1 引言
玻璃幕墻作為現代建筑的外圍護結構，因其重量輕并具有獨特的通透性和藝術感，集裝飾和使用功能于一體，受到建筑師和開發商的青睞。同傳統的建筑外墻體相比較，玻璃幕墻的重量約為傳統磚混結構的 1/3，使得建筑的重力荷載大為減小。但是，因為選用玻璃和金屬構件，玻璃幕墻成為熱交換最為敏感的建筑部位，其熱損失往往增加至傳統墻體的 5~6 倍，耗能約占建筑總能耗的 40%。國家節能減排政策已經實施，改善與提高玻璃幕墻節能性能成為幕墻行業亟待解決的問題。
圖1 長春國際金融中心東北向
2 項目概況
我國幅員遼闊，南北方氣候與溫度差異很大，不同的環境條件對建筑幕墻的節能要求也不盡相同。長春國際金融中心項目位于東北吉林省長春市，地處東北松遼平原腹地，年平均氣溫 4.8℃，最高溫度39.5℃，最低溫度 -39.8℃，屬于嚴寒地區的 B 類區域。項目總建筑面積約28.5 萬 m2，幕墻面積約 10 萬 m2。由澳大利亞 COX建筑設計事務所作為外方設計公司，澳大利亞最著名的建筑大師、學者、畫家 Philip Cox 擔當主設計師。長春國際金融中心以發散性的思維提出了建筑立面設計滲透中國傳統文化的理念，旨在汲取中國書法精華的意念之中，追求建筑立面彰顯中國悠遠文化淵源，把水的概念體現在整體平面布局建筑形態的設計上。
長春國際金融中心 A 座大廈形體設計簡潔、優雅、時尚，從下到上依次設置為五星級酒店及高檔公寓。具體指標如下：建筑高度 234m，幕墻高度234.1m，單元式玻璃幕墻，幕墻單元 1 357x4 100mm，體型系數0.11，窗墻比：南、北0.45，東、西0.39，傳熱系數≤2.1W/(m2·K)，透光率≥ 68%（圖 1）。
由吉林省地方標準《公共建筑節能設計標準》（DB22/T436-2006）可知，本建筑為甲類建筑且建筑的體型系數 S=0.11 ＜ 0.3，則圍護結構的傳熱系數需滿足表1。
3 立面分析
建筑設計層高4 100mm,從上到下橫向分格為600mm－730mm－ 1 200mm － 1 570mm（圖 2）。其中 1570mm 為采光部分，600mm為窗檻墻高度。豎隱橫明的單元式玻璃幕墻結構，橫向裝飾框鑲嵌LED 光源。建筑師的設計理念既適應立面表達的藝術需求，在構造設計上又充分考慮了嚴寒地區冬季的保溫要求，以滿足建筑熱工性能要求。玻璃幕墻的熱交換途徑有三種方式：傳導、對流和熱輻射。對于東北嚴寒地區，冬季的保溫節能理應成為幕墻設計技術控制的主要內容。由于玻璃面積占了幕墻立面的絕大部分，參與熱交換的面積大，故玻璃性能好壞是幕墻建筑是否節能的關鍵。
圖2 建筑墻身剖面
根據《民用建筑熱工設計規范》GB50176 中表 3.1.1 對嚴寒地區的規定：“必須充分滿足冬季保溫要求，一般可不考慮夏季隔熱”，本項目只考慮幕墻系統的冬季保溫性能。除了大廈底層全玻璃幕墻以外，建筑外立面均為有框幕墻結構體系。一般來說，如果是全隱框的玻璃幕墻，由于鋁合金框在室內，參與熱交換的總量有限，熱損失較小，幕墻的整體傳熱系數近似取玻璃的傳熱系數也能夠滿足熱工要求的規定值。但是作為明框玻璃幕墻，鋁合金龍骨的導熱系數大，冷橋現象對幕墻的傳熱系數影響較大，尤其是在北方，將會造成很大的熱損失。
幕墻的整體傳熱系數必須是玻璃和鋁合金框的加權傳熱系數，而有效提高幕墻鋁合金型材的保溫性能是節能設計的重要措施。本項目玻璃幕墻為橫明豎隱形式，鋁合金龍骨設計為隔熱型材，隔熱材料采用 PA66GF25 隔熱條（圖 3，4）。
圖3 幕墻豎框
圖4 幕墻橫框
4 熱工計算
4.1 層間部分熱工計算
（6+1.52PVB+6+12Ar+8mm）＋ 70mm 空氣間層＋ 2mm鋁板＋ 100mm 保溫巖棉熱阻的加權計算：
R冬季＝R中空鋼化玻璃＋R空氣＋R鋁板＋R保溫
＝ 0.033/1.472+0.18+0.002/203+0.100/0.05＝ 2.21m2·K/W
R夏季＝R中空鋼化玻璃＋R空氣＋R鋁板＋R保溫
＝ 33/1.472+0.15+2/203+100/0.05＝ 2.18m2·K/W
則冬季 R0＝RI ＋R＋Re
＝ 0.11 ＋ 2.21 ＋0.04 ＝ 2.36 m2·K/W
K=1/R0=1/2.36=0.42 ≤ 0.5
則夏季 R0＝RI ＋R＋Re
＝ 0.11 ＋ 2.18 ＋0.05 ＝ 2.34m2·K/W
K=1/R0=1/2.33=0.43 ≤ 0.5
非透明幕墻部分滿足熱工要求。
4.2 透明幕墻部分熱工計算
A座主塔樓采用單元式幕墻構造形式，玻璃選用6+1.52PVB+6+12Ar+8mm夾膠雙銀 low-E 中空玻璃，暖邊中空玻璃間隔條。應用美國勞倫斯·伯克力實驗室的 Window 7.2 軟件計算玻璃參數見表2。
取 low-E 玻璃冬季的傳熱系數 1.44 W/(m2·K)，用 Therm7.3軟件對幕墻系統進行熱工計算，結果見表3。
幕墻系統滿足熱工要求，此時幕墻系統的加權傳熱系數很接近限值（圖 5(a)，圖 6 ～ 8）。
圖5
圖6 框1
圖7 框2
圖8 框3
5 幕墻構造調整對熱工性能的影響
玻璃幕墻的特性之一就是通透性。充分利用自然光，使得室內光線充足，減少了白天室內的人工照明，從而減少電耗，達到建筑節能的目的。基于此，本案的開發商對立面分格進行了改造，將原設計 4 100mm 層高內從上到下的分格更改為 850mm －850mm － 2400mm，取消了室內 600mm 的窗檻墻，將采光部分增至 2 400mm（圖 5(b)）。
建筑幕墻作為外圍護體系，立面分格的調整勢必影響到保溫性能。改變之后立面的窗墻比為0.58，查吉林省公共建筑節能設計標準3.2.1-2得知，透明幕墻部分的傳熱系數限值提高了一個等級為 1.8W/(m2·K)。若要在原幕墻結構不變的前提下進行計算，玻璃的傳熱系數須要 1.32 W/(m2·K) 方能滿足熱工要求（表4）。
建筑立面是建筑師設計理念的外部表現，直接被眾人欣賞和評價。立面分格的改變無疑會影響到建筑立面的藝術表現。本建筑立面所表現的書法藝術是書法家舒同的作品，他曾被毛澤東譽為“馬背上的詩人”。幕墻分格的調整使得動態 LED 所表現的字體間斷，有損連續流暢的書法韻律。我們通過動態效果的對比，與開發商溝通后，在采光分格中間增加了一個橫框，將分格劃分為 850mm －850mm － 1650mm-750mm，縮小了 LED點陣間距，避免了字體中斷 ( 圖 9)。
圖9 夜景LED效果
要提高建筑的保溫性能必須控制圍護結構的傳熱系數。在熱工性能復核時發現，由于增加了一道橫框，幕墻的傳熱系數超出了限值 1.8 W/(m2·K)。如果單純調整玻璃參數，需要將玻璃的傳熱系數降到 1.18 W/(m2·K) 才能滿足要求（見表5）。
我們對鋁合金型材進行了優化設計，以均衡地調整各種材料的參數，把原來 14.8mm 的隔熱條改為 22mm 高（見圖 10，11）。
圖10 優化前插接橫框
圖11 優化后插接橫框
圖12 框2優化
圖13 框3優化
圖14 框4優化
經過熱工計算，改變隔熱條的高度能夠很好地改善鋁合金型材的導熱系數（圖 5(c)，圖 12 ～ 14）。通過優化設計，保持了玻璃的傳熱系數為1.32 W/(m2·K)，最終的幕墻系統傳熱系數為1.78W/(m2·K)，見表6。
6 結語
建筑幕墻的熱工性能是與幕墻的分格及幕墻的構造密切相關的，立面分格的調整會導致幕墻保溫性能指標發生變化。建筑設計是一個完整的系統工程，無論是在方案設計階段與幕墻設計的早期協同中，還是在后期的幕墻設計過程中，任何對立面分格的調整，都應考慮對幕墻熱工性能的影響，絕不能僅僅為了提高玻璃和鋁型材的利用率而隨意更改立面分格，以至于加大幕墻的熱損失，造成能耗的增加。
玻璃幕墻作為建筑外表皮，既要強調平面的構成和立面各個部分的協調，也要從幕墻構件的制作工藝和構件截面上精心設計、細致組合，同時必須綜合考慮幕墻的整體性能，正確進行對玻璃參數、鋁合金型材及其構造的優化設計，使得幕墻整體傳熱系數符合熱工規范的要求，最大限度地降低能耗，達到保溫節能的功效。
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