淺析鋁合金玻璃幕墻在高層建筑上的運用

【中玻網】玻璃幕墻是當代的一種新型墻體，它賦予建筑的非常大特點是將建筑美學、建筑功能、建筑節能和建筑結構等因素農業生產體系地統一起來，建筑物從不同角度呈現出不同的色調，隨陽光、月色、燈光的變化給人以動態的美。玻璃幕墻是近代科學技術發展的產物，也是現代高層建筑時代的顯著特征。玻璃幕墻的節能途徑通常是通過采用鍍膜玻璃、Low-E玻璃、熱反射玻璃、中空玻璃及斷熱橋鋁型材來降低結構傳熱系數，清理結構體系“熱橋”，降低空氣滲透熱損失，提高密封性等來實現的。工程通過采用斷熱鋁型材及充入氬氣的中空玻璃結構實現斷熱節能，降低了通過傳導的熱量損耗，降低室內水分因過飽和而冷凝在鋁型材表面的可能性。因此，鋁合金玻璃幕墻在高層建筑上的運用受到了業內人士的廣泛關注。
　　
　　1.高層建筑鋁合金玻璃幕墻的應用和發展
　　
　　由內外兩層玻璃幕墻組成的通風式幕墻，又稱雙層幕墻、呼吸式幕墻、熱通道幕墻。內外兩層幕墻之間形成一個通風換氣層，由于此換氣層中空氣的流通或循環作用，使內層幕墻的溫度接近室內溫度，減小溫差，它比傳統的幕墻采暖時節約能源42％～52％，制冷時節約能源38％～60％。隨著我國經濟建設不斷發展，建筑幕墻作為一項高技術產品在我國建筑業發展突飛猛進。隨著鋁合金隱框幕墻的發展，鋁板幕墻也異軍突起，配合鋁合金玻璃幕墻在幕墻工程中進行使用，使得我國高層建筑更加光彩艷麗，形成各種顏色，各種材料組合形成美麗的幕墻圖案。使用鋁板制成的幕墻是建筑幕墻的一種形式，它多用于作墻體的蔽護和不采光的墻壁，代替馬賽克和釉面磚噴涂外墻。目前國內建筑市場上能夠用于幕墻工程的鋁板大致有單層鋁板、復合鋁板和蜂窩鋁板等幾種類型。復合鋁板目前被廣泛應用。
　　
　　玻璃幕墻的傳熱過程大致有三種途徑：一是玻璃和鋁合金(不銹鋼)金屬框格的傳熱：通過單層玻璃的熱流傳熱，通過金屬框格傳熱，通過玻璃的鍍膜層減少輻射換熱;二是幕墻內表面與室內空氣和室內環境間的換熱：內表面與室內空氣間的對流換熱，內表面與室內環境間的輻射換熱;三是玻璃幕墻外表面與周圍空氣和外界環境間的換熱;外表面與周圍空氣間的對流換熱，外表面與外界環境間的輻射換熱，外表面與空間的各種長波輻射換熱。四是普通玻璃幕墻采用單層玻璃和鋁合金型材的梁柱結構，而節能玻璃幕墻則應從上述三種途徑加以考慮：靠前種途徑(熱傳導)對節點設計影響非常大，針對玻璃的導熱性能，設計時采用中空玻璃;針對鋁框的導熱性能，設計時采用尼龍66等結構塑料，形成“斷橋”，可加大熱阻，減少熱傳導，從而設計隔熱幕墻。在此基礎上，再考慮第二種途徑(熱對流)和第三種途徑(熱輻射)，在構造上采用雙層LOW-E玻璃，上下端對流開口，從而設計動態幕墻。
　　
　　建筑幕墻是建筑圍護結構的組成部分，是建筑物熱交換、熱傳導較活躍、較敏感的部位，玻璃作為建筑幕墻的重要構成部分，是建筑物外墻的各種材料較薄、較容易傳熱的材料，所以要節約能源，就要改變玻璃的熱工性能。中空玻璃是由兩片或多片玻璃組成，玻璃間用內部灌有干燥劑的空心鋁管隔離，同時中空部分充入干燥空氣或惰性氣體，并用丁基膠，聚硫膠或結構膠進行密封處理而成，在某些條件下，中空玻璃的斷熱性能優于一般混凝土墻，普通雙層中空玻璃比單層玻璃熱傳導系數小30％左右，反射中空玻璃比單層玻璃的熱傳導系數小70％左右，同時中空玻璃具有較好的隔音性能，一般可使噪音降低39～40分貝。如采用兩片不同厚度的玻璃原片制成的中空玻璃，由于減少了共振，其隔音效果更佳。現階段，大多數提高玻璃幕墻節能保溫性能的工程主要措施是采用鍍膜玻璃、Low-E玻璃、熱反射玻璃、中空玻璃及隔熱斷橋鋁型材降低結構傳熱系數K、清理結構體系“熱橋”、降低空氣滲透熱損失、減少開啟窗扇面積、提高其密封性等。
　　
　　智能幕墻是通風式幕墻的延伸，是在智能化建筑的基礎上對建筑配套技術(暖、熱、光、電)適度控制，通過計算機有效調節室內空氣、溫度和光線，其建筑能耗只相當于傳統幕墻的30％。光電幕墻的基本單元為光電板，光電板是由若干個光電電池進行串、并聯組合而成的電池陣列，將電池陣列放入兩層玻璃中用鑄膜樹脂熱固而成，在光電板背面接線盒和導線，這樣就可以將太陽能轉化為電能為人們所使用。一般情況下，此種幕墻的立柱和橫梁采用隔熱鋁型材。為了減少冬季采暖供熱的熱損失和能源消耗，為了減少夏季空調制冷的熱襲入和能源消耗，玻璃幕墻熱工設計的發展趨向是：對于以采暖供熱為主的幕墻追求達到溫室效應，對于以空調制冷為主的幕墻追求達到冷房效果，無論何種幕墻都將追求合理利用太陽能。動態幕墻(也稱熱通道幕墻、雙層通風幕墻)是一種很好的發展方向，由光電板系統和幕墻系統組成的光電幕墻也是主動利用太陽能的一個應用發展方向，綜合運用光能、熱能、電能的智能玻璃幕墻是較理想的發展方向。我國建筑能耗是相同氣候條件發達國家建筑能耗的2～3倍，在一體建設小康社會的進程中，節能減排的任務十分艱巨。建筑節能是提高住宅舒適度，降低使用費用的基礎，也是可持續發展的迫切要求，只有把資源節約、降低能耗放在突出位置，才能更好地促進和諧社會的建設。
　　
　　2.玻璃幕墻的熱工性能及節能措施
　　
　　玻璃幕墻作為建筑外圍護結構，其傳熱耗熱量及冷風滲透耗熱量所產生的熱損失占全部建筑能耗的40％～50％，如果玻璃幕墻采用合理的結構則可大幅降低能量損耗。玻璃幕墻對既有建筑能耗的影響主要有兩個方面：一是玻璃幕墻的熱工性能影響到冬季采暖、夏季空調室內外溫差傳熱。二是幕墻的透明材料(如玻璃)受太陽輻射影響而造成的建筑室內的得熱。
　　
　　玻璃幕墻的熱工性能主要包括：傳熱系數K、遮陽系數Sc和抗結露系數。傳熱系數K值是指由于玻璃熱傳遞和室內外溫差，所形成的空氣到空氣的傳熱量，其傳熱過程包括對流和導熱兩種方式。傳熱系數是玻璃幕墻熱工性能的重要方面，我國《建筑幕墻物理性能分級》中的保溫性能即由此劃分，K值越低，通過玻璃的傳熱量也越低。玻璃幕墻的遮陽系數是指在相同條件下，太陽輻射能量透過幕墻玻璃的熱量與透過3mm透明玻璃的熱量之比，Sc值越小，阻擋陽光直接輻射的性能越好。所以較低的K值和較小的Sc值即可有效地降低三種熱傳遞。根據實驗結果，導熱及對流傳熱的能力可以用傳熱系數來衡量，輻射傳熱能力可用遮陽系統來控制，建筑物的傳熱是上述三種方式綜合作用的結果。玻璃幕墻的節能設計要點是設計合理的控制手段以達到節能目的，影響玻璃幕墻的熱工性能可以通過控制傳熱和增加遮擋來實現節能。
　　
　　根據節能設計標準，透明玻璃幕墻的熱工性能要求與窗相同，傳熱系數與遮陽系數應根據其在外墻上所占面積比例確定。透明玻璃所占的面積越大，傳熱系數和遮陽系數要求也越小。由于透明玻璃的面積不得大于所在外墻面積的70％，而玻璃幕墻背后有建筑結構梁柱，同時還要滿足防火規范所要求的玻璃幕墻上下層之間需要設置800mm高的防火墻。我們則可以把兩個部位的玻璃幕墻設計成為不透明的玻璃或者其他材料，如果遇到兩個部位的面積和不到整個玻璃幕墻的30％，可通過建筑師設計過程中的計算和設計，適當增加不透明的玻璃幕墻比例，從而調整整個幕墻的系統虛實比例，這樣較終滿足整個玻璃幕墻的節能要求。
　　
　　隨窗墻比(幕墻透明部分和非透明部分的面積比)的加大，通過透明玻璃幕墻的得熱急劇增加，空調冷負荷也隨之急劇增加。由于加工工藝不同，玻璃可以分為普通平板玻璃、吸熱玻璃、熱反射玻璃、低輻射玻璃和一些有特殊用途的功能玻璃，各種玻璃的傳熱系數不同。幕墻型材對幕墻的熱工性能的影響：無論是明框、隱框、吊掛式、點支式還是單元式玻璃幕墻，其結構框架特別是連接點型材的性能都對玻璃幕墻的熱工性能有一定的影響。
　　
　　玻璃的透明性可作為室內采光和取暖，透過玻璃窗的輻射能量總量是由當地太陽光輻射強度、太陽光和玻璃的入射角和玻璃材料的性質決定的。當入射角光線與玻璃法線的夾角超過60度時，反射率就會大幅增加。夏季熱輻射增加空調負荷冬季有取暖的作用。空氣滲透起因于風壓和熱壓造成的建筑物內外空氣壓力差，而建筑物外圍護結構上存在的縫隙或孔洞是產生空氣滲透的必要條件。對于既有幕墻建筑，由于部件松動老化造成了空氣滲透。夏季熱空氣滲入會增加空調負荷。在冬季冷風滲入會增加熱負荷，對于夏熱冬冷地區，冬季室外空氣設計溫度為0℃，室內外溫差20℃，增加的熱負荷不容忽視。
　　
　　降低建筑的窗墻比是較直接有效的降低建筑能耗的方式，在實際工程中，應綜合考慮外觀、采光的要求，根據設計規范要求，玻璃幕墻的性能，選擇合適的窗墻比。采用節能玻璃，提高玻璃熱阻，降低玻璃傳熱系數，是降低玻璃能耗較為直接的方法。為了提高框架熱阻，選用斷熱橋型節能型材，設置玻璃幕墻遮陽系統，遮陽系統屏蔽太陽輻射，減少太陽輻射對室內環境的影響，豐富建筑立面;對于傳熱系數基本相等的各類玻璃幕墻，提高幕墻的氣密性能，減少空氣對流傳熱對于降低建筑幕墻的能耗也較為關鍵。減少各種不可控的圍護結構空氣滲漏，采用可控的通風措施有利于增加新風供給，提高室內空氣品質，降低建筑能耗。除了玻璃面板之外，玻璃幕墻的金屬型材也是影響到整個幕墻系統的外觀和節能兩個重要因素。框式玻璃幕墻中，應該將玻璃與幕墻結構中的加權平均后的傳熱系數作為玻璃幕墻的傳熱系數。如此看來，全隱框玻璃幕墻的傳熱系數比較接近玻璃面板的傳熱系數，因為雖然有結構框架，但是由于隱藏在玻璃面板之后，其對整個幕墻的傳熱系數的影響較小，但從幕墻的安全性來看，明框較為可靠，并通過段熱型的明框，減少金屬框型的熱橋。
　　
　　玻璃幕墻熱橋是結構的一部分，由于它的導熱性能太好而造成整個結構綜合斷熱能力下降。在普通玻璃幕墻中，鋁合金框架是玻璃幕墻的熱橋，它的導熱能力是玻璃的上百倍。冷橋是一種獨特的熱橋，是未經斷熱處理的結構或構件將熱量導走的速度比周圍的區域和橋內側表面都快，因此它的溫度較低，這種類型的熱橋，俗稱為“冷橋”。在冬季未經斷熱處理的鋁型材就是冷橋，室內水蒸氣在冷橋的同表面形成及周圍冷凝水，冷凝水的存在會增加構造處理的難度及在幕墻收邊的室內裝飾面提供發霉的條件。在當今公共建筑中，展覽建筑、體育建筑出于展示功能及美觀的要求，普遍采用大面積的玻璃幕墻，由于玻璃是熱的良導體，為了節能大多采用中空玻璃或Low-E玻璃。如果采用普通玻璃幕墻的鋁合金框架，其傳熱系數為203.00W/m2.K，鋁合金框架將形成熱橋產生能耗。
　　
　　玻璃幕墻的遮陽系統是直接降低幕墻遮陽系數較為直接的方式之一，除了可以通過選擇不同材料特性的玻璃材質外，還可以通過另外設遮陽系統達到降低遮陽系數的目的。這也成為重要的立面形式手法。玻璃幕墻的這樣體系可以根據位置分為外遮陽系統，雙層玻璃幕墻間層遮陽系統、內置遮陽系統三種方式。玻璃幕墻在當今建筑應用越來越廣泛，隨著玻璃幕墻技術應用進一步發展和改進，其在建筑設計中的地位將會更加重要。建筑師應該用適當的設計形式來考慮玻璃目前的形式表現的同時來兼顧其熱工性能，提供按建筑的節能效率，以順應我國“節能減排”政策和節約能源的大趨勢。
　　
　　3.斷熱鋁型材在建筑幕墻推廣應用中存在的問題及對策
　　
　　建筑幕墻是建筑圍護結構的組成部分，是建筑物熱交換、熱傳導較活躍、較敏感的部位，鋁型材作為建筑幕墻的重要構成部分，是建筑物外墻各種材料中較容易傳熱的材料，所以要保證整個建筑幕墻節約能源，就要改變鋁型材的熱工性能。斷熱鋁型材由鋁型材和中間的隔熱材料組成，中間的隔熱材料主要功能阻止熱傳導。國外“斷熱冷橋”技術，是將高導熱性的鋁型材的導熱路徑上的一部分去掉，代之低導熱性的材料，串聯起來并將鋁型材處于不同環境溫度的兩端隔離，這樣得到的復合材料整體的導熱性必將大大降低，熱阻值大大提高，由鋁型材損失的熱量將大大減少。這種隔離方式叫做“斷熱冷橋”或簡稱“斷橋”，應用了這種隔離方式的鋁合金型材就稱為“隔熱斷橋鋁型材”或簡稱“斷橋鋁型材”，隔離物就稱為“斷熱(冷)橋材料”或簡稱“斷熱(冷)橋”、“斷橋”。由于斷熱冷橋的絕熱作用，當型材的室外端已是零度以下時，室內端仍保持常溫狀態。斷熱冷橋與鋁合金之間存在粘結力使兩者能相互作用(相互對力和變形進行傳遞)。這就保證在荷載作用下構件中的斷熱冷橋能夠與其兩邊咬合的鋁合金型材協調變形，共同受力。即斷熱冷橋能夠與其兩邊咬合的鋁合金型材在載荷作用下不會發生相對位移。斷熱冷橋與鋁合金的溫度線膨脹系數比較接近，當溫度變化時，二者間不會產生非常大的相對變形，使粘結力遭到破壞。這是此種復合材料得以存在的前提條件。斷熱冷橋鋁型材有效改善了幕墻的保溫隔熱性能。斷熱冷橋鋁型材承受高溫的能力也較高。但不能對其進行材料噴涂，所以需要噴涂的斷熱冷橋鋁型材應該先噴涂而后復合。
　　
　　時下，斷熱鋁型材在幕墻領域中的使用越來越廣泛，但是玻璃幕墻也存在著一些局限性，例如光污染、能耗非常大等問題。但這些問題隨著新材料、新技術的不斷出現，正逐步納入到建筑造型、建筑材料、建筑節能的綜合研究體系中，作為一個整體的設計問題加以深入的探討。針對防止玻璃幕墻反光的問題有三招：一是選材要選用毛玻璃等材質粗糙的，而不應使用全反光玻璃;二是要注意玻璃幕墻安裝的角度，盡量不要在凹形、斜面建筑物使用玻璃幕墻;三是可在玻璃幕墻內安裝雙層玻璃，在內側的玻璃貼上黑色的吸光材料，這樣能大量地吸收光線，避免反射光影響市民。
　　
　　斷熱型鋁塑復合建筑鋁型材解決了普通建筑鋁型材的傳熱系數高的問題，使鋁門窗與鋁幕墻的保濕隔熱性能得到根本改觀。使效率高節能、高等豪華鋁門窗的推廣應用成為可能，開拓了新的市場發展空間。但斷熱鋁塑復合型建筑鋁型材的質量和安全問題十分突出。主要表現在：斷熱層工程塑料質量的安全可靠性，以及鋁塑復合后兩者力學性能與機械強度的穩定性。目前，對注塑法或嵌條法工藝加工的斷熱型塑復合型材的研究還在不斷深化，探索斷熱層對建筑鋁型材性能的影響以及復合材料的組合機械力學性能，將會日臻完善。斷熱鋁型材應用于窗及明框玻璃幕墻，為達到與其等效的保溫、隔熱效果，斷熱鋁型材一般與中空玻璃配套使用。對于明框玻璃幕墻，由于室內外的鋁合金為一體或直接接觸，而鋁合金的導熱系數很大，保溫、隔熱效果不好。所以，明框玻璃幕墻采用中空玻璃配斷熱鋁型材，具有明顯的保溫、隔熱效果。而對于隱框玻璃幕墻由于幕墻結構與室外直接接觸的是中空玻璃，玻璃與鋁型材之間是硅酮結構膠，結構膠內側是鋁型材。而一般鍍膜中空玻璃導熱系數2.3≤K≤3.2，如采用離線LOW-E鍍膜制成的中空玻璃1.4≤K≤1.8，保溫、隔熱效果已經很好，且結構膠也是低導熱材料，也有良好的保溫隔熱作用。理論分析和實驗結果表明，隱框玻璃幕墻不必采用斷熱鋁合金型材。
　　
　　目前，一部分工程項目為降低成本，采用PVC斷熱條替代尼龍66斷熱條。由于PVC的線膨脹系數與鋁合金的線膨脹系數相差甚遠，而且其強度低(僅30N/mm2左右)、耐熱性差(80℃)、舒緩老化性能差等諸多缺點導致用PVC斷熱條穿條復合后的斷熱鋁型材在實際安裝使用后由于熱脹冷縮的原因會造成PVC斷熱條在鋁型材內出現松動，甚至完全脫離，輕則導致松動、變形，從而破壞氣密性和水密性，重則導致整體松散、脫離。斷熱條也是斷熱玻璃幕墻的功能件。在承載受力的同時，斷熱條還承擔密封、傳接的功能。如果通過機械復合滾壓在一起的斷熱條與鋁型材基質的熱膨脹系數不一致，那么在熱冷不均的條件下，必然會出現變形不一的現象，不能保證鋁型材與斷熱條這兩個完全單獨的組合部分“伸縮同步”，那么就必然導致要么斷熱條在鋁型材槽內的松動，要么在斷熱鋁型材上產生變形應力。另外，斷熱條作為斷熱鋁型材的一個重要組成部分，它的尺寸精度直接決定了復合成型的斷熱鋁型材尺寸精度。玻璃幕墻的裝配精度是0.2～0.3mm，為保證斷熱玻璃幕墻抗風壓性、氣密性、水密性，再考慮累積誤差的余量，若斷熱條本身的外形尺寸不能嚴格控制在0.1mm以下的精度，就很難保證整體玻璃幕墻的裝配精度。
　　
　　鋁合金建筑型材GB5237-2004已經實施，新標準增加了斷熱型材標準，隨后斷熱條的建筑行業標準也將出臺。有了規范化的生產運作參照后，各方面都將對斷熱玻璃幕墻的制造、安裝給予充分的重視，也會進一步推動斷熱玻璃幕墻市場的規范化發展。