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綠色單元幕墻模塊化系統設計初探

來源:《建筑幕墻創新與發展》  作者:梁少寧  日期:2017-7-4
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  提要:單元式幕墻發展至今,已成為眾多高層及超高層建筑幕墻的主流結構形式。本文將以我司的模塊化綠色單元式幕墻系統研發為案例,將對其中的產品研發立項、設計方案,產品性能分析等方面進行介紹,并針對綠色建筑幕墻產品的模塊化、集成化的設計方法進行可行性研究。
  關鍵詞標準化設計綠色單元幕墻,模塊化,系統研發設計

本文摘自:《建筑幕墻創新與發展》未經許可不得轉載

  隨著我國經濟和科學技術的快速發展,國民的節能環保意識也在不斷加強,社會對建筑物的節能性能也提出了更高的要求。綠色建筑新能源技術等開始大量應用到國內新建筑項目的設計、建設當中,其節能指標對比既有建筑也大幅度提高。特別是最新的《公共建筑節能設計標準》(GB/T 50189-2015)和《綠色建筑評價標準》(GBT 50378-2014)的頒布,對今后綠色建筑的發展和技術升級提出更高的要求。由此,一系列的問題亟待解決:諸如應如何利用可再生資源、使設計節能環保、令產品在使用中節約能源等新要求。玻璃幕墻作為現代建筑的重要標志、外圍護的重要結構,其技術發展也理應滿足以上需求。符合綠色節能指標要求的幕墻產品將注定成為市場的新寵和今后幕墻技術和市場發展的風向標。本文以下章節將對多功能綠色集成幕墻系統中的技術重點及研發過程進行介紹。

  1 研發目標

  從建筑幕墻節能設計及熱工分析角度來看,玻璃幕墻通常處于建筑物熱交換熱傳導最活躍的部位。針對于幕墻節能減排的新產品、新措施近年來不斷涌現。諸如隔熱斷橋鋁材、中空鍍膜玻璃雙層幕墻結構、室內外遮陽設計、減少開啟扇設置等先進的材料或技術方法,均大力促進了幕墻節能技術的發展。然而,上述產品要想實現標準化設計及廣泛使用,均存在一定的局限性問題,如雙層幕墻雖然節能效果出眾,但結構復雜且造價昂貴,還侵占建筑室內空間。室內遮陽保溫隔熱效率較低,而室外遮陽如不能與建筑物及其外圍護結構形成一體化設計,不僅會大大影響外觀效果,還可能會加速室內外的熱交換,此外國內現有的遮陽產品功能過于單一,節能效率不明顯。普通玻璃幕墻減少開啟扇雖然會使得幕墻整體熱工效果提高,但容易會造成樓內空間的整體“密封”,如果空調通風設施運行不好,就會產生室內空間的新風量不足,空氣質量差;而反之設置過多的開啟扇,雖然保證了自然通風,但在某些特殊情況如高層或超高層建筑上,則容易造成安全隱患。經我司綜合考慮,我們選擇以目前高層建筑所應用的主流技術——單元式幕墻為主體,同時增加橫向光伏遮陽、豎向可滑動遮陽、電動通風裝置等獨立功能模塊的設計,研發出一套性能優良、整體性強,同時集成多種功能的綠色單元幕墻產品(如圖1所示),并試圖形成標準化的模塊設計,以滿足國內外有綠色建筑認證LEED認證及相關高效節能需求的高端幕墻工程項目。

圖1金剛GM100多功能綠色幕墻單元效果圖

  2 原理與結構

  2.1幕墻功能模塊構成

  該幕墻系統分為4個主要功能組件模塊,如圖2從左至右依次包括:橫向光伏遮陽板模塊、豎向電動遮陽格柵(詞條“格柵”由行業大百科提供)模塊、單元式幕墻模塊、電動通風裝置模塊。除單元式幕墻核心模塊外,其它組件均可按需添置。

圖2 多功能綠色集成幕墻各主要模塊拆分效果圖

  2.2單元式幕墻系統模塊

  本系統的核心幕墻模塊以金剛幕墻UC100系列標準化單元幕墻系統(如圖3所示)為基礎而研發,經過眾多工程考驗,完全滿足國內實際工程使用。在保溫隔熱方面靈活采用注膠穿條(詞條“穿條”由行業大百科提供)、隔熱墊、多空腔膠條、雙層中空LOW-E鍍膜玻璃等技術確保良好的熱工性能。在結構方面采用閉腔型材保證更好的結構穩定性,并配合我司成熟的標準化系統及配件使用,通用性大大增加,且無需額外試驗檢測費用,可使項目成本大為降低。

 

圖3 UC100單元幕墻系統十字縫節點效果

圖4 UC100單元幕墻系統節點密封性設計示意圖

  2.3豎向電動遮陽格柵模塊

  豎向電動遮陽格柵(圖5)可裝配不同的豎向遮陽線條,也可以根據用戶的喜好或地區的日照不同而更換不同材質或不同形狀,加上可水平滑移活動特性,能滿足不同應用場景的需求。大大提高了在日照強烈地區使用的遮陽性能,減少炎熱季節用于建筑空調制冷能源消耗。

圖5 遮陽格柵模塊示意圖

  2.4電動通風裝置模塊

  幕墻板塊內設有通風裝置,其上通風器(詞條“通風器”由行業大百科提供)靠近樓層地面,而下通風器(如圖6)則設置于樓層結構梁底。通風器可與機械抽風或排風裝置相連接并配合使用。需要通風時上下通風器同時打開,與上通風器配合的抽風機從室外向室內吸入新鮮空氣,而下通風器部位則與排風機配合負責將室內的廢氣排出(見圖7通風模式一);以此達到組織室內氣流有序循環的目的。而室內外的空氣由于氣壓差、熱壓差的效應,也會使得室內外空氣單向流動,此時可僅使用單向抽風或排風機械,并配合采用幕墻板塊間交錯通風的方法(見圖7通風模式二),

  從而根據季節及氣候需要,實現室內外的自然通風及空氣循環(詞條“空氣循環”由行業大百科提供)

圖6 UC100單元幕墻系統通風器圖解

圖7 多功能綠色集成幕墻通風方式示意圖

  2.4電動通風裝置模塊

  橫向光伏遮陽板模塊包含光伏玻璃組件,可在遮陽的同時通過光能發電并儲存于蓄電池組,又或者通過控制系統將光伏電能并入電網。光伏電能可分別供給豎向電動滑移遮陽裝置中遮陽葉片或格柵桿件(詞條“桿件”由行業大百科提供)的左右移動和通風裝置使用。通過標準化設計,橫向遮陽板連接件(詞條“連接件”由行業大百科提供)利用一個轉換裝置在不需要修改幕墻系統模具的情況下實現通用化的配件連接固定,易損部件如光伏玻璃組件等可以很方便地拆裝維修。光伏玻璃背面可采用穿孔蓋板設計,既有利于排水又可幫助光伏組件(詞條“光伏組件”由行業大百科提供)散熱。

圖8 橫向光伏遮陽板效果圖

  3關鍵設計指標與系統分析

  3.1玻璃面板計算分析

  3.2單元插接橫梁計算分析

  地震影響橫梁選用6063-T5鋁型材,幕墻橫梁為雙向受彎構件,在平面外承受由面材傳來的風荷載地震作用等其他荷載(詞條“荷載”由行業大百科提供),并根據面材的寬高比確定橫梁的負荷范圍(三角形荷載、梯形荷載或者均布荷載);在平面內承受由面材傳來的集中荷載及型材本身的自重。上分格高度為1500mm,下分格高度為1500mm,橫梁計算跨度2000mm。

  根據此前玻璃荷載取值情況,得到水平風荷載和地震作用組合設計值為COMB1==5.53kPa。

  由以上計算分析結果,我們再綜合可得作用在橫梁母料上的最大組合應力為 11

  3.3單元插接立柱計算分析

  幕墻單元立柱選取單跨懸挑梁的計算模型,幕墻橫向計算分格寬度按最大B=1500mm,跨長3900mm,懸挑位置約350mm。

  由于幕墻的荷載由橫梁和立柱承擔。玻璃面板將受到的水平方向的荷載,按45度角分別傳遞到橫梁和立柱上,玻璃與立柱之間采用結構膠及入槽方式固定,兩者以鉸接的形式相連,所以此不考慮立柱的扭轉,橫梁又將承受的荷載傳遞給立柱,所以立柱承受荷載簡化為均部線荷載,最后由立柱將所有荷載通過埋件傳遞到主體結構(詞條“主體結構”由行業大百科提供)上。

  由上文的設計荷載及計算結果,我們設計的立柱強度計算模型如下圖9所示。

圖9 單元立柱強度計算模型示意

  立柱撓度計算模型如圖10所示:

圖10 單元立柱撓度計算模型示意

  立柱最大撓度為16.73mm<3850/180=20mm,立柱撓度滿足設計要求。

  2.6單元幕墻熱工分析

  本系統產品設計可以用于中國夏熱冬冷地區、夏熱冬暖地區及大部分寒冷地區。產品熱工性能計算邊界條件如表1所示。

 

表1 熱工性能計算邊界條件

  產品熱工設計的主要參考標準為《建筑門窗玻璃幕墻熱工計算規程》 JGJ/T 151-2008和《民用建筑熱工設計規范》GB 50176-1993,所采用計算軟件為《粵建科®MQMC建筑幕墻門窗熱工性能計算軟件》2010正式版。

  為簡化計算,我們采用了如圖11所示的東向玻璃幕墻幅面,不含及附加光伏及豎向遮陽模塊,并將層間百葉換成中空LOW-E玻璃,以計算其單元玻璃幕墻模塊的熱工性能。

圖11 單元幕墻熱工性能計算幅面設計

  計算可得幕墻幅面熱工計算結果匯總表如表2。

表2 幕墻幅面熱工計算結果

  幕墻主要立柱及橫梁熱工分析計算所得溫度場如圖12所示。

圖12 單元幕墻龍骨溫度場圖

  由以上分析可得,本幕墻系統完全可以滿足中國夏熱冬冷地區、夏熱冬暖地區及部分寒冷地區的使用要求。

  3.4產品日照分析

  在本產品的研發設計中,我司選用了Ecotect軟件對若干個幕墻單元計算模型樣板進行了模擬日照試驗分析。計算模型選取了6m×6m的房間,層高3.9m,凈高3.75m,樓板邊梁300mm×700 mm;幕墻單元幅面尺寸為1500 mm×3900 mm,層間不透明部分分格為1500 mm×1350 mm,透明部分采用雙層中空LOW-E玻璃,產品設置有橫向和縱向固定遮陽設施。模型朝向為正南方。本次實驗分別對建筑物,對北京、上海、廣州三個城市的采光(詞條“采光”由行業大百科提供)率、光照強度、遮擋率、可視度等指標進行了模擬分析。計算參數設定則根據《建筑采光設計標準》(GB50033-2013),試驗內容包括:

  產品采光和照明分析。

  產品空間可視度分析。

  產品日照遮擋率分析。

  將模型的室內地面相對800mm標高(詞條“標高”由行業大百科提供)位置的平面作為日照分析參考平面,1400mm標高位置的平面作為可視性分析參考平面;采用幕墻玻璃外表面作為產品的日照遮擋率分析參考平面,對以上進行網格劃分。

  試驗模型示意圖如圖13所示。

圖13產品日照分析試驗模型

  分析結果如圖14、15、16所示。

 

圖14 模型室內采光率分析結果

圖15 模型室內可視性分析結果

圖16 模型幕墻產品日照遮擋率分析結果

  試驗結果表明,在搭載了含橫向和豎向遮陽模塊之后,單元幕墻系統的遮陽效果提升顯著,可大大降低夏季室內空調使用能耗,但采光率則有所影響。以上海地區為例,室內照度全年均值為174.45lux;在房間進深超過約2.0m的地方其照度低于300lux。日照采光率全年均值為3.49%;在房間進深超過約3.5m的地方其采光率低于3%。,則需要設置人造光源。夏季時,在其遮陽模塊可活動的情況下,其采光率及室內照度可進一步提升,而室內輻射得熱將進一步下降,由此建筑物可得到顯著的節能效果。

  而在室內可視性方面,6m(開間)×6m(進深)的房間,除了靠近幕墻的房間邊緣及角落部位的極小面積處于不可視狀態,絕大部分處于可視狀態,如果再考慮到遮陽裝置的可活動因素,完全可以達到LEED認證要求的90%以上室內可視面積。

  最后,在幕墻日照遮擋率分析中,其節能效果最為顯著,達到35%。由此可見,合理的幕墻遮陽設計,可大幅度改善建筑的能耗情況。特別是搭載了一體化設計的可活動遮陽模塊的幕墻產品,在不降低幕墻整體熱工性能的情況下,夏季能更好減少建筑的太陽輻射得熱,而冬季可調節其遮陽模塊至合適的位置,以便更有利于增加室內的采光和減少取暖能耗。

  4 實現綠色幕墻模塊化設計的展望

  通過本項目的研發可以看到,現有的技術條件已經完全可以實現多功能綠色集成幕墻系統的模塊化設計,同時,借助于先進的計算分析軟件,也能夠對幕墻系統產品在復雜物理環境下進行仿真分析。

  由于該系統各功能組件全都針對降低能源消耗設計開發,能最大程度的減少建筑物的熱損失,并降低建筑能耗。系統模塊化的設計理念也可隨不同用戶需求組合出不同解決方案,不必為了增減某一項功能而重新設計定制,大大節省了設計成本、生產成本和時間成本。同時,采用一體化設計的遮陽、通風功能模塊可顯著降低建筑物的能源消耗、減少污染排放。此外,光伏遮陽板還可為幕墻系統自身甚至建筑物提供額外的電能補給。本項目所研發的系統產品及配套技術已被我司注冊為相關技術專利。

  綜上所述,采用模塊化設計的綠色幕墻產品符合國家節能減排政策,同時能夠促進產業升級和技術發展,其先進的模塊化、集成化設計理念及配套產品在今后的幕墻技術及市場發展中完全大有可為。

  參考文獻

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