建筑幕墙优化设计方法分析

2020-03-06薛萃

工程建设与设计 2020年18期

薛萃

（山西八建集团有限公司，太原030002）

1 引言

我国建筑幕墙行业从1983年开始起步，是中国经济体制改革的产物，与其他传统行业相比，年轻的幕墙行业受计划经济体制的影响相对较小。根据数据显示，截至2017年我国建筑幕墙工程总产值达3 700亿元。建筑幕墙是现代建筑常见的构筑物，和一般常规填充墙不同，建筑幕墙本身是支撑结构构成的完整结构系统，其本身在平面上具备较大的可变性。相对于建筑结构主体有较强的位移能力，且建筑幕墙不直接分摊建筑结构主体所承担的载荷，是相对独立的建筑围护结构。建筑幕墙通常由面板和面板后部达到支撑结构组成，常见面板为玻璃、铝材等，支撑结构常见为钢结构、铝横梁等。既往研究证明，建筑幕墙因本身具备连接活动能力，所以幕墙在平面内，可以承受1/100的大变形，若是采用特殊构件，在建筑主体结构侧向位移达到1/60时，建筑幕墙也不会被损坏[1]。目前，建筑幕墙已经成为我国高层建筑的主要构成部分，伴随技术的不断发展以及建筑理念的不断革新，建筑幕墙的作用也在进一步深化，从基础的围护作用外，建筑幕墙设计还承担着降低建筑能耗，提高建筑舒适度的任务，为给建筑幕墙设计提供有价值的理论参考。

2 建筑幕墙项目概况

某商业综合体建筑整合商业、酒店、写字楼等，建筑面积约为1.5×105m2，是市内重要地标性建筑。该建筑外立面由多个立面单元构成，在初步建筑设计方案中，建筑立面需保持浑然一体的雕塑感，展现现代化的建筑设计理念。建筑幕墙主要材料为无镜面效果的深褐色玻璃幕墙，可隐藏建筑主体结构，褐色涂抹在双层玻璃内片上，可给人营造出良好的视觉深度。

3 建筑幕墙优化设计原理

我国现行的技术规范以及行业标准中对建筑幕墙有明确定义：建筑幕墙是由面板和支撑结构组成的，具有一定的承载能力、变形能力、适应能力，且不分担主体结构载荷的装饰性围护结构。根据我国建筑幕墙发展的应用现状，可对建筑幕墙的种类进行有效划分：（1）按照面板的材料进行分类，如玻璃幕墙、金属幕墙，玻璃幕墙具体指单片玻璃、中空玻璃、真空玻璃。金属幕墙主要是指铝板幕墙、防火板幕墙、不锈钢板幕墙、彩涂钢板幕墙、珐琅板幕墙等。石材幕墙主要是指天然石幕墙、花岗岩幕墙等。除此之外，还有诸多人造板幕墙，如陶瓷板、瓷板、微晶玻璃等。（2）根据建筑幕墙支撑结构进行分类，有框架支撑幕墙、隐形幕墙、半隐形幕墙等。（3）根据面板支撑结构分类，有钢结构支撑幕墙、全玻璃幕墙等。从行业发展现状来看，玻璃材质幕墙在我国的应用最为广泛。早在2010年，我国就已经具备了独立生产大规格三夹胶夹层玻璃的能力，针对玻璃幕墙，我国科研人员也开展了诸多研究工作。比如，玻璃幕墙应力分布研究、中空玻璃支撑点设置研究以及玻璃最大挠度状态研究等。玻璃建筑幕墙的设计方法也引起了人们的高度关注，常规设计规范不考虑中间层的结构作用以及功能作用。国内学者在近几年提出，玻璃建筑幕墙的中间层通过设置离子性中间膜能够提高玻璃建筑幕墙的结构承载能力，提高建筑的保温性能以及隔热性能，彰显现代建筑建设环保、节能、生态理念。

建筑幕墙节能性的表现已经成为现代建筑幕墙设计的主要目标之一，节能性建筑幕墙的应用也成为现代建筑行业发展的新趋势。常见的建筑玻璃幕墙为Low-E中空建筑玻璃幕墙，设计理念先进，舒适效果突出的则为双层玻璃呼吸幕墙。双层玻璃呼吸幕墙和常规玻璃幕墙相比，在建筑幕墙中间形成了一个良好的通风换气通道，根据结构类型可将双层玻璃呼吸幕墙分为外循环和内循环两种类型。其中，内循环双层玻璃呼吸幕墙一般在我国寒冷的北方地区应用，玻璃和外界换气通过热通道、通风口实现，玻璃中有热空气循环流动，可保证内侧的双层玻璃呼吸幕墙始终接近室温，从而营造出一个舒适的室内温度。外循环双层玻璃呼吸幕墙则是在外层玻璃幕墙上下两端设置进风口以及排风口，可选择和热风通道连接，在冬季接受阳光直接照射，热通道内空气逐步升温，然后改变双层玻璃呼吸幕墙中的空气温度，达到降低建筑物采暖运行费用的目的[2，3]。

相对而言，外循环双层玻璃呼吸幕墙比内循环双层玻璃呼吸幕墙更为环保，但是外循环双层玻璃呼吸幕墙造价较高，且会受到室外控制质量影响，不适合在寒冷的北方地区使用，且需要定期进行维护，不然外部灰尘等就有可能吸附在外循环双层玻璃呼吸幕墙中，进而影响其美观性。针对该商业综合体地处市内的情况，因市内空气相对较差，对幕墙美观程度较高，且拟建地冬季较为严寒，经过详细论证，最终决定采用内循环双层玻璃呼吸幕墙[4]。

4 建筑幕墙优化设计及其设计效果

该项目在常规内循环双层玻璃呼吸幕墙的基础上对其进行单元化设计，综合采用BIM技术，利用建筑设计单位提供的BIM模型，合理划分建筑幕墙单元。所有幕墙单元均直接进行标准化生产以及工厂化的组装，高标准化技术可大量节省施工时间，有效控制工程建设周期，具有突出的社会效益以及经济效益，施工过程中无须在现场采用密封胶组装。具体而言，单元式内循环双层玻璃呼吸幕墙表现出以下优点：（1）标准化生产大幅度提高了幕墙单元安装效率，幕墙施工效率较高，工程工期较短，且幕墙表面平整度良好，装饰效果突出，单元模块在BIM技术辅助下可实现精准化定位；（2）单元式内循环双层玻璃呼吸幕墙结构密闭性良好，无须依靠密封胶，仅通过结构本身等压原理就可实现有效密封，且气密性、水密性更加突出；（3）采用三元乙丙橡胶条替代接缝处的密封胶，可避免幕墙单元接缝处出现灰尘大量累计的现象，可避免幕墙表面受到污染。

工程完工后，经过准确测算，单元式内循环双层玻璃呼吸幕墙的应用效果突出：（1）单元式内循环双层玻璃呼吸幕墙综合利用温室效应、烟囱效应原理，能够解决幕墙节能问题，同时Low-E玻璃本身的特性也能够带来出色的节能效果；（2）在节能方面，因内循环双层玻璃呼吸幕墙换气层的效果，比一般幕墙节能约50%；（3）在隔音方面，相较于一般玻璃幕墙，内循环双层玻璃呼吸幕墙结构密闭性更高，隔音效果更好，能够为建筑物中的人们提供一个安静的室内环境。

建筑幕墙在未来仍旧有着广阔的发展空间，该工程采用内循环双层玻璃呼吸幕墙获得了较高的节能效益，节能效果显著。目前，国内内循环双层玻璃呼吸幕墙造价较低，约在3 500元/m2，尽管造价高于一般的建筑幕墙，但是从行业发展趋势来看，内循环双层玻璃呼吸幕墙带来的经济效益是突出的。