建筑玻璃幕墙的绿色节能设计探讨

郑彬彬 翠鸟工程咨询（杭州）有限公司

1 前言

在建筑装饰施工中，合理应用节能型玻璃幕墙，不仅能够改善室内温度，还可以减少能源浪费。并且在建筑装饰工程中，合理应用节能型技术，能够优化施工工艺流程，创新并完善施工技术，以此发挥出技术的作用与价值，尽早实现建筑行业的可持续发展，同时促进生态环境、自然能源的发展。

2 玻璃幕墙特点

玻璃幕墙是一种新的墙体形式，它可以将各种不同元素有机地组合在一起，以满足建筑美观、节能的要求。人们从不同的角度看这座建筑，会发现它有不同的美感。尤其是在外部环境不断变化的情况下，玻璃幕墙在白天和夜间的墙面颜色都会发生动态变化，以满足人们不同的审美需要。

但玻璃幕墙本身也存在一些缺点，如限值过高、易受光污染、能耗过大等。玻璃窗墙体虽然平滑、透明，但长期使用容易造成污染，尤其是在空气粉尘含量较高的北方地区，建筑投入使用一段时间后会产生扬尘，根据玻璃设计墙的材料特性，长期使用会产生光变形，造成光污染。

3 玻璃幕墙设计原则

首先，对于玻璃幕墙的结构方式，幕墙的构件是悬挂在建筑主体上的，并将主体结构作为支撑结构，而在此基础上为了避免玻璃幕墙承受不必要的负荷，因此玻璃幕墙结构的设计应为围护结构。

其次，为了避免建筑负荷、减少地震作用以及避免温度、湿度变化对玻璃幕墙产生的影响，无论是对玻璃幕墙自身还是对玻璃幕墙连接构件而言，都需要具备强大的刚度韧性及承载能力，不仅如此，还要具备良好的抗位移能力。

最后，在玻璃幕墙架构的主体建筑外部设计层面，需注重抗震设计。为了能够预防风力作用，使玻璃幕墙不会出现破碎及脱离的现象，需要在进行玻璃幕墙设计的过程中重点考虑玻璃幕墙的位移能力值，并且要加强抗震设计。

4 建筑玻璃幕墙绿色节能设计探讨

4.1 隔热玻璃

隔热玻璃对紫外线和红外线的放射性良好，也是目前应用较为广泛的一种节能型玻璃。隔热玻璃的主要类型包括两种：一种是钠钙硅酸盐类玻璃材料。该类玻璃含有着色剂，具有良好的吸热性。另一种是在浮法玻璃表层涂抹特殊的金属氧化薄膜，从而进行节能型隔热玻璃幕墙的制作。

另外，真空隔热玻璃也是一种玻璃材料类型，其原理为抽走玻璃空腔中的空气，将空腔内部对流及传热清除，具有良好的隔热作用。该类玻璃空腔相对狭窄，仅为0.5mm~2.0mm，两层玻璃间需要通过均匀分布支柱分开，通过Low-E技术的应用，其传热系数为0.5W/（m2·K）。但该类型玻璃的生产工艺具有一定的复杂性，因为中间小立柱导致其美观性不佳，其在幕墙上的应用具有局限性。

4.2 基于柔性太阳能光电幕墙结构设计

为了实现建筑玻璃幕墙的节能，在此基础上，设计一种基于柔性太阳能的光电幕墙，通过此种设计，满足工程设计的节能需求。而光电幕墙之所以可以被称之为柔性结构，是由于在光电板中安装的金属压片属于合成类材料，此种材料可以根据玻璃幕墙的具体排布设计，整体设计过程自由度较高，也正因如此，解决了玻璃幕墙工程在实施中存在的曲面安装工程板困难的问题。并且，材料的自重较轻，在施工中不需要在幕墙结构上安装其他的支撑类结构，因此，也节约了大量工程施工成本。

综合上述分析，对光电幕墙结构进行设计。光电幕墙结构的供电系统是由光电控制系统与玻璃幕墙结构系统构成，前者由多个硅晶体电池连接形成，不同的电池组之间由导线与电线进行连接，通常情况下，电线镶嵌在玻璃幕墙中空位置，并且在玻璃膜与电池组之间由一层透明度极高的薄膜覆盖，可以避免由于薄膜过厚出现遮光问题。

在设计玻璃幕墙结构时，需要全面考虑电池组、导线、集中供电芯片在其中的布设，所有的导线均需要通过变压器进行连接，每一个PV变压设备，均对应一个密封单元，从而构成了一个完整的幕墙供电结构。

4.3 玻璃幕墙结构

玻璃幕墙由玻璃结构骨架拼装组合而成，玻璃与结构骨架两者有机的连接在一起，成为玻璃幕墙结构。其中，骨架可以根据建设要求选择不同型材配置构成，应用连接件固定装饰玻璃。在龙骨架设计过程中，需要考虑到幕墙承重支撑体是否满足设计要求，对玻璃幕墙载荷分布状态进行分析，确保龙骨架可以承受玻璃和幕墙所受到的载荷，通过自身结构传递给支撑体系，再由支撑体系将荷载反馈于主体结构中。

玻璃幕墙可以达到美化建筑外立面的效果，同时其还拥有围护墙体的功能。另外，玻璃幕墙可靠性与安全性体现于抗变形性、抗气密封性、抗风压性、抗震性、抗防火性等方面。

4.4 抗风压设计

玻璃幕墙抗风压设计会对高层建筑工程中采用的玻璃幕墙安全性造成直接影响，可见，在高层建筑工程中的玻璃幕墙设计中，抗风压设计是幕墙结构设计的一项重要内容。针对风荷载，可依据GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》计算获取。但是，高层建筑实际风荷载会受周围场地具体情况、高层建筑工程自身形状等各项因素影响，从而出现与计算值相差较大的情况，最直接的解决问题方法就是采用风洞试验法进行分析，然后采用模拟试验方式获取不同位置在具体应用时可以承受的最大风荷载。

计算风荷载时，要考虑不同位置的体型系数也会存在一定差异，这也就导致同一高度风荷载也会有所不同，因此，针对非对称幕墙结构构件，要全面考虑正风压和负风压在高层建筑工程幕墙中的作用。在计算构件结构时，工作人员要对变形和强度两个指标进行校核，也就是正常应用的极限状态和承载力极限状态。需要注意的是，不同材料的变形值和强度值也会有所不同，在分析时要与其他荷载情况进行组合，对比分析找到最差工况，合理计算，从而使玻璃幕墙安全性能够得到进一步提高，满足应用需求。

4.5 采光与保温系统的合理设计

建筑幕墙不但要保证其室内照明效果，还要保证其建筑立面效果。建筑过程中的绝大部分建筑都需要使用玻璃，与非透明玻璃相比，透明玻璃的保温性不佳。因此，空调消耗及相关采暖设施的投入和透明玻璃面积为正相关关系。比如金属、石墙等非透明幕墙，无法满足视觉通透、天然照明等功能需求。所以，在幕墙设计阶段，需要保证照明及保温的一致性，选择合理的材料，对窗面与墙面的比值进行合理调整。为了保证建筑物的传热系数下降，需要采取保温岩棉等相关措施。

4.6 防变形设计

（1）适应自身变形。风、温度、地震等各项荷载直接作用在高层建筑工程玻璃幕墙上，这会导致型材、玻璃发生变形，对玻璃幕墙的性能和应用造成直接影响。

（2）适应主体结构变形。受风荷载、地震、不均匀沉降影响，会导致高层建筑工程主体结构发生变形，这种变形会间接作用在玻璃幕墙上，为了适应自身变形，玻璃幕墙在设计时通常都采用柔性方式连接。

玻璃连接框架时，应当留出一定间隙，而且玻璃板间要留有一定间隙。采用螺栓进行框架连接，通常要采用柔性垫片，可以适应变形，能够起到减少噪声的作用。上下立柱连接可以采用插芯插接方式进行，在插接部位要预留间隙，可以更好适应高层建筑工程主体结构变形。

4.7 活动百叶技术

遮阳技术的主要作用为实现对建筑物冷热负荷的有效控制，从而避免直射太阳光对建筑冷热负荷造成不利影响。传统模式下，需要将遮阳罩安装在室外，但会对建筑的节能效果产生不利影响，主要表现在循环风管形成困难，无法有效控制热量。为了解决这一问题，需要加强对活动百叶技术的运用，该方法可以通过改变角度实现对太阳位置的有效调整，避免发生通风遮阳问题，提高节能效果。

4.8 节能型玻璃幕墙设计

节能型玻璃幕墙设计包括遮阳体系以及节点设计。在夏季高温季节，阳光通过窗户进入室内，导致温度上升，而冬天室内热量耗散，都是增加室内能耗的原因。为了减少阳光的影响，需要采用百叶格栅、遮阳板等，避免太阳直射，影响室内的温度，以达到隔热的效果。节点设计是提升玻璃幕墙节能的重点之一。

在节能型玻璃幕墙设计中，要按照主体结构的定位线，使用相应的柔性垫片，同时预留1cm~2cm的间隙填充隔热胶。采用隔热设计不但能够起到隔热保温的效果，也有利于降低外界噪声。在玻璃幕墙与周边构件的连接处，需要增加保温材料，并且做好密封设计，提升其保温性能。

节能型玻璃幕墙中，开窗是影响节能保温的因素之一，为了减少能耗，需要控制开窗数量以及面积，同时在窗户与框架之间，设立密封隔离带，减少空气对流，使玻璃幕墙、构件、密封胶等形成统一的整体，从而形成完整的节能型玻璃幕墙体系，这不仅能够发挥玻璃幕墙的美观作用，也能够充分发挥其节能性能。

5 结束语

综上所述，节能型玻璃幕墙作为现代建筑的装饰手段之一，具有较高的应用价值。相比于普通幕墙材料，虽然节能型玻璃幕墙的先期成本高出10%~30%，但是由于其节能效果显著，在长期使用后，能节省大量的电费，5~7年后可以收回先期投入，不仅具有经济效益，而且具备良好的环境效益和社会效益，值得推广应用。