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1 引言 玻璃幕墙作为现代建筑的外围护结构，因其重量轻并具有独特的通透性和艺术感，集装饰和使用功能于一体，受到建筑师和开发商的青睐。同传统的建筑外墙体相比较，玻璃幕墙的重量约为传统砖混结构的 1/3，使得建筑的重力荷载大为减小。但是，因为选用玻璃和金属构件，玻璃幕墙成为热交换最为敏感的建筑部位，其热损失往往增加至传统墙体的 5~6 倍，耗能约占建筑总能耗的 40%。国家节能减排政策已经实施，改善与提高玻璃幕墙节能性能成为幕墙行业亟待解决的问题。 图1 长春国际金融中心东北向 2 项目概况 我国幅员辽阔，南北方气候与温度差异很大，不同的环境条件对建筑幕墙的节能要求也不尽相同。长春国际金融中心项目位于东北吉林省长春市，地处东北松辽平原腹地，年平均气温 4.8℃，最高温度39.5℃，最低温度 -39.8℃，属于严寒地区的 B 类区域。项目总建筑面积约28.5 万 m2，幕墙面积约 10 万 m2。由澳大利亚 COX建筑设计事务所作为外方设计公司，澳大利亚最著名的建筑大师、学者、画家 Philip Cox 担当主设计师。长春国际金融中心以发散性的思维提出了建筑立面设计渗透中国传统文化的理念，旨在汲取中国书法精华的意念之中，追求建筑立面彰显中国悠远文化渊源，把水的概念体现在整体平面布局建筑形态的设计上。 长春国际金融中心 A 座大厦形体设计简洁、优雅、时尚，从下到上依次设置为五星级酒店及高档公寓。具体指标如下：建筑高度 234m，幕墙高度234.1m，单元式玻璃幕墙，幕墙单元 1 357x4 100mm，体型系数0.11，窗墙比：南、北0.45，东、西0.39，传热系数≤2.1W/(m2·K)，透光率≥ 68%（图 1）。 由吉林省地方标准《公共建筑节能设计标准》（DB22/T436-2006）可知，本建筑为甲类建筑且建筑的体型系数 S=0.11 ＜ 0.3，则围护结构的传热系数需满足表1。 3 立面分析 建筑设计层高4 100mm,从上到下横向分格为600mm－730mm－ 1 200mm － 1 570mm（图 2）。其中 1570mm 为采光部分，600mm为窗槛墙高度。竖隐横明的单元式玻璃幕墙结构，横向装饰框镶嵌LED 光源。建筑师的设计理念既适应立面表达的艺术需求，在构造设计上又充分考虑了严寒地区冬季的保温要求，以满足建筑热工性能要求。玻璃幕墙的热交换途径有三种方式：传导、对流和热辐射。对于东北严寒地区，冬季的保温节能理应成为幕墙设计技术控制的主要内容。由于玻璃面积占了幕墙立面的绝大部分，参与热交换的面积大，故玻璃性能好坏是幕墙建筑是否节能的关键。 图2 建筑墙身剖面 根据《民用建筑热工设计规范》GB50176 中表 3.1.1 对严寒地区的规定：“必须充分满足冬季保温要求，一般可不考虑夏季隔热”，本项目只考虑幕墙系统的冬季保温性能。除了大厦底层全玻璃幕墙以外，建筑外立面均为有框幕墙结构体系。一般来说，如果是全隐框的玻璃幕墙，由于铝合金框在室内，参与热交换的总量有限，热损失较小，幕墙的整体传热系数近似取玻璃的传热系数也能够满足热工要求的规定值。但是作为明框玻璃幕墙，铝合金龙骨的导热系数大，冷桥现象对幕墙的传热系数影响较大，尤其是在北方，将会造成很大的热损失。 幕墙的整体传热系数必须是玻璃和铝合金框的加权传热系数，而有效提高幕墙铝合金型材的保温性能是节能设计的重要措施。本项目玻璃幕墙为横明竖隐形式，铝合金龙骨设计为隔热型材，隔热材料采用 PA66GF25 隔热条（图 3，4）。
图3 幕墙竖框
图4 幕墙横框 4 热工计算 4.1 层间部分热工计算 （6+1.52PVB+6+12Ar+8mm）＋ 70mm 空气间层＋ 2mm铝板＋ 100mm 保温岩棉热阻的加权计算： R冬季＝R中空钢化玻璃＋R空气＋R铝板＋R保温 ＝ 0.033/1.472+0.18+0.002/203+0.100/0.05＝ 2.21m2·K/W R夏季＝R中空钢化玻璃＋R空气＋R铝板＋R保温 ＝ 33/1.472+0.15+2/203+100/0.05＝ 2.18m2·K/W 则冬季 R0＝RI ＋R＋Re ＝ 0.11 ＋ 2.21 ＋0.04 ＝ 2.36 m2·K/W K=1/R0=1/2.36=0.42 ≤ 0.5 则夏季 R0＝RI ＋R＋Re ＝ 0.11 ＋ 2.18 ＋0.05 ＝ 2.34m2·K/W K=1/R0=1/2.33=0.43 ≤ 0.5 非透明幕墙部分满足热工要求。 4.2 透明幕墙部分热工计算 A座主塔楼采用单元式幕墙构造形式，玻璃选用6+1.52PVB+6+12Ar+8mm夹胶双银 low-E 中空玻璃，暖边中空玻璃间隔条。应用美国劳伦斯·伯克力实验室的 Window 7.2 软件计算玻璃参数见表2。
取 low-E 玻璃冬季的传热系数 1.44 W/(m2·K)，用 Therm7.3软件对幕墙系统进行热工计算，结果见表3。
幕墙系统满足热工要求，此时幕墙系统的加权传热系数很接近限值（图 5(a)，图 6 ～ 8）。
图5
图6 框1
图7 框2
图8 框3 5 幕墙构造调整对热工性能的影响 玻璃幕墙的特性之一就是通透性。充分利用自然光，使得室内光线充足，减少了白天室内的人工照明，从而减少电耗，达到建筑节能的目的。基于此，本案的开发商对立面分格进行了改造，将原设计 4 100mm 层高内从上到下的分格更改为 850mm －850mm － 2400mm，取消了室内 600mm 的窗槛墙，将采光部分增至 2 400mm（图 5(b)）。 建筑幕墙作为外围护体系，立面分格的调整势必影响到保温性能。改变之后立面的窗墙比为0.58，查吉林省公共建筑节能设计标准3.2.1-2得知，透明幕墙部分的传热系数限值提高了一个等级为 1.8W/(m2·K)。若要在原幕墙结构不变的前提下进行计算，玻璃的传热系数须要 1.32 W/(m2·K) 方能满足热工要求（表4）。
建筑立面是建筑师设计理念的外部表现，直接被众人欣赏和评价。立面分格的改变无疑会影响到建筑立面的艺术表现。本建筑立面所表现的书法艺术是书法家舒同的作品，他曾被毛泽东誉为“马背上的诗人”。幕墙分格的调整使得动态 LED 所表现的字体间断，有损连续流畅的书法韵律。我们通过动态效果的对比，与开发商沟通后，在采光分格中间增加了一个横框，将分格划分为 850mm －850mm － 1650mm-750mm，缩小了 LED点阵间距，避免了字体中断 ( 图 9)。
图9 夜景LED效果 要提高建筑的保温性能必须控制围护结构的传热系数。在热工性能复核时发现，由于增加了一道横框，幕墙的传热系数超出了限值 1.8 W/(m2·K)。如果单纯调整玻璃参数，需要将玻璃的传热系数降到 1.18 W/(m2·K) 才能满足要求（见表5）。
我们对铝合金型材进行了优化设计，以均衡地调整各种材料的参数，把原来 14.8mm 的隔热条改为 22mm 高（见图 10，11）。
图10 优化前插接横框
图11 优化后插接横框
图12 框2优化
图13 框3优化
图14 框4优化 经过热工计算，改变隔热条的高度能够很好地改善铝合金型材的导热系数（图 5(c)，图 12 ～ 14）。通过优化设计，保持了玻璃的传热系数为1.32 W/(m2·K)，最终的幕墙系统传热系数为1.78W/(m2·K)，见表6。
6 结语 建筑幕墙的热工性能是与幕墙的分格及幕墙的构造密切相关的，立面分格的调整会导致幕墙保温性能指标发生变化。建筑设计是一个完整的系统工程，无论是在方案设计阶段与幕墙设计的早期协同中，还是在后期的幕墙设计过程中，任何对立面分格的调整，都应考虑对幕墙热工性能的影响，绝不能仅仅为了提高玻璃和铝型材的利用率而随意更改立面分格，以至于加大幕墙的热损失，造成能耗的增加。 玻璃幕墙作为建筑外表皮，既要强调平面的构成和立面各个部分的协调，也要从幕墙构件的制作工艺和构件截面上精心设计、细致组合，同时必须综合考虑幕墙的整体性能，正确进行对玻璃参数、铝合金型材及其构造的优化设计，使得幕墙整体传热系数符合热工规范的要求，最大限度地降低能耗，达到保温节能的功效。 作者简介 |
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