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【摘 要】本文主要针对高层建筑大面积双层幕墙的设计展开了探讨，通过结合具体的工程实例，对竖向折面式单元幕墙的实现和大面积双层幕墙的设计作了详细的阐述，以期能为有关方面的需要提供有益的参考和借鉴。
【关键词】高层建筑；大面积；幕墙；设计
高层建筑幕墙是近几年兴起的一种建筑形式，它是近现代科学技术发展的产物。它具有现代感，美观新颖以及自重轻、材料单一，施工方便，维护方便等特点，因而在国内外高层建筑中得以广泛应用，是现代化高层建筑的基本标志之一。基于此，本文就高层建筑大面积双层幕墙的设计进行了探讨，相信对有关方面的需要能有一定的帮助。
1 工程概况
某建筑采用了多种形式的幕墙组合，主楼大面采用竖向折面式单元玻璃幕墙，在高区和低区分别于建筑矩形平面的对角设置两幅被动式双层玻璃幕墙，共计四幅双层玻璃幕墙。
2 竖向折面式单元幕墙的实现
主楼的单元式玻璃幕墙由分别向外倾、向内倾的大、小两个折面形成2m即半个层高的一组折面基本造型，并以该造型为模数自上而下重复而形成，宛如流动的垂直水幕。玻璃幕墙的单元板块高4m，宽1.5m，面玻璃采用髙通透8mm+12A+6mm双银Low-E中空钢化玻璃，向内倾的小折面覆盖了2mm厚50%穿孔率的316级不锈钢穿孔板，宽度方向每隔3块板块设置一条通透的6mm+1.52PVB+6mm夹层超白钢化竖向玻璃肋作为点缀，玻璃肋端部不锈钢板包边。
根据建筑设计要求，竖向玻璃肋后侧的铝型材竖框(以下简称竖框)是垂直通长的(折面通过在竖框外侧加折线形付框来实现），除此以外的其它竖框与折面一致、为折线形，后者是竖框设计的难点。
在实际工程中有少数幕墙项目采用了折线形钢竖框，这是构件式幕墙的设计手法，不适用于单元式幕墙。本项目在单元式幕墙上采用折线形竖框将是一次大胆的尝试，下面就折线形竖框在折弯处的连接及其水密性来重点讨论折线形竖框的设计。
2.1 折线形竖框在弯折处的连接
根据GB50429-2007《铝合金结构设计规范》，采用常用T5AT6合金状态的铝型材，竖框在焊接处的强度只有原强度的50%。通过试算，不能满足强度要求。其实，即使理论计算证明强度可满足要求，实践中也还有一个焊接质量保证的问题。因此，一般而言，焊接不作为优先考虑的连接方式。下面考虑其它连接方式。
结合单元式竖框由公、母竖料插接组成的特点，采取异形铝型材插芯对该部位进行连接，在组装时不锈钢自攻螺钉从竖框内侧将插芯分别与两端竖料固定。这样，既巧妙地隐藏了自攻螺诗，又因采用铝插芯，其能与竖料内腔紧密配合，承载传递弯矩，而相对较小的板块自重由自攻螺钉承载传递，受力更合理；两竖框间拼缝仍焊接，但此时的焊缝仅作为保证单元水密、气密和内饰效果的工艺措施，可认为不参与受力，从而使该处的连接质量更易保证。
2.2 折线形竖框的水密性
水密性的设计难点在于如何保证密封线的连续。密封线的连续包括两方面：一是竖框截面的连续，二是密封胶条的连续。
为此，竖框截面设计时，以向外倾的竖框横截面为基本截面，将该横截面按转折角度弯折并延伸，得到不同折线段的、横截面形状不同的几种型材。这些型材按相应位置切角加工、分段拼接，组装成截面形状连接的折线形竖框，这样也保证了插槽和插腿的连续。
为保证密封性能，在竖框折弯点，胶条也必须随竖框形状转折，同时与插槽尺寸相配。在胶条的横截面设计上，也采用了与竖框横截面转折延伸的同样方法，设计出对应不同折线位置竖框的胶条，且采用整体预制、硫化组角的工艺，制作出和竖框折线角度相同的整体胶条。这样，既保证了胶条的连续及与型材插槽的紧密贴合，又保证了折弯处的强度，大大提高了幕墙的密封性能。
实际工程中，该竖向折面式单元幕墙的测试模型顺利通过结合了幕墙在使用阶段经历各种位移后的气密、水密和结构安全性的全面测试，各项性能均达到设计要求。
3 大面积双层幕墙的设计
根据建筑设计，低区设两幅双层幕墙，高度均为59m，髙区设两幅双层幕墙，高度分别为52m和34m。为体现建筑的晶莹剔透，外幕墙采用拉索玻璃幕墙系统，玻璃为15mm+1.9PVB+15mm超白夹层钢化玻璃；内幕墙为框架式玻璃幕墙系统，玻璃采用8mm+12A+8imnLow-E中空钢化玻璃；内夕卜层幕墙间空腔宽度1.2m，空腔内于楼板面高度处设检修走道，并于靠近内幕墙HW设水平遮阳百叶。
3.1 通风设计
在夏季，双层幕墙通过设置的遮阳百叶，有效地降低了幕墙的整体遮阳系数，从而将由太阳辐射引起的建筑得热尽可能地降低，减小对室内空调冷负荷的需求；在冬季，双层幕墙的空腔温度因太阳辐射而升高，进而减小了对室内空调热负荷的需求，最终达到节能的目的。
双层幕墙的通风方式大致分为自然通风和机械通风。自然通风是利用浮力作用使热空气自然往上升，最后将热能排出幕墙外。机械通风则利用风扇及通风管道将热空气排出。自然通风的显著优点是节能，其缺点是空气流动速度不稳定，从而直接影响排走热能的效率，在效率不佳时，热能会积累于幕墙空腔内，导致内层幕墙的玻璃过热，加大内层幕墙的热传导，降低幕墙的节能效果，也影响室内靠近幕墙区域的人员的热舒适度。机械通风较自然通风稳定，并易于於控制，但机械通风无论在建造成本或运作成本上都比自然通风髙。
为确定采用何种通风方式，采用被业界广泛认可的CFD分析软件STAR-CD，首先对在自然通风下双层幕墙内腔的空气温度进行分析。为了不破坏“外层皮”的整体效果，只考虑进、出风口分别设于整幅双层幕墙底部、顶部的方案，而不考虑沿髙度分层并分设进、出风口的方案。高区向西南方及西北方的双层幕墙，是四幅双层幕墙中最高的一幅，在西北方部分宽13.5m，在西南方部分宽24m，因大部份面向西南方，太阳得热较多，故被取为模拟分析对象。
由于百叶吸收了大部份的太阳得热，幕墙空腔内的温度因而升高。随着热空气的上升，空腔内形成一股负压把外部空气从幕墙的底部抽进。从中可以看出，随着高度上升，从底部抽进相对冷的空气不断升温，当空气到达幕墙顶部时，温度可髙逹50℃以上。此现象是由于热空气上升所形成的气流速度比较缓慢，散热效能相对低。
50℃以上的空气温度会使内层幕墙玻璃表面温度进一步上升，室内靠近幕墙位置的热舒适度将因此受到影响。根据对热舒适度指数的计算表明，空腔内的空气温度控制在45℃以下，才可达到热舒适度标准。另外，内层幕墙中空玻璃内外两侧温差高于20℃以上，在此温差下，幕墙的节能效果会因额.外的传导得热而减少。过高的温差对中空玻璃的耐久性也有不良的影响。因此，自然通风方式不被考虑。
根据上述分析可知，空气得到很高的升温是由于空腔内的换气量低。所以，增加空腔内的空气流动速度应能有效地带走热量，下面分析机械通风方式下空腔内的空气温度。根据建筑设计，每幅双层幕墙的两侧端部都有铝板装饰翼，出于美观考虑，将进、出风口设于装饰翼内，这样，通风用的风扇也不可视。虽然，增加空气流动速度可带走更多的热量，但空腔内的风速也不宜过大，高速空气流动会导致百叶震动，也产生噪音，对室内人员造成干扰，下述分析中设定空腔内的风速为lm/s。先分析双层幕墙不分层的情况。
由此可见，在机械通风的设定下散热效率得到大大的提高，在相对较髙的换气量下，百叶的散热效率亦相对提高，相，对自然通风方式，空腔内的气温也降低了，低层位置能够保持不高于42℃。不过，大部份顶层位置累积了大量热空气，气温高于45℃或以上。此现象是由于楼层间的空腔相连，导致热空气从下层不断累积到上层所致。
为了降低顶层气温，同时也考虑美观，进一步将各个楼层间采用透明隔板分隔，目的是使各层空腔形成一段“风管”状通道，分析结果如下。
由此可知，所有楼层空腔内的气温都低于42℃，亦不存在髙温区。因此，采用分层的机械通风方式使空腔内的温度及风速都更加容易控制，并满足节能和热舒适度的要求。
实际工程中，髙区和低区每个楼面有2个双层幕墙部分，每部分为一个通风单元，每个通风单元的顶部都设置温度传感器，分别在每个面的中点，即每个通风单元有两个温度传感器，作为幕墙通风的判断依据，各个单元的通风独立控制。每个通风单元的进、出风口都设置电动百叶，可以根据通风的需要开启或关闭；为美观起见，在电动百叶外侧设不锈钢穿孔板。出风口位置安装4台Panasonic FV-23NL1C静音型风扇，最大风量1200m3/h、噪声：41dB。当风扇启动时，将热空气排出室外，室外空气通过不锈钢穿孔板和电动百叶进人双层幕墙的腔体，形成双层幕墙腔体内空气的被动式流动，有效地带走热量。控制分夏季和冬季两种模式。
(1)夏季模式在夏季模式下，开启进、出风口的电动百叶、温度传感器测量每层幕墙顶部温度，当传感器探测温度高于35℃时，增开一台相应楼层中的风扇；当传感器探测温度低于30℃时，关闭一台相应楼层中的风扇。
(2)冬季模式在冬季模式下，关闭机械通风系统，幕墙空腔变为一个封闭的空间，由于外层玻璃为透明玻璃，太阳辐射大量进人空腔，产生温室效应，空腔内的气温升髙，并传导到室内，起到了节能作用。
3.2防火设计
高层建筑的防火设计也是设计的一个重要方面，双层幕墙因其自身特点，除了要在内层幕墙与楼板间设防火隔断外，还应避免双层幕墙的空腔在有火情时成为拔火通道。实际工程中，在双层幕墙空腔内于每层楼板标高处都设置了耐火极限为lh的带网格状彩轴的水平防火玻璃隔断作为上文中分析的透明隔板，并将风扇的电动控制系统与消防控制系统联动，这样，在有火情时，不仅水平防火玻璃隔断可有效阻隔火焰向上蔓延和形成拔火通道，而且双层幕墙空腔内的烟雾也可被风扇抽出建筑室外。
3.3 外层拉索玻璃幕墙的结构设计
为了追求外立面的通透性，外层玻璃幕墙采用了不锈钢拉索系统。通常拉索幕墙都运用在大跨度空间，通过预应力建立起结构体系，在主结构上施有较大的作用力。本项目双层幕墙最大高度达59米，若采用通常做法，需要对拉索施加较大的预应力，进而需要支撑幕墙顶、底部的主结构具有足够的强度和刚度，导致主结构设计不够轻盈，也影响幕墙的通透性。
因为双层幕墙外层拉索幕墙的内侧是构件式幕墙，结合这一特点，对外层拉索幕墙的结构体系进行了独特的设计：外层面玻璃的自重通过爪件由拉索承担，而拉索悬吊于顶部主结构钢梁上；外层面玻璃承受的风荷载通过检修走道的不锈钢支架和位于每层层髙中点的水平不锈钢圆撑杆作用到内层幕墙上。这样，既避免了对主结构施加较大的作用力，也巧妙地利用了检修走道的支架，使受力更合理。
实际工程中，选用了φ26不锈钢拉索，在拉索底部设置小型低弹性模量的弹簧，并预加1kN力来绷直拉索，以达到美观效果，同时也避免了拉索因温度伸缩而对上部主结构钢梁施加不可忽视的作用力。
3.4维护设计
外层幕墙的维护与普通幕墙没有分别，这里主要介绍内层幕墙及内外层间空腔的维护设计。设计时在楼层室内位于铝板装饰翼处设置检修门，维护人员通过该检修门进人检修通道。前文已提及检修通道内每层设了水平夹层防火玻璃隔断，该防火隔断也作为走道板使用；为增加维护人员的安全感，在夹层防火玻璃上印有网格状的彩轴。进人检修通道的维护人员可方便地清洁玻璃，维护风扇、电动百叶等各种双层幕墙部件。
另外，本项目还特别考虑了不锈钢拉索的维护更换。为此，检修走道的不锈钢支架被设计成较刚性的连续支架，在某根拉索需要维护时，支架可承担该拉索所在分隔的一层外层幕墙的自重。
4 结语
综上所述，在大面积幕墙的施工过程中，轻微的质量问题都会对整个建筑工程产生不良影响。所以，在进行玻璃幕墙施工时，要确保其功能完善、外形美观，必须对幕墙进行合理设计，具体施工时要严格按照图纸和施工要求进行，确保材料质量和性能，保证幕墙使用性能的充分发挥。
参考文献：
[1]刘威.论现代高层建筑——幕墙施工设计存在的问题和发展方向[J].科技资讯.2013（16）.
[2]吴智勇.论幕墙设计在现代高层建筑中的应用[J].建筑知识（学术刊）.2014（B05）.
论文作者:王吉祥
论文发表刊物:《低碳地产》2016年8月第15期
论文发表时间:2016/11/9
标签：幕墙论文; 折线论文; 外层论文; 玻璃论文; 腔内论文; 空腔论文; 单元论文; 《低碳地产》2016年8月第15期论文;