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被動式公共建筑外立面幕墻的設計要點,中國建材網,cnprofit.com
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被動式公共建筑外立面幕墻的設計要點
2021年01月26日    閱讀量:5942    新聞來源:中國建材網 cnprofit.com  |  投稿

被動式公共建筑外立面幕墻的設計要點 中國建材網,cnprofit.com

【摘  要】目前,在我國,建筑耗能已經與工業耗能、交通能耗并列成為能源消耗的三個大戶。為了減少建筑能耗,我國建筑領域已經普遍執行了“三步節能中”的65%的節能指標,其中天津、北京、新疆等地居住建筑率先開始執了75%節能的指標。同時,由于對建筑節能性能要求的提高,被動建筑、超低能耗建筑、綠色建筑等名詞越來越多的出現在建筑領域,也越來越多的被使用者所提及中國建材網cnprofit.com。國內已經有很多優質的被動式節能建筑投入運營,并獲得了很好的社會效益和經濟效益。被動式建筑大部分都做為居民住宅建筑實現,作為公共建筑的形式比例不高。本文針對被動式建筑的外立面幕墻進行分析和說明,著重體現被動式建筑在公共建筑領域的應用。


【關鍵詞】:被動建筑、被動門窗幕墻、無熱橋設計、氣密性設計、隔熱性設計


一、被動建筑簡介

1.被動建筑的概念

根據資料顯示,最早“被動式建筑”的名詞來源于德語“Passivhaus”,翻譯為中文就稱為“被動式建筑”或稱為“被動式房屋”。此種建筑概念由瑞典隆德大學的Bo Adamson教授和德國被動式房屋研究所(Passivhaus Institut)的Wolfgang  Feist博士在1988年5月確立而逐步形成的。并確立了自身的建設和認證標準。

通常,以非機械電氣設備干預,利用建筑朝向布置、遮陽措施的設置、高性能的建筑圍護結構的應用、通風口的合理設計等方法,來降低采暖、空調,通風等系統的建筑能耗的技術,稱之為被動建筑技術。而根據被動建筑技術設計,并滿足被動式房屋認證標準的建筑就稱為被動式建筑。被動式建筑被確立的根本目的是利用非常少的能耗,將室內溫度、濕度、空氣等指標調節到人體感到舒適的標準環境。


2.被動式建筑的認證標準

  根據德國被式房屋認證機構PHI的認證標準,被動式建筑設計主要的指標涉及以下幾個方面:

 ?、倌旯┡ㄖ评洌┬枨笥嬎阒怠?5kwh·㎡·year;

 ?、诠┡摵煞逯涤嬎阒怠?0w/㎡;

 ?、勰暌淮文茉聪挠嬎阒怠?20kwh/㎡·year;

 ?、芡L交換律測量值η50≤0.6;

 ?、菽瓿瑴仡l率25℃≤10%  室溫保持在20℃—26℃;

 ?、奘覂认鄬穸?40%-60%;

  由上述的指標可以看出,被動式建筑主要是關注居住者的感受,所以其標準主要是側重于居住環境的舒適度和室內空氣質量(IAO)。具體來說,就是一棟被動式建筑,必須保證室內空氣的清晰,無冷凝現象,有適合的溫度,良好的氣密性并有足夠的經濟性。如果從建筑節能角度來說,被動式建筑需要在保證室內居住環境的前提下,進行建筑節能設計。

  3.被動式建筑的發展

  被動式建筑由于其高節能性、對居住者的良好感受,因此,在國內的發展比較迅猛。很多業主和建筑師都在嘗試實踐被動房項目。相應的地方標準和規范也逐漸出臺,為被動建筑的發展提供良好的平臺。

  目前我國個別省份也制定并實施了被動房的相關設計標準、圖集。例如河北省住房和城鄉建設廳批準實施的河北省工程建設標準設計《被動式低能耗居住建筑節能構造(DBJT02-109-2016)》。與PHI所規定的指標相比,特別在窗戶的性能提出了具體的指標要求。具體指標如下:窗戶整體性能:K<1.0W/㎡k,其中玻璃K<0.8W/㎡k;窗框K<1.3W/㎡k。

  二、被動建筑中門窗幕墻的設計要點分析

  為完成被動建筑的高性能,作為建筑的外表皮,門窗幕墻的設計就需要有特別的考慮。所有的設計都為了讓整個建筑的外衣能夠幫助建筑實現被動建筑的標準和要求。因此,被動建筑的門窗幕墻設計除了必須的自身性能要求外,還應關注以下方面。

  1、選擇合理的保溫材料,除了要控制傳熱系數以外,還應控制好保溫面的完整性,避免其它構造對保溫層連續性產生影響;

  2、選擇合理的密封構造,做好門窗幕墻邊部收口的密封處理,控制好氣密性能;

  3、設置合理的遮陽,充分利用遮陽系統對建筑物的得熱影響;

  4、控制好結露問題,尤其是保溫材料的兩端溫差比較大,易有結露的風險;

  5、盡量減少熱橋,不論是安裝產生的還是構件產生的熱橋都應該盡量控制,避免其對整個幕墻熱工性能產生不良影響;

  三、通州當代MOMA博物館被動建筑的簡介

  當代MOMA建筑藝術博物館位于北京市通州區,建設方為北京潤錦房地產開發有限公司。該項目位于寒冷氣候區,總建筑面積為1603㎡,地上建筑面積為1139㎡,地下建筑面積為464㎡;地上3層,地下1層;建筑高度13m;外立面幕墻面積約2300平米。建筑的主要功能為建筑藝術、技術展示。建筑設計由清華大學建筑設計研究院完成;節能設計由中國建筑科學研究院有限公司環能院高性能建筑設計研究中心完成。

被動式公共建筑外立面幕墻的設計要點 中國建材網,cnprofit.com

  1. 建筑表皮的基本情況

  當代美術館外形比較復雜,除南立面是大面積玻璃幕墻以外,其它立面和屋面都是雙曲面造型,通過石材板巖的搭接形成雙曲的外形。建筑屋面的頂部形狀近似盆型,屋面上設置觀景平臺。屋面低洼處設置天溝和排水口。天溝和排水設置在石材板下,不影響建筑外觀。建筑屋面的雙曲造型由主體鋼結構完成。

  南立面采用通透的全玻璃幕墻體系,整塊通高的玻璃高度13m。西、北、東立面和屋面采用石材板巖疊型構造的形式。疊型石材板巖厚度為15mm,規格為250mm寬250mm高(石材可視部分)。石材規格比較小,而且是開放式體系,因此在石材內層設置防水層。

  屋面觀景平臺出入口、建筑入口位置采用玻璃幕墻配合高節能高密封的開啟門。建筑立面設置被動窗,窗套為天圓地方的鋁板造型。屋面設置成品玻璃天窗,附帶遮陽系統。

  2.本被動建筑幕墻屋面體系設計應考慮的問題:

 ?。?)南向全玻璃幕墻,受玻璃幕墻邊緣形狀所限,為確保建筑外觀方案效果的良好實現,無法設置外遮陽,需要建筑設計通過其它手段減小對整體的影響。

 ?。?)本工程圍護結構形狀復雜,種類較多,包括玻璃幕墻、石材屋面、石材幕墻、構件式幕墻、門窗、UHPC幕墻等多種體系。

 ?。?)需要解決好整個外圍護幕墻的整體氣密性能。

 ?。?)石材板瓦外立面系統、全玻璃幕墻、構件式玻璃幕墻需要金屬龍骨固定,金屬龍骨穿透保溫層對保溫性能影響比較大,因此,必須減少連接點對傳熱性能的影響。

 ?。?)外窗采用被動認證的窗,窗套形狀是天圓地方,收邊板的做法比較特殊。

  3.本工程門窗幕墻的傳熱要求

  本項目由建研院建筑節能所提供節能設計,建研院對維護結構保溫性能要求如下:外墻采用250mm巖棉外保溫;平均傳熱系數0.16W/㎡K,屋面350mm巖棉保溫,平均傳熱系數0.129 W/㎡K。

  外窗采用鋁包木三玻兩腔高保溫隔熱性能外窗,傳熱系數0.94 W/㎡K,南向大立面的全玻璃幕墻傳熱系數0.77 W/㎡K,SHGC值0.3。

  外門采用鋁包木高保溫隔熱性能、高氣密性門,傳熱系數0.94 W/㎡K。

  天窗采用高保溫隔熱高氣密性智能天窗,傳熱系數0.5 W/㎡K,帶外遮陽。

  四、作為建筑維護結構的幕墻和屋面的設計

  1.石材幕墻的設計

  本項目屋面主體為鋼結構,屋面及外立面表面由石板瓦搭接而成,疊拼石材幕墻和屋面是整個建筑外圍護的主要部分,根據建筑節能設計的要求,幕墻和屋面部分的保溫層厚度不同。但構造做法是基本一致的。石材板瓦的建筑效果見圖4、圖5。

  石材板瓦的固定采用掛接定位,上端石材搭接在下端石材上,并通過下部限位的形式連接。

建筑的入口位置雙曲面彎曲明顯,和主立面的交接時,石材的排布方式會影響整個建筑的分格效果。如果把立面的分格直接投影,會讓石材板瓦的加工變得十分復雜。因此,我們嘗試了其它多種分格方式,分別見圖8、圖9、圖10、圖11。通過對比,建筑師最終確定采用圖11的分格方式。

  在大立面上,相鄰石材板瓦轉角不大,通過標準的做法完全可以實現。但是在入口位置相鄰搭接的轉角就會比較大,板的翹曲比較明顯。主入口的排布方式使得石材的控制線會產生向上的彎曲,由于石材板瓦材料無法彎曲成型,因此,相鄰石材的搭接是否順暢,是否會由于角度的變化導致對人視效果產生影響,都必須慎重考慮才行。我們通過實際的放樣,確定石材板巖的安裝構造可以適應這種扭轉

  2.石材幕墻密封和熱橋設計

  為滿足被動建筑的要求,除了設置比較厚的保溫材料以外,還分別進行了以下特殊設計:

  1)保溫層的外側設置防水層,保溫層的內側設置隔汽層。防水層是實現建筑的防水功能。隔汽層的設置是為了避免室內的溫濕空氣進入保溫材料引起結露。但是,在保溫層的外側其防水層要在局部開敞,以便保溫材料能和室外進行空氣交換。

  2)金屬支撐龍骨穿透了隔汽層,穿透部位需做處理以提高密封性能。

  3)金屬支撐龍骨穿透了保溫層,會形成熱橋。熱橋是影響近零能耗建筑設計能否達標的關鍵因素之一,因此,如何解決好支撐點的熱橋問題是非常重要的。我們從兩個方面進行優化。

  其一是在支座中間增加橡膠墊塊。其二是減少支撐點數量。

  圖14為龍骨支座的隔熱墊塊詳圖,通過硬質橡膠墊塊將原有的圓形鋼管斷開,使鋼管的熱橋變成四個螺栓的點狀熱橋。該處隔熱墊塊選取的厚度為30mm,根據建研院提供的結果,其熱橋值為0.13W/mK。滿足了建筑節能的要求。


  整個石材幕墻的龍骨支座數目如果可以減少,也就相應的減少了熱橋的影響。因此,我們在設計中加大了龍骨的規格,使得龍骨的跨度增大,從而減少了支座的數量。龍骨的規格從120×80×5的鋼方通調整為160×80×6,支撐件的的總數由380個降到了287個,龍骨分布和支撐點的位置見圖15示意。根據建研院的分析,這一優化使得建筑整體熱負荷的減少了0.6kWh/㎡a。

  3.全玻璃幕墻節點設計

  建筑主立面是通高的全玻璃幕墻,建筑效果和立面圖見圖16、圖17示意。


  全玻幕墻的高度為13m左右,玻璃采用吊掛的方式連接。由于建筑的外觀要求可視的玻璃邊線為弧形,但這給玻璃加工帶來很大的困難,我們經過優化,把玻璃邊線調整為折線或者斜線,通過外側的UHPC板找型,以實現建筑效果。

  全玻璃幕墻的玻璃吊掛在屋面的主體鋼結構上。每個吊掛鋼架都是一個熱橋。鋼架的布置方式根據熱工的需求進行了調整,優化前的設計是常規的做法,鋼架穿透了保溫,存在嚴重熱橋(紅色部分為鋼架)。優化后鋼架連接件能夠完全被保溫覆蓋(紅色部分為鋼架),熱橋減弱。根據建研院提供的參數,其熱橋值為0.165W/(mK)。

  4.外窗做法

  建筑外窗采用被動認證的產品,由森鷹提供。比較特殊的是外窗的窗套造型比較復雜,為內方外圓的鋁板造型。由于鋁板造型洞口深度較大,對太陽輻射形成了一定程度的自遮擋效果,因此被動窗不再設置外遮陽。圖21表示了外窗的剖面做法,圖22表示了鋁板窗套的構件三維示意。


五、結束語

通州當代MOMA建筑藝術博物館幕墻工程的設計在中國建筑科學研究院有限公司環能院高性能建筑設計研究中心的要求下,和清華院建筑設計院的建筑師充分溝通,幕墻的設計在不斷調整和不斷優化中完成。最終提交的幕墻施工圖即滿足了建筑效果要求,也實現了幕墻的高節能要求,為業主提供了一個性能優異、外形美觀、設計前衛的博物館。

感謝中國建筑科學研究院有限公司環能院高性能建筑設計研究中心高彩鳳博士和清華建筑設計院李若星博士對本文的大力支持!


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