装配式超低能耗铝合金玻璃幕墙开发与应用

1 前言

被动式超低能耗建筑在中国的健康发展，逐步由过去的示范项目普及开来。被动式超低能耗建筑的风格魅力得到了广泛的认可，在政府各级部门的大力支持下，被动式建筑的应用范围越来越广泛，由过去的住宅项目逐步向全面发展，公建、民建、厂房、场馆等都有被动式超低能耗建筑在建设或者筹备，被动式超低能耗建筑得到了蓬勃发展。

透明部分外围护结构是应用在被动式超低能耗建筑中的最主要的部件之一，为了适应不同类型建筑的发展，逐步由单一的门窗系统向幕墙发展，同时支撑材料也由塑料、木材包打天下的局面，向多元化方向发展。

铝合金幕墙系统经过30多年的验证，以它独特的魅力得到广泛认可。可是用到被动式超低能耗建筑中，因为铝合金是热的良导体而备受质疑。本文通过充分论证，模拟及数据计算，来说明铝合金玻璃幕墙作为被动式超低能耗玻璃幕墙不但可行，而且还能做得很好。

2 目前被动房用铝合金玻璃幕墙现状

目前市场上超低能耗玻璃幕墙大部分为框架结构形式，有两种体现形式：

（1）幕墙框架加长隔热条，玻璃采用符合被动式建筑要求的中空玻璃或真空中空玻璃，开启扇采用被动窗或普通的断桥窗。这种形式一般是幕墙厂家做法，不懂被动式幕墙做法。

图1 传统幕墙

（2）系统窗的做法应用到超低能耗幕墙中，将系统门窗材料摞起来当幕墙用，这种做法是在走90年代幕墙刚进入中国的老路，结构体系等一系列问题经不起推敲，暴露出来很多问题。

图2 超低能耗幕墙

这两种形式的幕墙结构都有一个共同的特点，就是过于注重幕墙传热系数K值的影响，而忽略被动式建筑的其它要求，所以不能称之为被动式超低能耗铝合金玻璃幕墙。

3 被动式超低能耗铝合金玻璃幕墙所具备的条件

做为一款优质的被动式超低能耗铝合金玻璃幕墙，需要具备很多特质。首先，被动式超低能耗铝合金玻璃幕墙是被动式超低能耗建筑最重要的部件之一，需要满足被动房的需求。其次，要满足玻璃幕墙相关的规定，结构计算、有限元模拟、材料应用、安装工艺等必须满足相应的规范要求。

3.1 玻璃幕墙在被动式超低能耗建筑中的重要性

被动式超低能耗建筑设计的五要素：高保温的外墙，性能优异的透明部分（门窗和幕墙），高效热回收新风系统，气密性，无热桥设计。这五大要素，均与玻璃幕墙有直接或间接的关系。

图3 设计五要素

(1)幕墙安装与门窗不同，幕墙的安装点热桥会非常大，因为幕墙的安装点一般都会在保温层中，会对保温层造成比较大的影响，所以不能不重视。需要将点热桥影响程度计算出来，提供给能量平衡计算。将点热桥控制在影响最小、结构受力满足要求的可控范围内。这是幕墙对保温层的影响。

(2)玻璃幕墙的系统设计，会直接影响被动式超低能耗建筑的透明部分的功能，需要对幕墙系统的传热系数、线热桥、点热桥、太阳得热系数（SHGC值）等严加控制。

(3)玻璃幕墙的气密性会直接影响到热回收新风系统的效率。

(4)玻璃幕墙的气密性会直接影响到整个建筑的气密性。所以，玻璃幕墙的气密性设计至关重要。

(5)玻璃幕墙的热桥很多，包括安装点热桥、安装线热桥；幕墙系统点热桥；幕墙系统线热桥等，所以不能忽视，需要严格控制，确保被动式超低能耗建筑无热桥的设计理念。

玻璃幕墙必须满足国内相应的标准规范要求材料的加工制作安装，结构设计要满足基本幕墙规范JGJ102要求。玻璃的加工制作安装满足JGJ113规范要求。热工设计要满足JGJ151规范要求。

图4 设计需要满足的标准规范

3.3 玻璃幕墙一般要求

水密性、抗风压强度、隔音性能、防结露性能等，也是玻璃幕墙的重要指标，需要控制。

4 装配式被动式超低能耗铝合金玻璃幕墙简介

装配式-超低能耗铝合金玻璃幕墙是融合了铝合金单元玻璃幕墙，被动式玻璃幕墙，同时又增加了很多细部处理的一种幕墙形式，完美地应用于被动式建筑中，特别是装配式-超低能耗建筑。

图5 安装

这种幕墙形式的最大特点是：将面板和金属框架（横梁、立柱）在工厂组装为幕墙单元，以幕墙单元形式在现场完成大部分安装施工任务的框支承玻璃幕墙体系。

5 装配式被动式超低能耗铝合金玻璃幕墙设计

5.1 玻璃幕墙气密性设计

气密性设计是被动房设计的重中之重，尤其是透明部分。玻璃幕墙气密性的好坏，会直接影响热回收新风系统的热回收效率，以及新风系统耗能。玻璃幕墙气密性会直接影响建筑本身的热平衡，增大建筑失热，影响室内环境的舒适度。

幕墙气密性分为系统气密性及安装气密性。幕墙气密性设计要注意以下几个方面：

(1)幕墙系统气密性设计要打破传统的幕墙气密性思维。国标GB21086幕墙气密性分级见表1，最高级为4级。

表1 气密性能分级（m3/M²·h）

常规幕墙能达到3级的气密水平已经非常好，可是作为被动式玻璃幕墙，最高级别4级只是一般要求。被动房的气密要求，在室内外压差50Pa的条件下，换气次数N50≤0.6/h。

图6 常规幕墙

常规幕墙按照气密性最高级4级计算，大概窗墙面积比0.5时，幕墙的换气次数就到了0.6次，还没算外墙的渗透，更何况常规幕墙很难达到4级气密性。

所以，被动式超低能耗玻璃幕墙的气密性设计，不管是材料，还是设计理念都与常规幕墙的设计理念不同。

(2)幕墙隔气层，要与建筑气密层连续。

(3)幕墙的窗墙面积比尽量不要超过0.5，如果超过0.5时，需要进行能量平衡计算，同时，被动式幕墙的密封手段要采用非常规处理，确保幕墙的气密性。

(4)隔气层需要设立在13度线以内，对于高湿热地区，需要考虑型腔内结露现象的产生。

(5)幕墙隔气层需要连续无断点。

图7 气密性设计

5.2 玻璃幕墙的热工设计

根据JGJ/T151-2008要求，对于单幅幕墙结构：

U_CW=(ΣA_g·U_g+ΣA_p·U_p+ΣA_f·U_f+Σl_g·ψ_g+Σl_p·ψ_p)/(A_g+A_p+A_f)

在上面的公式中：

U_CW：单幅幕墙的传热系数；

A_g：玻璃或透明面板面积；

l_g：玻璃或透明面板边缘长度；

U_g：玻璃或透明面板的传热系数；

ψ_g：玻璃或透明面板的线传热系数；

A_p：非透明面板面积；

l_p：非透明面板边缘长度；

U_p：非透明面板的传热系数；

ψ_p：非透明面板的线传热系数；

5.2.1 玻璃幕墙的传热系数

整体传热系数分为两部分：

1)透明部分：U_CW≤1.0W/M².K；

2）有梁柱墙体的非透明部分：U_p≤0.15W/M²·K

框传热系数U_f≤1.3/M²·K

玻璃传热系数U_g≤0.8W/M²·K

玻璃边缘线传热系数Ψ≤0.04W/M·K

非透明面板的线传热系数ψ_p≤0.01W/M·K

5.2.2 幕墙玻璃得热系数（g值）的规定

玻璃幕墙的g值与门窗的规定不一样，需要根据具体情况具体分析。

被动房门窗幕墙的太阳能总透射比（得热系数）g值，被动房导则规定严寒地区≥0.5，寒冷地区≥0.45，夏天<0.3。

南侧幕墙宜采用固定遮阳的方式，东西向可采用活动外遮阳，也可根据当地的气象情况，适当地降低太阳能总投射比。

寒冷地区：建筑南北向幕墙g≥0.45；建筑东西向幕墙g：冬季≥0.45，夏季<0.3。如果没有外遮阳时，可考虑在0.3-0.4之间取值。

5.3 玻璃幕墙的无热桥设计

无热桥设计是被动房设计的一部分，幕墙安装和门窗不一样，有很多埋件连接幕墙与结构，会形成很多的点热桥，以及线热桥，如果不加以控制，对整个建筑失热影响很大。幕墙不能做到完全无热桥，需要控制有度。所有这些热桥需要模拟计算，给建筑能量平衡提供比较准确的数据。

(1)幕墙埋件的大小、数量，垫片的厚度，需要进行热工模拟，同时需要点热桥计算，确保埋件点热桥影响最小。点热桥χ≤0.01W/M²·K。

(2)幕墙埋件以及垫片需要进行结构验算，确保幕墙结构的安全性，确保垫片局部承压不失效。

(3)幕墙安装线热桥也需要严格控制，ψ≤0.01W/M·K。

5.4 玻璃幕墙系统设计

幕墙的系统设计，除了考虑热工因素外，还有其它很多因素。例如水密性、结构抗风压、系统降噪、抗震等等。

(1)幕墙热工设计除了控制框传热系数、玻璃传热系数、玻璃g值外，还要对玻璃托件、螺钉连接等构造点热桥进行控制，在确保幕墙系统构造连接稳定性的同时，幕墙的点热桥χ≤0.04W/M²·K，线热桥ψ≤0.04W/M·K。

(2)幕墙断面设计除了考虑构造影响、美观因素外，更要充分考虑g值的影响。幕墙非透明部分越小越好。Ψ_opa=Ψ_g+U_f×A_f/L_g≤0.11W/M·K

Ψ_opa非透明部分线传热系数

(3)幕墙内表面大面温度不能低于室内温度3度。局部温度不能小于13度，防止结露现象发生。

图8 玻璃幕墙系统设计

5.5 玻璃幕墙结构与构造设计

幕墙结构与构造设计，完全属于幕墙工程范畴。

河北新华幕墙有限公司在幕墙界打拼多年，有丰富的经验与教训，同时在幕墙领域及被动房领域均有厚实的基础沉淀,拥有国内最高级别的幕墙甲级设计一级施工资质，拥有强大设计团队，足能应付各种形式的幕墙工程。

图9 结构设计

利用现代的计算与模拟手段。结构设计采用SAP2000，ANSYS有限元手段。利用Rhino、BIM等技术进行构造模拟，利用热工有限元进行热工模拟。

6 装配式被动式超低能耗铝合金玻璃幕墙的特点

河北新华幕墙有限公司自行研制的装配式超低能耗铝合金玻璃幕墙，完全按照上述设计理念进行设计，进行大量的热工模拟，线热桥、点热桥计算，进行大量的结构模拟，局部承载模拟等各种数据分析，各指标均达到或超过预期要求，被PHI定性为PHA级别的产品，该产品的优点如下:

6.1 热工性能优越

6.1.1 根据PHI严苛的计算给出的结论如下：

框传热系数Uf=0.637W/M²·K；玻璃线传热系数Ψg=0.034W/M·K。采用swisspacer超级暖边条；幕墙整体传热系数Ucw=0.776W/M²·K。

6.1.2 幕墙非透明部分线传热系数：

Ψopa=0.066≤0.11W/M·K，达到PHI规定的PHA优秀级别。

6.2 形式变换多样

图10 玻璃幕墙

这款幕墙的开发，打破了被动式建筑中明框幕墙包打天下的单一局面，形式可以根据设计师的要求变换，立面更丰富。

(1)横隐竖明、横明竖隐、全隐框、明框玻璃幕墙随意变换。

(2)铝合金扣盖形式多样,丰富了外立面效果。

(3)开启方式多样化，其中包括内开内倒显框、内开内倒隐框。特别是平推形式，效果更好，开启可以根据立面分格做到大开启扇，可以做到1500×2000规格，并且开启灵活，密封良好。

6.3 加工质量高，安装速度快

装配式超低能耗铝合金玻璃幕墙，加工制作安装形式承袭了单元式幕墙的优点做法，具有以下优点：

6.3.1 加工质量高

现场大部分加工组装的任务交由车间完成，保证了加工质量。

6.3.2 安装进度快

这一点是被动房首先要考虑的。特别是体量大的被动式建筑，每一道工序都需要一定的时间。被动式建筑结构完成后，第一要考虑的是外墙的封闭问题。

因为不封闭，就不能查漏气点，做不了气密性测试，外墙、地面、顶面的一系列工作就不能往下进行。

框架式玻璃幕墙安装工序：放线-预埋-竖料加工-安装-横料加工-安装-胶条-玻璃安装-保温材料安装-封闭安装-打胶-装饰安装-玻璃清洗。

单元幕墙的安装工序：放线-预埋-板块安装-封闭调整-玻璃清洗。

很多工序都是在车间完成，给现场安装提供了方便条件。单元幕墙的效率提高50%以上。

图11 玻璃幕墙形式多样

6.4 成品保护问题得到很好解决

交叉作业对幕墙的污染一直是一个老大难问题，对于超低能耗幕墙来讲，这种做法难以保证气密性，更不能保证施工质量。

装配式玻璃幕墙是在现场外墙没有湿作业的情况下，玻璃和框架整体吊装，能够很好地解决交叉作业的问题。

玻璃和框架是整体吊装，所以解决了气密性的问题，防止玻璃在现场安装出现不可修复的缝隙，从而出现漏气的现象。

图12 施工和安装

6.5 采用铝合金系统的优点

铝合金幕墙系统经过30多年的验证，以它独特的魅力得到广泛认可。

(1)强度高，重量轻，很适合做幕墙的框架结构；

(2)是可再回收利用材料，典型的绿色建材；

(3)可塑性强。槽口尺寸能够得到保证，气密、水密性能够得到保证；

(4)形式多样，色彩丰富，是建筑师最爱；

(5)耐老化，耐腐蚀，免维护，节省维护费用；

(6)质优价廉，性价比高。

7 结论

本文通过对装配式超低能耗铝合金铝玻璃幕墙的介绍，旨在表述什么样的幕墙才能符合被动式建筑要求。被动式超低能耗铝合金玻璃幕墙的设计、加工制作、安装等需要什么样的条件。同时，一款优质的装配式超低能耗铝合金玻璃幕墙，既要有热物理理论、被动式建筑理论、幕墙理论等作支撑；也要有实践经验和教训做铺垫，要有好的企业文化作沉淀，要有幕墙甲级设计一级施工企业做平台。

参考文献：

[1]《中国被动式低能耗建筑年度发展研究报告》2017.中国建筑工业出版社.

[2]国际被动房设计师/咨询师培训资料.中国被动式建筑网.

[3]《被动式建筑节能建筑智慧城市》.中国建筑工业出版社.

[4]《建筑幕墙》GB21086-2007.中国标准出版社.

[5]《建筑门窗玻璃幕墙热工设计规程》JGJ/T151-2008.中华人民共和国住房城乡建设部.

作者

河北新华幕墙有限公司 张凤军

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