，立面更豐富。
(1)橫隱豎明、橫明豎隱、全隱框、明框玻璃幕墻隨意變換。
(2)鋁合金扣蓋形式多樣,豐富了外立面效果。
(3)開啟方式多樣化，其中包括內(nèi)開內(nèi)倒顯框、內(nèi)開內(nèi)倒隱框。特別是平推形式，效果更好，開啟可以根據(jù)立面分格做到大開啟扇，可以做到1500×2000規(guī)格，并且開啟靈活，密封良好。
6.3 加工質(zhì)量高，安裝速度快
裝配式超低能耗鋁合金玻璃幕墻，加工制作安裝形式承襲了單元式幕墻的優(yōu)點(diǎn)做法，具有以下優(yōu)點(diǎn)：
6.3.1 加工質(zhì)量高
現(xiàn)場(chǎng)大部分加工組裝的任務(wù)交由車間完成，保證了加工質(zhì)量。
6.3.2 安裝進(jìn)度快
這一點(diǎn)是被動(dòng)房首先要考慮的。特別是體量大的被動(dòng)式建筑，每一道工序都需要一定的時(shí)間。被動(dòng)式建筑結(jié)構(gòu)完成后，第一要考慮的是外墻的封閉問題。
因?yàn)椴环忾]，就不能查漏氣點(diǎn)，做不了氣密性測(cè)試，外墻、地面、頂面的一系列工作就不能往下進(jìn)行。
框架式玻璃幕墻安裝工序：放線-預(yù)埋-豎料加工-安裝-橫料加工-安裝-膠條-玻璃安裝-保溫材料安裝-封閉安裝-打膠-裝飾安裝-玻璃清洗。
單元幕墻的安裝工序：放線-預(yù)埋-板塊安裝-封閉調(diào)整-玻璃清洗。
很多工序都是在車間完成，給現(xiàn)場(chǎng)安裝提供了方便條件。單元幕墻的效率提高50%以上。
圖11 玻璃幕墻形式多樣
6.4 成品保護(hù)問題得到很好解決
交叉作業(yè)對(duì)幕墻的污染一直是一個(gè)老大難問題，對(duì)于超低能耗幕墻來講，這種做法難以保證氣密性，更不能保證施工質(zhì)量。
裝配式玻璃幕墻是在現(xiàn)場(chǎng)外墻沒有濕作業(yè)的情況下，玻璃和框架整體吊裝，能夠很好地解決交叉作業(yè)的問題。
玻璃和框架是整體吊裝，所以解決了氣密性的問題，防止玻璃在現(xiàn)場(chǎng)安裝出現(xiàn)不可修復(fù)的縫隙，從而出現(xiàn)漏氣的現(xiàn)象。
圖12 施工和安裝
6.5 采用鋁合金系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)
鋁合金幕墻系統(tǒng)經(jīng)過30多年的驗(yàn)證，以它獨(dú)特的魅力得到廣泛認(rèn)可。
(1)強(qiáng)度高，重量輕，很適合做幕墻的框架結(jié)構(gòu)；
(2)是可再回收利用材料，典型的綠色建材；
(3)可塑性強(qiáng)。槽口尺寸能夠得到保證，氣密、水密性能夠得到保證；
(4)形式多樣，色彩豐富，是建筑師最愛；
(5)耐老化，耐腐蝕，免維護(hù)，節(jié)省維護(hù)費(fèi)用；
(6)質(zhì)優(yōu)價(jià)廉，性價(jià)比高。
7 結(jié)論
本文通過對(duì)裝配式超低能耗鋁合金鋁玻璃幕墻的介紹，旨在表述什么樣的幕墻才能符合被動(dòng)式建筑要求。被動(dòng)式超低能耗鋁合金玻璃幕墻的設(shè)計(jì)、加工制作、安裝等需要什么樣的條件。同時(shí)，一款優(yōu)質(zhì)的裝配式超低能耗鋁合金玻璃幕墻，既要有熱物理理論、被動(dòng)式建筑理論、幕墻理論等作支撐；也要有實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)做鋪墊，要有好的企業(yè)文化作沉淀，要有幕墻甲級(jí)設(shè)計(jì)一級(jí)施工企業(yè)做平臺(tái)。
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作者
河北新華幕墻有限公司 張鳳軍
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