幕墙设计与建筑节能——记长春国际金融中心幕墙工程热工设计

　　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，融合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左右，采用玻璃幕墙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%左右。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。

　　1、项目概况

　　我国幅员辽阔，南北方气候与温度差异很大，不同的环境条件下对建筑幕墙的节能要求也不尽相同。本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°C，最高温度39.5°C，最低温度-39.8°C，属于严寒地区的B类区域。

　　项目总建筑面积约28.5万平方米，幕墙面积约10万平方米。由澳大利亚COX建筑设计事务所作为外方设计公司，并由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。

　　建筑高度：234m;

　　幕墙高度：234.1m。

　　幕墙结构：单元式玻璃幕墙

　　幕墙单元：1357x4100mm

　　建筑技术指标：

　　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%

　　根据吉林省地方标准《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形系数S=0.11<0.3，则维护结构的传热系数需满足下表1：

　　(表1)

　　2、立面分析

　　建筑设计层高4100mm,从上到下横向分格为600mm-730mm-1200mm-1570mm(见左图)。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。建筑师的设计理念即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，是幕墙建筑是否节能的关键。

　　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是能够相当于热工要求的规定值。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。

　　3、热工计算

　　3.1、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：

　　冬季：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

　　=2.21(m2k/W)

　　夏季：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

　　=2.18(m2k/W)

　　则冬季R0=RI+R+Re

　　=0.11+2.21+0.04

　　=2.36(m2k/W)

　　K=1/ R0=1/2.36=0.42≤0.5

　　则夏季R0=RI+R+Re

　　=0.11+2.18+0.05

　　=2.34(m2k/W)

　　K=1/ R0=1/2.33=0.43≤0.5

　　非透明幕墙部分满足热工要求。

　　3.2、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软件计算玻璃参数如下：(表2)

　　取Low-E玻璃冬季的传热系数1.44W/(m2·K)，用Therm7.3软件对幕墙系统进行热工计算。

　　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。

　　4、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。基于对这这个理由，本案的开发商对立面分格进行了改造，将原设计4100mm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2400mm(见图8)。

　　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，查表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经过计算，玻璃的传热系数须要1.32 W/(m2·K)方能满足热工要求(如表4)。

　　建筑设计是建筑师构思缜密的艺术作品，每个作品都蕴含着不同的创作理念，建筑立面则是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原创作品的艺术表现。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(见右图10)。

　　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)。

　　按照当前的玻璃配置，传热系数很难达到1.18W/(m2?K)。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(如图11、12)。

　　结语

　　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，决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，顾此失彼，忽视对幕墙热工性能的影响，以至于加大了幕墙的热损失，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、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。

　　参考文献：

　　[1]GB50176-2002《民用建筑热工设计规范》-第四章 围护结构保温设计

　　[2]GB50189-2015《公共建筑节能设计标准》-4建筑与建筑热工设计

　　[3]DB22/T436-2006《吉林省公共建筑节能设计标准》-3建筑与建筑热工设计

　　[4]徐占发 主编《建筑节能技术实用手册》机械工业出版社-P5页，1.1.6 建筑热工设计分区