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摘要:以“黑龍江省第二屆BIM及建筑物理環境競賽”獲獎作品為例，闡述嚴寒地區建筑大玻璃幕墻應用現狀及困難點，從圍護結構構造做法、玻璃幕墻對室內光環境的營造等方面展開分析，提出了嚴寒地區大玻璃幕墻建筑的節能設計方法和思路。

關鍵詞:大玻璃幕墻，建筑節能，技術路線，可持續設計

1概述

嚴寒地區主要包括我國東北地區、內蒙古、新疆北部、西藏北部、青海等地區，氣候條件嚴酷惡劣，采暖季長達近6個月之久，極端的天氣對該區域建筑大玻璃幕墻的應用帶來極大難度。隨著近年來建筑技術的不斷提高，幕墻的應用儼然成為時尚建筑的標志性元素，然而玻璃幕墻建筑采用大面積玻璃作為圍護結構，熱工性能和光學性能與傳統圍護結構有很大不同，它在帶來美觀通透的藝術效果的同時，也產生了巨大的能耗問題［1］。調研發現哈爾濱市現有的大玻璃幕墻建筑占比很小，哈爾濱大劇院是使用大玻璃幕墻較為典型的一例。松北區某一在建大型商場主體結構建成后主立面為均勻布置2000mm×3000mm的方形窗洞，但因為主立面不夠美觀，后期施工過程中在已經建成的主體結構外側增設了一層大玻璃幕墻，規范中規定，嚴寒地區不宜提倡在建筑立面上大面積應用玻璃(或其他透光材料)幕墻。如果希望建筑的立面有玻璃的質感，可使用非透光的玻璃幕墻，即玻璃的后面仍然是保溫隔熱材料和普通墻體［2］，從光空間的營造上來講，這種幕墻的設置方法不符合幕墻使用的初衷，本身就是設計上的矛盾點，技術的疲軟給功能和形象帶來巨大壓力，是嚴寒地區大玻璃幕墻應用方面需要不斷探究并解決的問題。

2BIM及建筑物理環境模擬大賽

2．1競賽介紹

“BIM及建筑物理環境模擬大賽”由黑龍江省教育廳主辦，哈爾濱理工大學與黑龍江省土木學會綠色建筑委員會承辦，旨在提高青年學生的科技創新和工程實踐能力，同時提高黑龍江省高校在BIM應用技術及綠色建筑領域的教學和教育水平。競賽內容要求，在中外建筑大師的作品中挑選設計方案，以哈爾濱為模擬建筑地點進行建筑信息模型的建立以及物理環境的模擬分析。對建筑的合理性進行評價，并提出改造建議以及節能設計方案，比賽過程中熱環境模擬部分所用的節能分析軟件主要為綠建斯維爾節能設計軟件BECS及綠建斯維爾能耗計算軟件BESI。

2．2競賽作品簡介

本次競賽方案以巴塞羅那當代藝術博物館為藍本，在盡可能尊重其原設計方案的基礎上進行局部改動，改造后的方案共三層，功能空間與巴塞羅那藝術博物館基本一致。保留重要空間的玻璃幕墻、天窗等透明圍護結構，對門窗、墻體、幕墻等圍護結構在材料選取、構造層次等方面進行合理改造設計，使之在保證光空間豐富性的同時滿足節能的合理性需求。巴塞羅那當代藝術博物館(如圖1所示)建于1995年，充滿現代派藝術特色，是建筑大師理查德•邁耶的作品。建筑材料以白色混凝土為主，同時加入了玻璃的應用，功能上博物館在縱向主要為三層展覽空間，橫向主要分為辦公空間、接待空間、展覽空間三部分;除門廳外，坡道廳以玻璃幕墻圍合;采光方面主要展廳局部靠頂部采光，特別是在頂層，loft式空間被百葉天窗覆蓋，光線通過天窗和開洞照亮底層空間［3］。

2．3研究對象及研究目的

本文所要研究的是指有大面積玻璃幕墻應用的建筑，以巴塞羅那當代藝術博物館物理環境模擬項目為具體研究對象，主要探究其在嚴寒地區的節能設計問題，對巴塞羅那當代藝術博物館進行建模分析(見圖2)，通過對外圍護結構參數的優化調整，從而發現大玻璃幕墻建筑的節能設計要點，并提供一種優化設計方案，為嚴寒地區建筑設計的多樣化提供技術支持，從理論上探討嚴寒地區大玻璃幕墻建筑的節能降耗方法，進而推動玻璃幕墻在嚴寒地區建筑中的合理應用。

3嚴寒地區大玻璃幕墻建筑節能設計技術路線

從玻璃在建筑中的應用和建筑圍護結構的發展過程可以看出，現代建筑中由玻璃所承擔的透明圍護結構的形式基本可以歸為三種:玻璃采光頂、建筑窗戶、玻璃幕墻。建筑的透明圍護結構，需要具有采光、通風、防熱及保溫等多種建筑功能，也需要滿足視覺愉悅及意義表達豐富的外觀形態，同時在建造及節能方面具有比非透明圍護更大的挖掘潛力。本文通過建模分析，優化調整屋頂構造，外墻構造，天窗，外窗及幕墻的材料選取和組合方式，最終得出滿足節能設計標準的設計方案。

3．1研究對象的既定參數

哈爾濱位于中國最北端，是中國緯度最高、氣溫最低的大城市，屬于嚴寒地區。1月平均氣溫不大于－10℃，7月平均氣溫不大于25℃。建筑物必須滿足冬季保溫、防寒、防凍等要求，一般可不考慮夏季防熱，本模擬項目的擬建地點就是嚴寒地區的代表城市哈爾濱市。模擬項目方案的建筑面積為8438．43m2，主立面朝向南偏東24°，體型系數為0．22，窗墻比分別為東向0．33、西向0．31、南向0．63、北向0．25。南向立面在方案中有大面積玻璃幕墻的應用，因此不滿足嚴寒地區各單一立面窗墻面積比(包括透光幕墻)均不宜超過0．60的相關規定，在后續的圍護結構方案設計中按照圖3的程序進行權衡判斷，優化設計。

3．2非透明圍護結構構造措施的選擇

非透明圍護結構主要指屋面和外墻，表1為本方案的屋頂和外墻保溫構造做法。1)屋頂采用倒置式屋面做法，保溫層為150mm厚擠塑聚苯板，屋面總厚度350mm。2)外墻保溫層為132mm厚聚苯板，核心層為190mm厚承重混凝土砌塊，外墻總厚度為370mm。

3．3透明圍護結構的選擇

天窗、外窗和玻璃幕墻是節能設計的重要部分，本方案中應用到Low-E玻璃和白玻分層組合的節能玻璃。1)天窗采用6+9A+6+9A+6暖邊密封節能組合玻璃，自遮陽系數為0．77;2)外窗采用6+12A+6Low-E+9A+6暖邊密封節能玻璃，可見光投射比為0．76;3)玻璃幕墻采用4+12A+4Low-E暖邊密封節能玻璃，可見光投射比為0．80。

3．4BESC模擬分析結果

在上述外圍護結構條件下進行能耗模擬計算，得出主要圍護結構的熱工性能:1)外窗及玻璃幕墻的熱工性能為東、西、南、北向透明圍護結構的傳熱系數分別是1．27W/(m2•K)，1．41W/(m2•K)，1．21W/(m2•K)，1．29W/(m2•K)，綜合平均傳熱系數為1．27W/(m2•K);2)屋面熱工性能為總傳熱系數0．23W/(m2•K);3)外墻熱工性能為總體傳熱系數為0．28W/(m2•K)，考慮線性熱橋后的值為0．37W/(m2•K)。

3．5綜合權衡判斷

目前，我國有大型公共建筑5億多棟，用電強度在70kWh/(m2•年)～300kWh/(m2•年)之間，是住宅的10倍～20倍。因此，公共建筑能源管理是促進節能的重要途徑之一，它將有效地制約建筑能耗的增長速度［4，5］。為了提高建筑能耗管理水平，實現節能的目標和要求，必須建立建筑能耗基準［6］。公共建筑圍護結構熱工性能權衡判斷是提高能源效率、指導建筑節能設計的工具原則，是一種性能化的設計方法。權衡判斷的具體做法就是先構想出一棟虛擬的建筑，稱之為參照建筑，然后分別計算參照建筑和實際設計的建筑全年供暖和空調能耗，并依照這兩個能耗的比較結果作出判斷。當實際設計的建筑能耗大于參照建筑的能耗時，調整部分設計參數(例如提高窗戶的保溫隔熱性能、縮小窗戶面積等)，重新計算設計建筑的能耗，直至實際設計建筑的能耗不大于參照建筑的能耗為止［2］。

3．5．1計算條件設定參照建筑相關參數進行模擬分析計算，得出分析結果，見表2。

3．5．2計算結果根據表2分析計算得出:全年供暖和空調總耗電量60．91kWh/m2、供熱耗電量45．69kWh/m2、耗熱量80．33kWh/m2分別小于參照建筑64．90kWh/m2，50．22kWh/m2，88．30kWh/m2的能耗值，依據GB50189—2015公共建筑節能設計標準第3．4．2條，本模擬項目的設計方案滿足節能設計標準。

4結語

在做嚴寒地區大玻璃幕墻節能設計時，權衡判斷是有效的性能優化設計原則，但應注意兩點:1)以玻璃幕墻的功能性為基礎;2)對建筑整體能耗做權衡判斷并優化方案設計的過程中，不能僅僅以能耗達標為目標導向，忽略掉建筑空間使用者對空間光環境的需求。本模擬項目在做模擬分析能耗計算時，首先保證空間光環境的合理性，然后經過“外圍護結構設計—權衡判斷—再設計”的過程，直至方案達標，通過模擬分析提出了外圍護結構節能設計構造具體做法，為今后嚴寒地區的大玻璃幕墻建筑節能設計提供一定的理論遵循和思想啟發，隨著建筑科技的不斷進步，各種新型圍護結構材料的研發，玻璃幕墻在嚴寒地區建筑設計上的應用必將突破技術上的壁壘，走向多樣化，也更具創新性。

參考文獻:

［1］侯菊．玻璃幕墻建筑能耗模擬及節能措施研究［D］．長春:吉林建筑工程學院，2009．

［2］GB50189—2015，公共建筑節能設計標準［S］．

［3］理查德•邁耶．理查德•邁耶作品集3［M］．北京:知識產權出版社，2004:135．

作者：楊勇 王自尚 周雪瑤 單位：黑龍江科技大學建筑工程學院