建筑幕墻優(yōu)化設計方法分析

薛萃

（山西八建集團有限公司，太原030002）

1 引言

我國建筑幕墻行業(yè)從1983年開始起步，是中國經(jīng)濟體制改革的產(chǎn)物，與其他傳統(tǒng)行業(yè)相比，年輕的幕墻行業(yè)受計劃經(jīng)濟體制的影響相對較小。根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，截至2017年我國建筑幕墻工程總產(chǎn)值達3 700億元。建筑幕墻是現(xiàn)代建筑常見的構筑物，和一般常規(guī)填充墻不同，建筑幕墻本身是支撐結構構成的完整結構系統(tǒng)，其本身在平面上具備較大的可變性。相對于建筑結構主體有較強的位移能力，且建筑幕墻不直接分攤建筑結構主體所承擔的載荷，是相對獨立的建筑圍護結構。建筑幕墻通常由面板和面板后部達到支撐結構組成，常見面板為玻璃、鋁材等，支撐結構常見為鋼結構、鋁橫梁等。既往研究證明，建筑幕墻因本身具備連接活動能力，所以幕墻在平面內，可以承受1/100的大變形，若是采用特殊構件，在建筑主體結構側向位移達到1/60時，建筑幕墻也不會被損壞[1]。目前，建筑幕墻已經(jīng)成為我國高層建筑的主要構成部分，伴隨技術的不斷發(fā)展以及建筑理念的不斷革新，建筑幕墻的作用也在進一步深化，從基礎的圍護作用外，建筑幕墻設計還承擔著降低建筑能耗，提高建筑舒適度的任務，為給建筑幕墻設計提供有價值的理論參考。

2 建筑幕墻項目概況

某商業(yè)綜合體建筑整合商業(yè)、酒店、寫字樓等，建筑面積約為1.5×105m2，是市內重要地標性建筑。該建筑外立面由多個立面單元構成，在初步建筑設計方案中，建筑立面需保持渾然一體的雕塑感，展現(xiàn)現(xiàn)代化的建筑設計理念。建筑幕墻主要材料為無鏡面效果的深褐色玻璃幕墻，可隱藏建筑主體結構，褐色涂抹在雙層玻璃內片上，可給人營造出良好的視覺深度。

3 建筑幕墻優(yōu)化設計原理

我國現(xiàn)行的技術規(guī)范以及行業(yè)標準中對建筑幕墻有明確定義：建筑幕墻是由面板和支撐結構組成的，具有一定的承載能力、變形能力、適應能力，且不分擔主體結構載荷的裝飾性圍護結構。根據(jù)我國建筑幕墻發(fā)展的應用現(xiàn)狀，可對建筑幕墻的種類進行有效劃分：（1）按照面板的材料進行分類，如玻璃幕墻、金屬幕墻，玻璃幕墻具體指單片玻璃、中空玻璃、真空玻璃。金屬幕墻主要是指鋁板幕墻、防火板幕墻、不銹鋼板幕墻、彩涂鋼板幕墻、琺瑯板幕墻等。石材幕墻主要是指天然石幕墻、花崗巖幕墻等。除此之外，還有諸多人造板幕墻，如陶瓷板、瓷板、微晶玻璃等。（2）根據(jù)建筑幕墻支撐結構進行分類，有框架支撐幕墻、隱形幕墻、半隱形幕墻等。（3）根據(jù)面板支撐結構分類，有鋼結構支撐幕墻、全玻璃幕墻等。從行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀來看，玻璃材質幕墻在我國的應用最為廣泛。早在2010年，我國就已經(jīng)具備了獨立生產(chǎn)大規(guī)格三夾膠夾層玻璃的能力，針對玻璃幕墻，我國科研人員也開展了諸多研究工作。比如，玻璃幕墻應力分布研究、中空玻璃支撐點設置研究以及玻璃最大撓度狀態(tài)研究等。玻璃建筑幕墻的設計方法也引起了人們的高度關注，常規(guī)設計規(guī)范不考慮中間層的結構作用以及功能作用。國內學者在近幾年提出，玻璃建筑幕墻的中間層通過設置離子性中間膜能夠提高玻璃建筑幕墻的結構承載能力，提高建筑的保溫性能以及隔熱性能，彰顯現(xiàn)代建筑建設環(huán)保、節(jié)能、生態(tài)理念。

建筑幕墻節(jié)能性的表現(xiàn)已經(jīng)成為現(xiàn)代建筑幕墻設計的主要目標之一，節(jié)能性建筑幕墻的應用也成為現(xiàn)代建筑行業(yè)發(fā)展的新趨勢。常見的建筑玻璃幕墻為Low-E中空建筑玻璃幕墻，設計理念先進，舒適效果突出的則為雙層玻璃呼吸幕墻。雙層玻璃呼吸幕墻和常規(guī)玻璃幕墻相比，在建筑幕墻中間形成了一個良好的通風換氣通道，根據(jù)結構類型可將雙層玻璃呼吸幕墻分為外循環(huán)和內循環(huán)兩種類型。其中，內循環(huán)雙層玻璃呼吸幕墻一般在我國寒冷的北方地區(qū)應用，玻璃和外界換氣通過熱通道、通風口實現(xiàn)，玻璃中有熱空氣循環(huán)流動，可保證內側的雙層玻璃呼吸幕墻始終接近室溫，從而營造出一個舒適的室內溫度。外循環(huán)雙層玻璃呼吸幕墻則是在外層玻璃幕墻上下兩端設置進風口以及排風口，可選擇和熱風通道連接，在冬季接受陽光直接照射，熱通道內空氣逐步升溫，然后改變雙層玻璃呼吸幕墻中的空氣溫度，達到降低建筑物采暖運行費用的目的[2，3]。

相對而言，外循環(huán)雙層玻璃呼吸幕墻比內循環(huán)雙層玻璃呼吸幕墻更為環(huán)保，但是外循環(huán)雙層玻璃呼吸幕墻造價較高，且會受到室外控制質量影響，不適合在寒冷的北方地區(qū)使用，且需要定期進行維護，不然外部灰塵等就有可能吸附在外循環(huán)雙層玻璃呼吸幕墻中，進而影響其美觀性。針對該商業(yè)綜合體地處市內的情況，因市內空氣相對較差，對幕墻美觀程度較高，且擬建地冬季較為嚴寒，經(jīng)過詳細論證，最終決定采用內循環(huán)雙層玻璃呼吸幕墻[4]。

4 建筑幕墻優(yōu)化設計及其設計效果

該項目在常規(guī)內循環(huán)雙層玻璃呼吸幕墻的基礎上對其進行單元化設計，綜合采用BIM技術，利用建筑設計單位提供的BIM模型，合理劃分建筑幕墻單元。所有幕墻單元均直接進行標準化生產(chǎn)以及工廠化的組裝，高標準化技術可大量節(jié)省施工時間，有效控制工程建設周期，具有突出的社會效益以及經(jīng)濟效益，施工過程中無須在現(xiàn)場采用密封膠組裝。具體而言，單元式內循環(huán)雙層玻璃呼吸幕墻表現(xiàn)出以下優(yōu)點：（1）標準化生產(chǎn)大幅度提高了幕墻單元安裝效率，幕墻施工效率較高，工程工期較短，且幕墻表面平整度良好，裝飾效果突出，單元模塊在BIM技術輔助下可實現(xiàn)精準化定位；（2）單元式內循環(huán)雙層玻璃呼吸幕墻結構密閉性良好，無須依靠密封膠，僅通過結構本身等壓原理就可實現(xiàn)有效密封，且氣密性、水密性更加突出；（3）采用三元乙丙橡膠條替代接縫處的密封膠，可避免幕墻單元接縫處出現(xiàn)灰塵大量累計的現(xiàn)象，可避免幕墻表面受到污染。

工程完工后，經(jīng)過準確測算，單元式內循環(huán)雙層玻璃呼吸幕墻的應用效果突出：（1）單元式內循環(huán)雙層玻璃呼吸幕墻綜合利用溫室效應、煙囪效應原理，能夠解決幕墻節(jié)能問題，同時Low-E玻璃本身的特性也能夠帶來出色的節(jié)能效果；（2）在節(jié)能方面，因內循環(huán)雙層玻璃呼吸幕墻換氣層的效果，比一般幕墻節(jié)能約50%；（3）在隔音方面，相較于一般玻璃幕墻，內循環(huán)雙層玻璃呼吸幕墻結構密閉性更高，隔音效果更好，能夠為建筑物中的人們提供一個安靜的室內環(huán)境。

建筑幕墻在未來仍舊有著廣闊的發(fā)展空間，該工程采用內循環(huán)雙層玻璃呼吸幕墻獲得了較高的節(jié)能效益，節(jié)能效果顯著。目前，國內內循環(huán)雙層玻璃呼吸幕墻造價較低，約在3 500元/m2，盡管造價高于一般的建筑幕墻，但是從行業(yè)發(fā)展趨勢來看，內循環(huán)雙層玻璃呼吸幕墻帶來的經(jīng)濟效益是突出的。

5 結語

綜上所述，建筑幕墻是建筑結構的重要構成部分，建筑幕墻的合理設計決定了建筑的節(jié)能性以及建筑工程建設經(jīng)濟效益。廣大從業(yè)者應深刻認識到，建筑幕墻設計需充分滿足高層建筑建設在節(jié)能方面的需求，通過優(yōu)化設計方案，讓建筑幕墻在起到圍護作用的同時，表現(xiàn)出良好的節(jié)能效果。