【引言】玻璃幕墻作為現(xiàn)代建筑的外圍護結(jié)構(gòu)（詞條“圍護結(jié)構(gòu)”由行業(yè)大百科提供），因其重量輕并具有獨特的通透性和藝術(shù)感，融合裝飾和使用功能于一體，受到建筑師和開發(fā)商的青睞。同傳統(tǒng)的建筑外墻體相比較，玻璃幕墻的重量約為傳統(tǒng)磚混結(jié)構(gòu)的1/3左右，采用玻璃幕墻使得建筑的重力荷載大為減小。但是，因為選用玻璃和金屬構(gòu)件，玻璃幕墻成為熱交換最為敏感的建筑部位，其熱損失（詞條“熱損失”由行業(yè)大百科提供）往往增加至傳統(tǒng)墻體的5~6倍，耗能約占建筑總能耗的40%左右。國家節(jié)能減排政策已經(jīng)實施，改善與提高玻璃幕墻節(jié)能性能成為幕墻行業(yè)亟待解決的問題。
1、項目概況
我國幅員遼闊，南北方氣候與溫度差異很大，不同的環(huán)境條件下對建筑幕墻的節(jié)能要求也不盡相同。本項目位于東北吉林省長春市，地處東北松遼平原腹地，年平均氣溫4.8°C，最高溫度39.5°C，最低溫度-39.8°C，屬于嚴寒地區(qū)的B類區(qū)域。
項目總建筑面積約28.5萬平方米，幕墻面積約10萬平方米。由澳大利亞COX建筑設(shè)計事務(wù)所作為外方設(shè)計公司，并由澳大利亞最著名的建筑大師、學者、畫家Philip Cox擔當主設(shè)計師。《長春國際金融中心》以發(fā)散性的思維提出了建筑立面設(shè)計滲透中國傳統(tǒng)文化的理念。旨在汲取中國書法精華的意念之中，追求建筑立面彰顯中國悠遠文化淵源，把水的概念體現(xiàn)在整體平面（詞條“平面”由行業(yè)大百科提供）布局建筑形態(tài)的設(shè)計上。
“長春國際金融中心A座”大廈形體設(shè)計簡潔、優(yōu)雅、時尚。從下到上依次設(shè)置為五星級酒店及高檔公寓。
建筑高度：234m;
幕墻高度：234.1m。
幕墻結(jié)構(gòu)：單元式玻璃幕墻
幕墻單元：1357x4100mm
建筑技術(shù)（詞條“建筑技術(shù)”由行業(yè)大百科提供）指標：
體型系數(shù)：0.11;窗墻比：南、北0.45;東、西0.39
傳熱系數(shù)（詞條“傳熱系數(shù)”由行業(yè)大百科提供）≤2.1W/m2•K。透光率≥68%
根據(jù)吉林省地方標準《公共建筑節(jié)能設(shè)計標準》DB22/T436-2006可知，本建筑為甲類建筑且建筑的體形系數(shù)S=0.11<0.3，則維護結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)需滿足下表1：
(表1)
2、立面分析
建筑設(shè)計層高4100mm,從上到下橫向分格為600mm-730mm-1200mm-1570mm(見左圖)。其中1570mm為采光部分，600mm為窗檻墻高度。豎隱橫明的單元式玻璃幕墻結(jié)構(gòu)，橫向裝飾框鑲嵌LED光源。建筑師的設(shè)計理念即適應(yīng)立面表達的藝術(shù)需求，在構(gòu)造設(shè)計上又充分考慮了嚴寒地區(qū)冬季的保溫要求，以滿足建筑熱工性能要求。
玻璃幕墻的熱交換途徑有三種方式：傳導、對流和熱輻射。對于東北嚴寒地區(qū)，冬季的保溫節(jié)能理應(yīng)成為幕墻設(shè)計技術(shù)控制的主要內(nèi)容。由于玻璃面積占了幕墻立面的絕大部分，參與熱交換的面積大，是幕墻建筑是否節(jié)能的關(guān)鍵。
根據(jù)《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范》GB50176中表3.1.1對嚴寒地區(qū)的規(guī)定：“必須充分滿足冬季保溫要求，一般可不考慮夏季隔熱”，本項目只考慮幕墻系統(tǒng)的冬季保溫性能。
除了大廈底層全玻璃幕墻（詞條“全玻璃幕墻”由行業(yè)大百科提供）以外，建筑外立面均為有框幕墻結(jié)構(gòu)體系。一般來說，如果是全隱框的玻璃幕墻，由于鋁合金框在室內(nèi)，參與熱交換的總量有限，熱損失較小，幕墻的整體傳熱系數(shù)近似取玻璃的傳熱系數(shù)也是能夠相當于熱工要求的規(guī)定值。但是作為明框玻璃幕墻，鋁合金龍骨的導熱系數(shù)大，冷橋現(xiàn)象對幕墻的傳熱系數(shù)影響較大，尤其是在北方，將會造成很大的熱損失。
幕墻的整體傳熱系數(shù)必須是玻璃和鋁（詞條“鋁”由行業(yè)大百科提供）合金框的加權(quán)傳熱系數(shù)，而有效提高幕墻鋁合金型材（詞條“鋁合金型材”由行業(yè)大百科提供）的保溫性能是節(jié)能設(shè)計的重要措施。本項目玻璃幕墻為橫明豎隱形式，鋁合金龍骨設(shè)計為隔熱型材，隔熱材料采用PA66GF25隔熱條。
3、熱工計算
3.1、層間部分熱工計算：
(6+1.52PVB+6+12Ar+8mm)+70mm空氣間層+2mm鋁板+100mm保溫巖棉熱阻的加權(quán)計算：
冬季：R冬季=R中空鋼化玻璃+R空氣+R鋁板+R保溫
=0.033 /1.472+0.18+0.002/203+0.100/0.05
=2.21(m2k/W)
夏季：R夏季=R中空鋼化玻璃+R空氣+R鋁板+R保溫
=33/1.472+0.15+2/203+100/0.05
=2.18(m2k/W)
則冬季R0=RI+R+Re
=0.11+2.21+0.04
=2.36(m2k/W)
K=1/ R0=1/2.36=0.42≤0.5
則夏季R0=RI+R+Re
=0.11+2.18+0.05
=2.34(m2k/W)
K=1/ R0=1/2.33=0.43≤0.5
非透明幕墻部分滿足熱工要求。
3.2、透明幕墻部分熱工計算
A座主塔樓采用單元式幕墻構(gòu)造形式，玻璃選用6+1.52PVB+6+12Ar+8mm夾膠雙銀Low-E中空玻璃，暖邊中空玻璃間隔條。應(yīng)用美國勞倫斯·伯克力實驗室的Window 7.2軟件計算玻璃參數(shù)如下：(表2)
取Low-E玻璃冬季的傳熱系數(shù)1.44W/(m2·K)，用Therm7.3軟件對幕墻系統(tǒng)進行熱工計算。
幕墻系統(tǒng)滿足熱工要求，此時幕墻系統(tǒng)的加權(quán)傳熱系數(shù)很接近限值。
4、幕墻構(gòu)造調(diào)整對熱工性能的影響
玻璃幕墻的特性之一就是通透性。充分利用自然光，使得室內(nèi)光線充足，減少了白天室內(nèi)的人工照明，從而減少電耗，達到建筑節(jié)能的目的。基于對這這個理由，本案的開發(fā)商對立面分格進行了改造，將原設(shè)計4100mm層高內(nèi)從上到下的分格更改為850mm-850mm-2400mm,取消了室內(nèi)600mm的窗（詞條“窗”由行業(yè)大百科提供）檻墻，將采光部分增至2400mm(見圖8)。
建筑幕墻作為外圍護體系，立面分格的調(diào)整勢必影響到保溫性能。改變之后立面的窗墻比為0.58，查表3.2.1-2得知，透明幕墻部分的傳熱系數(shù)限值提高了一個等級為1.8W/(m2·K)。若要在原幕墻結(jié)構(gòu)不變的前提下經(jīng)過計算，玻璃的傳熱系數(shù)須要1.32 W/(m2·K)方能滿足熱工要求(如表4)。
建筑設(shè)計是建筑師構(gòu)思縝密的藝術(shù)作品，每個作品都蘊含著不同的創(chuàng)作理念，建筑立面則是設(shè)計理念的外部表現(xiàn)，直接被眾人欣賞和評價。立面分格的改變無疑會影響到原創(chuàng)作品的藝術(shù)表現(xiàn)。本建筑立面所表現(xiàn)的書法藝術(shù)是書法家舒同的作品，他曾被毛澤東譽為“馬背上的詩人”。幕墻分格的調(diào)整使得動態(tài)LED所表現(xiàn)的字體間斷，有損連續(xù)流暢的書法韻律。我們通過動態(tài)效果的對比，與開發(fā)商溝通后，在采光分格中間增加了一個橫框，將分格劃分為850mm-850mm-1650mm-750mm，縮小了LED點陣間距，避免了字體中斷(見右圖10)。
要提高建筑的保溫性能必須控制圍護結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)。在熱工性能復核時發(fā)現(xiàn)，由于增加了一道橫框，幕墻的傳熱系數(shù)超出了限值1.8 W/(m2·K)。如果單純調(diào)整玻璃參數(shù)，需要將玻璃的傳熱系數(shù)降到1.18 W/(m2·K)才能滿足要求(見表5)。
按照當前的玻璃配置，傳熱系數(shù)很難達到1.18W/(m2•K)。我們對鋁合金型材進行了優(yōu)化設(shè)計，以均衡地調(diào)整各種材料的參數(shù)，把原來14.8mm的隔熱條改為22mm高(如圖11、12)。
結(jié)語
幕墻的熱工性能是與幕墻的分格及幕墻的構(gòu)造密切相關(guān)的，立面分格的調(diào)整會導致幕墻保溫性能指標發(fā)生變化。建筑設(shè)計是一個完整的系統(tǒng)工程，無論是在方案設(shè)計階段與幕墻設(shè)計的早期協(xié)同中，還是在后期的幕墻設(shè)計過程中，任何對立面分格的調(diào)整，都應(yīng)考慮對幕墻熱工性能的影響，決不能僅僅為了提高玻璃和鋁型材的利用率而隨意更改立面分格，顧此失彼，忽視對幕墻熱工性能的影響，以至于加大了幕墻的熱損失，造成能耗的增加。
玻璃幕墻作為建筑外表皮，既要強調(diào)平面的構(gòu)成和立面各個部分的協(xié)調(diào)，也要從幕墻構(gòu)件的制作工藝和構(gòu)件截面上精心設(shè)計、細致組合，同時必須綜合考慮幕墻的整體性能，正確進行對玻璃參、鋁合金型材及其構(gòu)造的優(yōu)化設(shè)計，使得幕墻整體傳熱系數(shù)符合熱工規(guī)范的要求，最大限度地降低能耗，達到保溫節(jié)能的功效。
參考文獻：
[1]GB50176-2002《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范》-第四章 圍護結(jié)構(gòu)保溫設(shè)計
[2]GB50189-2015《公共建筑節(jié)能設(shè)計標準》-4建筑與建筑熱工設(shè)計
[3]DB22/T436-2006《吉林省公共建筑節(jié)能設(shè)計標準》-3建筑與建筑熱工設(shè)計
[4]徐占發(fā) 主編《建筑節(jié)能技術(shù)實用手冊》機械工業(yè)出版社-P5頁，1.1.6 建筑熱工設(shè)計分區(qū)
