摘要：我国建筑行业的快速发展，幕墙结构得到了充分的应用，遵循幕墙节能的原则，落实相关的设计。幕墙节能设计中，积极引入节能材料，辅助降低建筑幕墙的能耗，更重要的是规避潜在的资源浪费，强化建筑幕墙的节能控制力度，维护建筑幕墙的性能和节能效果。
关键词：建筑幕墙；幕墙设计；节能设计
1、幕墙环保的设计措施
某拟建项目是由办公塔楼和商业裙楼所构成（见图1）。该项目考虑到同周围环境的协调以及节能环保，高层办公塔楼从原始方案开始，就摒弃了采用全面玻璃幕墙的现代摩登办公大楼的常有做法，而采用以干净整洁的玻璃面为主，配以光洁的黑色花岗岩，形成两种材料的组合立面，外观简洁明快。石材和玻璃相互交替形成竖向线条，着重表现其稳重、大方、现代的外观设计理念。并根据建模分析光污染的重点部位，在高层办公塔楼的各立面上都设置了竖向遮阳板，有效的遮蔽住反射的光线，使其不至于对周边环境造成影响（见图2）。
在实现绸缎般的商业外观的同时，为达到建筑环保效果，商业裙楼也对原始设计方案作了大量的设计调整和推敲：南侧原始设计的双层彩釉玻璃幕墙，调整为单层彩釉玻璃和中空干挂陶土砖并用的双层组合幕墙（见图3）；取消原始设计的西侧全面彩釉玻璃幕墙，调整为陶土砖网格中空干挂外墙。
幕墙系统类型
框架式玻璃幕墙按安装方式划分，一般可分为构件式和单元式两种。国内最常见的玻璃幕墙安装方式为构件式幕墙，这种施工模式现场工作量大，质量控制相对较难。而单元式幕墙是在工厂内将各种幕墙构件和饰面材料组装成一定宽度、高度的单元板块，然后运至工地吊装，整体进行微调完成整个幕墙的安装过程。这种安装方式加工精度高，现场安装简单、速度快，易于保证幕墙的工程质量。但对于幕墙厂家的技术力量、设备及管理要求结构预埋件位置及安装精度要求较高，整体价格也高于传统的构件式幕墙，因而在国内仅被用于高档次的建筑幕墙设计中。
该项目为满足建筑设计、国家规范及幕墙产品的制作和安装质量的要求，办公塔楼外墙采用了这种单元式玻璃幕墙，幕墙荷载经由四类主要构件传递到主体结构上，即：玻璃、铝框、上墙托架及预埋件。以一个楼层的层高作为一个单元板块的高度，单元板块包括可视玻璃、窗间墙金属背衬板、铝合金立柱、横梁及外部石材、铝合金装饰条等构件，以上构件均预先在工厂加工装配成一个整体。单元板块在工厂进行装配，在工地按顺序由下至上，将板块逐件挂扣在与主体结构牢固连接的托架上，幕墙板块现场的安装速度大大提高。这种安装方式尤其适用于高层建筑，它集安全性、可靠性及合理性于一身，很好的满足了国内规范对于结构性能、水密性能、热工性能及抗震性能的各项要求（见图4）。
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3、幕墙结构性能与安全性
在我国改革开放之初，幕墙技术从发达国家引进后，得到了迅速发展。随着建筑越盖越高，受高空强大风压及温湿度影响，幕墙石板、铝板年久脱落，玻璃无故炸裂等的事故相继发生，使人员安全、社会财产安全受到极大威胁。因而，幕墙的的结构性能和安全性一度受到社会的关注和争议。要解决这类问题，就必须从幕墙构造连接的安全可靠性和材料本身的安全可靠性入手。
3.1 幕墙玻璃
经计算，该项目的高层办公塔楼所承受的最大设计风压约为4.7Kpa。单元板块采用的铝型材支撑玻璃，用以抵抗外力荷载和作用；幕墙大面为玻璃四边进槽、横竖向铝合金压板固定的方式；转角处半隐框玻璃幕墙为两边玻璃进槽，横向铝合金压板固定，竖向用硅酮结构胶加强连接，防止脱落，保证了幕墙构造连接的绝对可靠性。玻璃采用的中空玻璃，内外片均钢化，属于国家现行规范要求的安全玻璃范畴。但钢化玻璃由于自身的制作工艺限制，在安装和使用过程中，存在可能自爆的不安全因素。一般来说，建筑工程中所使用的钢化玻璃都必须进行防自爆处理，处理方式根据建筑的具体要求，有热浸、超白、贴防爆膜等等。该项目依据自身的实际情况，参照最新欧洲标准进行热浸处理，以大大降低钢化玻璃的自爆概率。
3.2 幕墙石材
天然石材系指在自然岩石中开采所得的石材，它是人类历史上应用最早的建筑材料之一。石材在建筑中最初主要作为结构和装饰材料出现，发展到今天，石材作为结构材料几乎已经绝迹，一般仅作为建筑内外表皮装饰材料使用。由于石材的天然特性，它经常能给人带来深厚凝重的文化感、历史感。
该项目选用30mm 厚的天然花岗岩石，是国内高层幕墙中应用最为普遍的天然石材之一，它构细密、强度高、耐久性好、易于开采加工，安装施工技术也相对成熟体结构上的钢龙骨采用干挂方式紧密可靠连接，每块石材的面积严格控制在1.5m2，保证精准的施工质量。石材背面定点开孔，埋设铝合金挂接背栓，与固定在主以内，以降低石材在安装使用过程中碎裂的可能。并于石材背面满铺防坠落纤维网格布，以备不测。
3.3 幕墙陶土砖
说起空心陶土板和陶土管，作为一种可回收再利用的建筑产品，大部分建筑师并不陌生，国外的各类建筑书籍上比比皆是，国内建筑中也有不少成功案例，但真正用陶土做成砖形，用作外墙装饰材料的却几乎没有。这是因为陶土板的轧制工艺造成的，陶土砖相较于陶土板和陶土管类产品，工艺更复杂，且难以成形。将其用于该项目的幕墙设计中，也展现了本项目最为独具匠心的特别之处（见图6）。陶土砖主要运用于建筑商业群楼的西侧和南侧， 每块陶土砖的尺寸设为320mmx90mmx85mm，砖两侧各开φ40mm 的圆孔一个，将其逐个套穿于固定在主体结构的钢管之上，呈花格式布置，配上背部的LED 彩灯，成就了建筑如轻纱般细腻的表面肌理。但在展现迷幻和神奇的同时，作为建筑师还应充分考虑陶土砖的损坏更换以及背部LED 灯具的维修，这就需要建筑师与专业幕墙公司密切配合，共同为建筑的长期维护出谋划策。节能问题现在已经被越来越多的人重视，特别是我国当前的能源形势相当严峻。而建筑的能耗又是总能耗的大户，建筑能耗的50％是通过窗户散失的。不管厂家如何渲染其产品有多么卓越，一幢以玻璃为主的建筑总归会比以墙体为主的建筑耗能巨大，这是不争的事实。在保证建筑美观的基础上，如何减小窗墙比，并通过设备、材料等方面的必要配置，尽可能的降低建筑能耗，是作为建筑师必须思考的问题。
4、玻璃幕墙节能
节能问题现在已经被越来越多的人重视，特别是我国当前的能源形势相当严峻。而建筑的能耗又是总能耗的大户，建筑能耗的50％是通过窗户散失的。不管厂家如何渲染其产品有多么卓越，一幢以玻璃为主的建筑总归会比以墙体为主的建筑耗能巨大，这是不争的事实。在保证建筑美观的基础上，如何减小窗墙比，并通过设备、材料等方面的必要配置，尽可能的降低建筑能耗，是作为建筑师必须思考的问题。
4.1 采用窗边空调系统
考虑结合幕墙的系统设计，该项目在窗边设置了空调的送回风口，形成简易空气幕墙，形成较好的隔热保暖玻璃幕墙系统，达到节能效果的同时，也可以防止由于室内外温差造成的玻璃起雾、结露等现象，形成舒适的窗边办公工作环境。
4.2 采用8mm+12A+8mm 中空Low—E玻璃
通过普通中空玻璃传热最多的是辐射传热，因此减少辐射传热对提高中空玻璃的隔热性能效果最为显著。镀膜玻璃有较低的表面辐射率，是普通玻璃表面辐射率的1/3~1/5，从而使通过中空玻璃的辐射传热大为减少。而
Low—E 中空玻璃具有更低的传热系数和遮阳系数，夏季可以有效地阻挡太阳光中产生热能的红外线，并阻挡室外环境的热量进入室内。低辐射膜玻璃的膜层对红外、远红外有较高的反射能力，冬季可将由采暖、照明和居住者所产生的长波能量反射回建筑物中，大大地提高了各种节能效果。考虑到上海夏季炎热时间较长的气候特点以及办公建筑白天使用率高的特性，在本项目办公塔楼外墙玻璃的选择上，夏季外墙的隔热效果需要着重予以考虑。因此，本项目将Low—E 膜面设置在中空玻璃外片的内表面（见图5）。
4.3 铝型材内设置高性能的隔热垫片以减少热传导
为有效减少热传导，并合理控制成本，本项目幕墙系统节点设计中采用了隔热垫片，使内外铝型材被传热系数较低的高性能隔热材料隔开，加上原有的空气层，从而有效地减少了热传导。
5、玻璃建筑幕墙节能设计中的不足
5.1 建筑设计单位绿色节能知识不足
根据目前实际情况，很多建筑企业并未真正明白幕墙绿色节能技术的意义。由于建筑企业没有掌握幕墙绿色节能技术的实际应用情况，使得幕墙设计归属划分不明确。同时，国内很多绿色节能幕墙，大都是建筑单位自行设计的，剩余部门由相关幕墙公司进行设计，导致国内绿色节能幕墙缺乏统一的设计标准，没有明确的规定，归属权限更是比较模糊。
5.2 缺乏先进的幕墙设计体制
目前国内幕墙设计以施工为主，其要让建筑施工先行。由于幕墙设计过分依赖于建筑施工，因而不利于设计的顺利发展。在激烈的市场竞争中，幕墙设计具有低廉价格、大方美观、采光好等显著特点，从而使其不具备一定的市场竞争力，因而影响到其顺利发展。
5.3 与建筑设计沟通不足
随着国内建筑行业的快速发展，人们除了关注建筑的基本居住要求，人们的关注逐渐由建筑的美观、适用及经济性等专项绿色节能、安全及可持续发展等方面，这就对幕墙设计提出了新的要求。由于现行幕墙设计与建筑设计缺乏沟通，门窗幕墙设计不符合建筑理念要求，极易造成不协调。因此，幕墙设计必须要与建筑设计相融合，在建筑设计精髓理解基础上，设计与其相适应的幕墙幕墙的节能水平。
6、优化建筑幕墙的节能设计的策略
6.1 双层幕墙
双层幕墙是指在建筑的幕墙体系，设计两层幕墙，即：内层幕墙和外层幕墙，在深层幕墙的中间位置，引入保温、散热、通风的装置，辅助提升双层幕墙的功能水平。双层幕墙的间隙是设计中的关键，根据建筑工程的基本需求，规划好相关的功能。例如：建筑对保温隔热有特殊的要求，双层幕墙的中间结构，就可以填充具有保温隔热功能的材料，降低建筑内部热度的散失速度，起到高效的保温作用。我国建筑工程中，双层幕墙可以分为封闭式、敞开式两种，主要是利用双层的幕墙，构成可以灵活处理的间隙空间，做为缓冲的条件，促使双层幕墙在建筑中具备调控的功能，进而降低建筑工程对传统能源的需求，起到节能降耗的作用。
6.2 节能百叶
建筑幕墙设计中，节能百叶的设计形式，具备优质的节能特征，而且其在建筑工程中应用非常广泛。节能百叶的设计，有利于调节室内的环境负荷。建筑工程中，安装了节能百叶，可以调节太阳光的照射，有效控制室内负荷。例如：某12层住宅建筑中，考虑到建筑幕墙的外遮阳功能，设计了一体式的百叶中空玻璃，促使幕墙和节能百叶构成一个整体，当外部太阳光照非常强烈时，居民拉下百叶，就能起到阻挡的作用，该案例中的一体式百叶中空玻璃幕墙，具有可调节的作用，因为节能百叶遮挡太阳光，对室内的明亮度和外部整体效果有影响，所以该住宅建筑中，采用一体式百叶中空玻璃幕墙，既能发挥节能百叶的作用，又能根据自身需求，启用百叶，其为节能百叶改造后的一种类型，辅助减轻室内空调的运行压力，节约电能。
6.3 光电幕墙
光电幕墙是建筑幕墙节能中最为先进的技术设计，现代建筑幕墙设计中，积极推进光电幕墙，拓宽了光电幕墙的使用范围。光电幕墙中，融入了大量的技术，功能呈现出多样化的状态。光电幕墙直接粘贴到建筑外层的玻璃上，通过电池，将光能转化为电能。建筑光电幕墙的节能设计中，提出了太阳能光电幕墙的设计方式，通过此类幕墙的应用，提升了建筑的环保效益和经济效益，最大化的节约了建筑中的电能消耗及成本。建筑外围面积很大，安装光电幕墙，能够大规模的吸收太阳能，进而转化为建筑运营所需的电能。目前，新建的工程中，大多采用光电幕墙，合理利用清洁的太阳能资源，取代传统电能。光电幕墙不仅具有节能的效果，而且可以吸收太阳光中的有害輻射，保障室内人员的健康，同时也在整体上，美化了建筑的外围结构。
6.4 太阳光技术
太阳能技术在建筑幕墙节能设计中，除了应用在光电幕墙上，还涉及多其他方面的应用。幕墙设计时，充分利用光线反射，促使建筑幕墙能够把太阳光反射到室内，解决了室内明亮度低的问题，调整室内环境中的光源分布，在幕墙中，实现了绿色化的节能设计。
6.5 建筑幕墙的节能材料
节能材料是建筑幕墙节能设计中的重要部分。幕墙节能设计中，常见的材料有3种，例举节能材料在幕墙中的设计应用。
6.5.1 镀膜玻璃
镀膜玻璃在幕墙节能设计中，可以控制阳光，在玻璃幕墙的外表面，镀上一层金属化合物，根据幕墙的需求，镀膜玻璃产生了可控制太阳光的颜色，专门把控250～1800mm波长范围中的太阳光，避免阳光直射。镀膜玻璃具备单面透视的特征，即：只能室内看向室外，保护室内的隐私。镀膜玻璃的节能设计，主要是对太阳光的处理，避免建筑室内升温过快，由此降低了空调系统的运行能耗。
6.5.2 夹层玻璃
夹层玻璃在建筑幕墙节能设计中，采用了多片玻璃，组合成建筑幕墙。夹层玻璃的间隙中，使用了有机材料，此种有机材料为透明状，促使玻璃幕墙具有耐冲击性的作用，提高玻璃幕墙安全保护的水平。夹层玻璃材料的应用，在玻璃幕墙施工中，降低了安全防护材料的运用，实现了物料上的节能。
6.5.3 低辐射玻璃
低辐射玻璃（Low-E玻璃），其在建筑幕墙节能中，具备采光、隔离上的优势，起到高效的保温隔热作用。低辐射玻璃与镀膜玻璃类似，但是比镀膜玻璃更为先进，此类玻璃材料的传热系数低，能够反射红外线，阻断了建筑室内和室外的能量传递，调节室内的温度，节约了空调或暖气的能源及费用。低负荷玻璃中，适中的透过可见光，反射出淡蓝色，其在建筑幕墙中，起到了优质的装饰作用。
7、结束语
建筑设计中材料的运用一般不仅仅是单一材料的运用，经常是多种材料的组合。什么样的建筑适合选用何种材料或者说什么材料对于一个特定的建筑具有特定的表现力，这需要我们从材料特性、建筑性质、经济因素,使用部位以及建筑师对不同材料的认识程度等多方面作具体分析对比后才能决定。在设计中，如何通过材料及构造的运用创造一个能表达出建筑气质的外在形式，就需要建筑师对材料及构造有足够的认识以及把握“度”的能力，同时也需要建筑师有一个良好的、成熟的心态，来应对设计中遇到的问题与挫折。
参考文献：
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[4] 郭凡荣.节能技术在建筑幕墙设计中的应用研究[J].住宅与房地.产,2016(21):45.
论文作者:甘俊文
论文发表刊物:《基层建设》2017年第24期
论文发表时间:2017/11/23
标签：幕墙论文; 建筑论文; 节能论文; 玻璃论文; 材料论文; 陶土论文; 石材论文; 《基层建设》2017年第24期论文;