绿色单元幕墙模块化系统设计初探

　　随着我国经济和科学技术的快速发展，国民的节能环保意识也在不断加强，社会对建筑物的节能性能也提出了更高的要求。绿色建筑、新能源技术等开始大量应用到国内新建筑项目的设计、建设当中，其节能指标对比既有建筑也大幅度提高。特别是最新的《公共建筑节能设计标准》(GB/T 50189-2015)和《绿色建筑评价标准》(GBT 50378-2014)的颁布，对今后绿色建筑的发展和技术升级提出更高的要求。由此，一系列的问题亟待解决：诸如应如何利用可再生资源、使设计节能环保、令产品在使用中节约能源等新要求。玻璃幕墙作为现代建筑的重要标志、外围护的重要结构，其技术发展也理应满足以上需求。符合绿色节能指标要求的幕墙产品将注定成为市场的新宠和今后幕墙技术和市场发展的风向标。本文以下章节将对多功能绿色集成幕墙系统中的技术重点及研发过程进行介绍。

　　1 研发目标

　　从建筑幕墙节能设计及热工分析角度来看，玻璃幕墙通常处于建筑物热交换、热传导最活跃的部位。针对于幕墙节能减排的新产品、新措施近年来不断涌现。诸如隔热断桥铝材、中空镀膜玻璃、双层幕墙结构、室内外遮阳设计、减少开启扇设置等先进的材料或技术方法，均大力促进了幕墙节能技术的发展。然而，上述产品要想实现标准化设计及广泛使用，均存在一定的局限性问题，如双层幕墙虽然节能效果出众，但结构复杂且造价昂贵，还侵占建筑室内空间。室内遮阳保温隔热效率较低，而室外遮阳如不能与建筑物及其外围护结构形成一体化设计，不仅会大大影响外观效果，还可能会加速室内外的热交换，此外国内现有的遮阳产品功能过于单一，节能效率不明显。普通玻璃幕墙减少开启扇虽然会使得幕墙整体热工效果提高，但容易会造成楼内空间的整体“密封”，如果空调通风设施运行不好，就会产生室内空间的新风量不足，空气质量差;而反之设置过多的开启扇，虽然保证了自然通风，但在某些特殊情况如高层或超高层建筑上，则容易造成安全隐患。经我司综合考虑，我们选择以目前高层建筑所应用的主流技术——单元式幕墙为主体，同时增加横向光伏遮阳、竖向可滑动遮阳、电动通风装置等独立功能模块的设计，研发出一套性能优良、整体性强，同时集成多种功能的绿色单元幕墙产品(如图1所示)，并试图形成标准化的模块设计，以满足国内外有绿色建筑认证、LEED认证及相关高效节能需求的高端幕墙工程项目。

　　2 原理与结构

　　2.1幕墙功能模块构成

　　该幕墙系统分为4个主要功能组件模块，如图2从左至右依次包括：横向光伏遮阳板模块、竖向电动遮阳格栅模块、单元式幕墙模块、电动通风装置模块。除单元式幕墙核心模块外，其它组件均可按需添置。

　　2.2单元式幕墙系统模块

　　本系统的核心幕墙模块以金刚幕墙UC100系列标准化单元幕墙系统(如图3所示)为基础而研发，经过众多工程考验，完全满足国内实际工程使用。在保温隔热方面灵活采用注胶、穿条、隔热垫、多空腔胶条、双层中空LOW-E镀膜玻璃等技术确保良好的热工性能。在结构方面采用闭腔型材保证更好的结构稳定性，并配合我司成熟的标准化系统及配件使用，通用性大大增加，且无需额外试验检测费用，可使项目成本大为降低。

　　2.3竖向电动遮阳格栅模块

　　竖向电动遮阳格栅(图5)可装配不同的竖向遮阳线条，也可以根据用户的喜好或地区的日照不同而更换不同材质或不同形状，加上可水平滑移活动特性，能满足不同应用场景的需求。大大提高了在日照强烈地区使用的遮阳性能，减少炎热季节用于建筑空调制冷能源消耗。

　　2.4电动通风装置模块

　　幕墙板块内设有通风装置，其上通风器靠近楼层地面，而下通风器(如图6)则设置于楼层结构梁底。通风器可与机械抽风或排风装置相连接并配合使用。需要通风时上下通风器同时打开，与上通风器配合的抽风机从室外向室内吸入新鲜空气，而下通风器部位则与排风机配合负责将室内的废气排出(见图7通风模式一);以此达到组织室内气流有序循环的目的。而室内外的空气由于气压差、热压差的效应，也会使得室内外空气单向流动，此时可仅使用单向抽风或排风机械，并配合采用幕墙板块间交错通风的方法(见图7通风模式二)，

　　从而根据季节及气候需要，实现室内外的自然通风及空气循环。

　　2.4电动通风装置模块

　　横向光伏遮阳板模块包含光伏玻璃组件，可在遮阳的同时通过光能发电并储存于蓄电池组，又或者通过控制系统将光伏电能并入电网。光伏电能可分别供给竖向电动滑移遮阳装置中遮阳叶片或格栅杆件的左右移动和通风装置使用。通过标准化设计，横向遮阳板连接件利用一个转换装置在不需要修改幕墙系统模具的情况下实现通用化的配件连接固定，易损部件如光伏玻璃组件等可以很方便地拆装维修。光伏玻璃背面可采用穿孔盖板设计，既有利于排水又可帮助光伏组件散热。

　　3关键设计指标与系统分析

　　3.1玻璃面板计算分析

　　3.2单元插接横梁计算分析

　　地震影响横梁选用6063-T5铝型材，幕墙横梁为双向受弯构件，在平面外承受由面材传来的风荷载、地震作用等其他荷载，并根据面材的宽高比确定横梁的负荷范围(三角形荷载、梯形荷载或者均布荷载);在平面内承受由面材传来的集中荷载及型材本身的自重。上分格高度为1500mm，下分格高度为1500mm，横梁计算跨度2000mm。

　　根据此前玻璃荷载取值情况，得到水平风荷载和地震作用组合设计值为COMB1==5.53kPa。

　　由以上计算分析结果，我们再综合可得作用在横梁母料上的最大组合应力为 11

　　3.3单元插接立柱计算分析

　　幕墙单元立柱选取单跨悬挑梁的计算模型,幕墙横向计算分格宽度按最大B=1500mm，跨长3900mm，悬挑位置约350mm。

　　由于幕墙的荷载由横梁和立柱承担。玻璃面板将受到的水平方向的荷载，按45度角分别传递到横梁和立柱上，玻璃与立柱之间采用结构胶及入槽方式固定，两者以铰接的形式相连，所以此不考虑立柱的扭转，横梁又将承受的荷载传递给立柱，所以立柱承受荷载简化为均部线荷载，最后由立柱将所有荷载通过埋件传递到主体结构上。

　　由上文的设计荷载及计算结果，我们设计的立柱强度计算模型如下图9所示。

　　立柱挠度计算模型如图10所示：

　　立柱最大挠度为16.73mm<3850/180=20mm，立柱挠度满足设计要求。

　　2.6单元幕墙热工分析

　　本系统产品设计可以用于中国夏热冬冷地区、夏热冬暖地区及大部分寒冷地区。产品热工性能计算边界条件如表1所示。

　　产品热工设计的主要参考标准为《建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程》 JGJ/T 151-2008和《民用建筑热工设计规范》GB 50176-1993，所采用计算软件为《粤建科?MQMC建筑幕墙门窗热工性能计算软件》2010正式版。

　　为简化计算，我们采用了如图11所示的东向玻璃幕墙幅面，不含及附加光伏及竖向遮阳模块，并将层间百叶换成中空LOW-E玻璃，以计算其单元玻璃幕墙模块的热工性能。

　　计算可得幕墙幅面热工计算结果汇总表如表2。

　　幕墙主要立柱及横梁热工分析计算所得温度场如图12所示。

　　由以上分析可得，本幕墙系统完全可以满足中国夏热冬冷地区、夏热冬暖地区及部分寒冷地区的使用要求。

　　3.4产品日照分析

　　在本产品的研发设计中，我司选用了Ecotect软件对若干个幕墙单元计算模型样板进行了模拟日照试验分析。计算模型选取了6m×6m的房间，层高3.9m，净高3.75m，楼板边梁300mm×700 mm;幕墙单元幅面尺寸为1500 mm×3900 mm，层间不透明部分分格为1500 mm×1350 mm，透明部分采用双层中空LOW-E玻璃，产品设置有横向和纵向固定遮阳设施。模型朝向为正南方。本次实验分别对建筑物，对北京、上海、广州三个城市的采光率、光照强度、遮挡率、可视度等指标进行了模拟分析。计算参数设定则根据《建筑采光设计标准》(GB50033-2013)，试验内容包括：

　　产品采光和照明分析。

　　产品空间可视度分析。

　　产品日照遮挡率分析。

　　将模型的室内地面相对800mm标高位置的平面作为日照分析参考平面，1400mm标高位置的平面作为可视性分析参考平面;采用幕墙玻璃外表面作为产品的日照遮挡率分析参考平面，对以上进行网格划分。

　　试验模型示意图如图13所示。

　　分析结果如图14、15、16所示。

　　试验结果表明，在搭载了含横向和竖向遮阳模块之后，单元幕墙系统的遮阳效果提升显著，可大大降低夏季室内空调使用能耗，但采光率则有所影响。以上海地区为例，室内照度全年均值为174.45lux;在房间进深超过约2.0m的地方其照度低于300lux。日照采光率全年均值为3.49%;在房间进深超过约3.5m的地方其采光率低于3%。，则需要设置人造光源。夏季时，在其遮阳模块可活动的情况下，其采光率及室内照度可进一步提升，而室内辐射得热将进一步下降，由此建筑物可得到显著的节能效果。

　　而在室内可视性方面，6m(开间)×6m(进深)的房间，除了靠近幕墙的房间边缘及角落部位的极小面积处于不可视状态，绝大部分处于可视状态，如果再考虑到遮阳装置的可活动因素，完全可以达到LEED认证要求的90%以上室内可视面积。

　　最后，在幕墙日照遮挡率分析中，其节能效果最为显著，达到35%。由此可见，合理的幕墙遮阳设计，可大幅度改善建筑的能耗情况。特别是搭载了一体化设计的可活动遮阳模块的幕墙产品，在不降低幕墙整体热工性能的情况下，夏季能更好减少建筑的太阳辐射得热，而冬季可调节其遮阳模块至合适的位置，以便更有利于增加室内的采光和减少取暖能耗。

　　4 实现绿色幕墙模块化设计的展望

　　通过本项目的研发可以看到，现有的技术条件已经完全可以实现多功能绿色集成幕墙系统的模块化设计，同时，借助于先进的计算分析软件，也能够对幕墙系统产品在复杂物理环境下进行仿真分析。

　　由于该系统各功能组件全都针对降低能源消耗设计开发，能最大程度的减少建筑物的热损失，并降低建筑能耗。系统模块化的设计理念也可随不同用户需求组合出不同解决方案，不必为了增减某一项功能而重新设计定制，大大节省了设计成本、生产成本和时间成本。同时，采用一体化设计的遮阳、通风功能模块可显著降低建筑物的能源消耗、减少污染排放。此外，光伏遮阳板还可为幕墙系统自身甚至建筑物提供额外的电能补给。本项目所研发的系统产品及配套技术已被我司注册为相关技术专利。

　　综上所述，采用模块化设计的绿色幕墙产品符合国家节能减排政策，同时能够促进产业升级和技术发展，其先进的模块化、集成化设计理念及配套产品在今后的幕墙技术及市场发展中完全大有可为。

　　参考文献

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