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前言：目前，在我國(guó)，建筑耗能已經(jīng)與工業(yè)耗能、交通能耗并列成為能源消耗的三個(gè)大戶(hù)。為了減少建筑能耗，我國(guó)建筑領(lǐng)域已經(jīng)普遍執(zhí)行了“三步節(jié)能”中的65%的節(jié)能指標(biāo)，其中天津、北京、新疆等地居住建筑率先開(kāi)始執(zhí)了75%節(jié)能的指標(biāo)。同時(shí)，由于對(duì)建筑節(jié)能性能要求的提高，被動(dòng)建筑、超低能耗建筑、綠色建筑等名詞越來(lái)越多的出現(xiàn)在建筑領(lǐng)域，也越來(lái)越多的被使用者所提及。國(guó)內(nèi)已經(jīng)有很多優(yōu)質(zhì)的被動(dòng)式節(jié)能建筑投入運(yùn)營(yíng)，并獲得了很好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。被動(dòng)式建筑大部分都做為居民住宅建筑實(shí)現(xiàn)，作為公共建筑的形式比例不高。本文針對(duì)被動(dòng)式建筑的外立面幕墻進(jìn)行分析和說(shuō)明，著重體現(xiàn)被動(dòng)式建筑在公共建筑領(lǐng)域的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：被動(dòng)建筑 被動(dòng)門(mén)窗幕墻 無(wú)熱橋設(shè)計(jì) 氣密性設(shè)計(jì) 隔熱性設(shè)計(jì)
一、 被動(dòng)建筑簡(jiǎn)介
1.被動(dòng)建筑的概念
根據(jù)資料顯示，最早“被動(dòng)式建筑”的名詞來(lái)源于德語(yǔ)“Passivhaus”，翻譯為中文就稱(chēng)為“被動(dòng)式建筑”或稱(chēng)為“被動(dòng)式房屋（詞條“被動(dòng)式房屋”由行業(yè)大百科提供）”。此種建筑概念由瑞典隆德大學(xué)的Bo Adamson教授和德國(guó)被動(dòng)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(shè)和認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)。
通常，以非機(jī)械電氣設(shè)備干預(yù)，利用建筑朝向布置、遮陽(yáng)措施的設(shè)置、高性能的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用、通風(fēng)口的合理設(shè)計(jì)等方法，來(lái)降低采暖、空調(diào)，通風(fēng)等系統(tǒng)的建筑能耗的技術(shù)，稱(chēng)之為被動(dòng)建筑技術(shù)。而根據(jù)被動(dòng)建筑技術(shù)設(shè)計(jì)，并滿(mǎn)足被動(dòng)式房屋認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的建筑就稱(chēng)為被動(dòng)式建筑。被動(dòng)式建筑被確立的根本目的是利用非常少的能耗，將室內(nèi)溫度、濕度、空氣等指標(biāo)調(diào)節(jié)到人體感到舒適的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境。
2.被動(dòng)式建筑的認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)
根據(jù)德國(guó)被式房屋認(rèn)證機(jī)構(gòu)PHI的認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，被動(dòng)式建筑設(shè)計(jì)主要的指標(biāo)涉及以下幾個(gè)方面：
�、倌�供暖(制冷)需求計(jì)算值≤15kwh·㎡·year;
②供暖負(fù)荷峰值計(jì)算值≤10w/㎡;
�、勰暌淮文茉聪挠�(jì)算值≤120kwh/㎡·year;
④通風(fēng)交換律測(cè)量值η50≤0.6;
�、菽瓿瑴仡l率25℃≤10% 室溫保持在20℃—26℃;
�、奘覂�(nèi)相對(duì)濕度（詞條“相對(duì)濕度”由行業(yè)大百科提供） 40%-60%;
由上述的指標(biāo)可以看出，被動(dòng)式建筑主要是關(guān)注居住者的感受，所以其標(biāo)準(zhǔn)主要是側(cè)重于居住環(huán)境的舒適度和室內(nèi)空氣質(zhì)量(IAO)。具體來(lái)說(shuō)，就是一棟被動(dòng)式建筑，必須保證室內(nèi)空氣的清晰，無(wú)冷凝現(xiàn)象，有適合的溫度，良好的氣密性并有足夠的經(jīng)濟(jì)性。如果從建筑節(jié)能角度來(lái)說(shuō)，被動(dòng)式建筑需要在保證室內(nèi)居住環(huán)境的前提下，進(jìn)行建筑節(jié)能設(shè)計(jì)。
3.被動(dòng)式建筑的發(fā)展
被動(dòng)式建筑由于其高節(jié)能性、對(duì)居住者的良好感受，因此，在國(guó)內(nèi)的發(fā)展比較迅猛。很多業(yè)主和建筑師都在嘗試實(shí)踐被動(dòng)房項(xiàng)目。相應(yīng)的地方標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范也逐漸出臺(tái)，為被動(dòng)建筑的發(fā)展提供良好的平臺(tái)。
目前我國(guó)個(gè)別省份也制定并實(shí)施了被動(dòng)房的相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、圖集。例如河北省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳批準(zhǔn)實(shí)施的河北省工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)《被動(dòng)式低能耗居住建筑節(jié)能構(gòu)造(DBJT02-109-2016)》。與PHI所規(guī)定的指標(biāo)相比，特別在窗戶(hù)的性能提出了具體的指標(biāo)要求。具體指標(biāo)如下：窗戶(hù)整體性能：K<1.0W/m2k,其中玻璃K<0.8W/m2k;窗框K<1.3W/m2k。
二、 被動(dòng)建筑中門(mén)窗幕墻的設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析
為完成被動(dòng)建筑的高性能，作為建筑的外表皮，門(mén)窗幕墻的設(shè)計(jì)就需要有特別的考慮。所有的設(shè)計(jì)都為了讓整個(gè)建筑的外衣能夠幫助建筑實(shí)現(xiàn)被動(dòng)建筑的標(biāo)準(zhǔn)和要求。因此，被動(dòng)建筑的門(mén)窗幕墻設(shè)計(jì)除了必須的自身性能要求外，還應(yīng)關(guān)注以下方面。
1、選擇合理的保溫材料，除了要控制傳熱系數(shù)以外，還應(yīng)控制好保溫面的完整性，避免其它構(gòu)造對(duì)保溫層（詞條“保溫層”由行業(yè)大百科提供）連續(xù)性產(chǎn)生影響;
2、選擇合理的密封構(gòu)造，做好門(mén)窗幕墻邊部收口的密封處理，控制好氣密性能;
3、設(shè)置合理的遮陽(yáng)，充分利用遮陽(yáng)系統(tǒng)對(duì)建筑物的得熱影響;
4、控制好結(jié)露問(wèn)題，尤其是保溫材料的兩端溫差比較大，易有結(jié)露的風(fēng)險(xiǎn);
5、盡量減少熱橋，不論是安裝產(chǎn)生的還是構(gòu)件產(chǎn)生的熱橋都應(yīng)該盡量控制，避免其對(duì)整個(gè)幕墻熱工性能產(chǎn)生不良影響;
三、 通州當(dāng)代MOMA博物館被動(dòng)建筑的簡(jiǎn)介
當(dāng)代MOMA建筑藝術(shù)博物館位于北京市通州區(qū)，建設(shè)方為北京潤(rùn)錦房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)有限公司。該項(xiàng)目位于寒冷氣候區(qū)，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(shù)、技術(shù)展示。建筑設(shè)計(jì)由清華大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院完成;節(jié)能設(shè)計(jì)由中國(guó)建筑科學(xué)研究院有限公司環(huán)能院高性能建筑設(shè)計(jì)研究中心完成。項(xiàng)目效果面圖如圖1、圖2、圖3所示。
圖1
圖2
圖3
1. 建筑表皮的基本情況
當(dāng)代美術(shù)館外形比較復(fù)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(guò)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(shè)置觀景平臺(tái)。屋面低洼處設(shè)置天溝和排水口。天溝和排水設(shè)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(jié)構(gòu)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(gòu)造的形式。疊型石材板巖厚度為15mm，規(guī)格為250mm寬250mm高(石材可視部分)。石材規(guī)格比較小，而且是開(kāi)放式體系，因此在石材內(nèi)層設(shè)置防水層。
屋面觀景平臺(tái)出入口、建筑入口位置采用玻璃幕墻配合高節(jié)能高密封的開(kāi)啟門(mén)。建筑立面設(shè)置被動(dòng)窗，窗套為天圓地方的鋁板（詞條“鋁板”由行業(yè)大百科提供）造型。屋面設(shè)置成品玻璃天窗，附帶遮陽(yáng)系統(tǒng)。
2. 本被動(dòng)建筑幕墻屋面體系設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的問(wèn)題：
(1)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(shí)現(xiàn)，無(wú)法設(shè)置外遮陽(yáng)，需要建筑設(shè)計(jì)通過(guò)其它手段減小對(duì)整體的影響。
(2)本工程圍護(hù)結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜，種類(lèi)較多，包括玻璃幕墻、石材屋面、石材幕墻、構(gòu)件式幕墻（詞條“構(gòu)件式幕墻”由行業(yè)大百科提供）、門(mén)窗、UHPC幕墻等多種體系。
(3)需要解決好整個(gè)外圍護(hù)幕墻的整體氣密性能。
(4)石材板瓦外立面系統(tǒng)、全玻璃幕墻、構(gòu)件式玻璃幕墻（詞條“構(gòu)件式玻璃幕墻”由行業(yè)大百科提供）需要金屬龍骨固定，金屬龍骨穿透保溫層對(duì)保溫性能影響比較大，因此，必須減少連接點(diǎn)對(duì)傳熱性能的影響。
(5)外窗采用被動(dòng)認(rèn)證的窗，窗套形狀是外圓內(nèi)方，收邊板的做法比較特殊。
3. 本工程門(mén)窗幕墻的傳熱要求
本項(xiàng)目由建研院建筑節(jié)能所提供節(jié)能設(shè)計(jì)，建研院對(duì)維護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能要求如下：外墻采用250mm巖棉外保溫;平均傳熱系數(shù)0.16W/m2K,屋面350mm巖棉保溫，平均傳熱系數(shù)0.129 W/m2K。
外窗采用鋁包木三玻兩腔高保溫隔熱性能外窗，傳熱系數(shù)0.94 W/m2K，南向大立面的全玻璃幕墻傳熱系數(shù)0.77 W/m2K，SHGC值0.3。
外門(mén)采用鋁包木高保溫隔熱性能、高氣密性門(mén)，傳熱系數(shù)0.94 W/m2K。
天窗采用高保溫隔熱高氣密性智能天窗，傳熱系數(shù)0.5 W/m2K，帶外遮陽(yáng)。
四、 作為建筑維護(hù)結(jié)構(gòu)的幕墻和屋面的設(shè)計(jì)
1. 石材幕墻的設(shè)計(jì)
本項(xiàng)目屋面主體為鋼結(jié)構(gòu)，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(gè)建筑外圍護(hù)的主要部分，根據(jù)建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的要求，幕墻和屋面部分的保溫層厚度不同。但構(gòu)造做法是基本一致的。石材板瓦的建筑效果見(jiàn)圖4、圖5。
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(guò)下部限位的形式連接。其基本節(jié)點(diǎn)見(jiàn)圖6。掛接和固定示意見(jiàn)圖7。
圖 6
圖 7
建筑的入口位置雙曲面彎曲（詞條“彎曲”由行業(yè)大百科提供）明顯，和主立面的交接時(shí)，石材的排布方式會(huì)影響整個(gè)建筑的分格效果。如果把立面的分格直接投影，會(huì)讓石材板瓦的加工變得十分復(fù)雜。因此，我們嘗試了其它多種分格方式，分別見(jiàn)圖8、圖9、圖10、圖11。通過(guò)對(duì)比，建筑師最終確定采用圖11的分格方式。
圖8
圖9
圖10
圖11
在大立面上，相鄰石材板瓦轉(zhuǎn)角不大，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的做法完全可以實(shí)現(xiàn)。但是在入口位置相鄰搭接的轉(zhuǎn)角就會(huì)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(huì)產(chǎn)生向上的彎曲，由于石材板瓦材料無(wú)法彎曲成型，因此，相鄰石材的搭接是否順暢，是否會(huì)由于角度的變化導(dǎo)致對(duì)人視效果產(chǎn)生影響，都必須慎重考慮才行。我們通過(guò)實(shí)際的放樣，確定石材板巖的安裝構(gòu)造可以適應(yīng)這種扭轉(zhuǎn)，見(jiàn)圖12示意：
圖 12
2. 石材幕墻密封和熱橋設(shè)計(jì)
為滿(mǎn)足被動(dòng)建筑的要求，除了設(shè)置比較厚的保溫材料以外，還分別進(jìn)行了以下特殊設(shè)計(jì)：
1) 保溫層的外側(cè)設(shè)置防水層，保溫層的內(nèi)側(cè)設(shè)置隔汽層。防水層是實(shí)現(xiàn)建筑的防水功能。隔汽層的設(shè)置是為了避免室內(nèi)的溫濕空氣進(jìn)入保溫材料引起結(jié)露。但是，在保溫層的外側(cè)其防水層要在局部開(kāi)敞，以便保溫材料能和室外進(jìn)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。見(jiàn)圖13示意。
圖13 密封層穿透處的處理
3) 金屬支撐龍骨穿透了保溫層，會(huì)形成熱橋。熱橋是影響近零能耗建筑設(shè)計(jì)能否達(dá)標(biāo)的關(guān)鍵因素之一，因此，如何解決好支撐點(diǎn)的熱橋問(wèn)題是非常重要的。我們從兩個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化。
其一是在支座中間增加橡膠墊塊。其二是減少支撐點(diǎn)數(shù)量。
圖14為龍骨支座的隔熱墊塊詳圖，通過(guò)硬質(zhì)橡膠墊塊將原有的圓形鋼管斷開(kāi)，使鋼管的熱橋變成四個(gè)螺栓的點(diǎn)狀熱橋。該處隔熱墊塊選取的厚度為30mm，根據(jù)建研院提供的結(jié)果，其熱橋值為0.13W/mK。滿(mǎn)足了建筑節(jié)能的要求。
圖14屋面與立面龍骨支座斷熱橋做法
整個(gè)石材幕墻的龍骨支座數(shù)目如果可以減少，也就相應(yīng)的減少了熱橋的影響。因此，我們?cè)谠O(shè)計(jì)中加大了龍骨的規(guī)格，使得龍骨的跨度增大，從而減少了支座的數(shù)量。龍骨的規(guī)格從120×80×5的鋼方通調(diào)整為160×80×6，支撐件的的總數(shù)由380個(gè)降到了287個(gè)，龍骨分布和支撐點(diǎn)的位置見(jiàn)圖15示意。根據(jù)建研院的分析，這一優(yōu)化使得建筑整體熱負(fù)荷的減少了0.6kWh/m2a。
圖15 金屬龍骨三維布置圖
3. 全玻璃幕墻節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)
建筑主立面是通高的全玻璃幕墻，建筑效果和立面圖見(jiàn)圖16、圖17示意。
圖16
圖17
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(lái)很大的困難，我們經(jīng)過(guò)優(yōu)化，把玻璃邊線調(diào)整為折線或者斜線，通過(guò)外側(cè)的UHPC板找型，以實(shí)現(xiàn)建筑效果。玻璃的立面見(jiàn)圖18。
圖18
全玻璃幕墻的玻璃吊掛在屋面的主體鋼結(jié)構(gòu)上。每個(gè)吊掛鋼架都是一個(gè)熱橋。鋼架的布置方式根據(jù)熱工的需求進(jìn)行了調(diào)整，優(yōu)化前的設(shè)計(jì)是常規(guī)的做法，鋼架穿透了保溫，存在嚴(yán)重?zé)針?紅色部分為鋼架)。優(yōu)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(jù)建研院提供的參數(shù)，其熱橋值為0.165W/(mK)。優(yōu)化前和優(yōu)化后的節(jié)點(diǎn)分別見(jiàn)圖19和圖20。
圖19 全玻幕墻安裝節(jié)點(diǎn)(優(yōu)化前)
圖20全玻幕墻安裝節(jié)點(diǎn)(優(yōu)化后)
4. 外窗做法
建筑外窗采用被動(dòng)認(rèn)證的產(chǎn)品，由森鷹提供。比較特殊的是外窗的窗套造型比較復(fù)雜，為內(nèi)方外圓的鋁板造型。由于鋁板造型洞口深度較大，對(duì)太陽(yáng)輻射形成了一定程度的自遮擋效果，因此被動(dòng)窗不再設(shè)置外遮陽(yáng)。圖21表示了外窗的剖面做法，圖22表示了鋁板窗套的構(gòu)件三維示意。
圖20外窗剖面
圖21外窗窗套三維示意
五、 結(jié)束語(yǔ)
通州當(dāng)代MOMA建筑藝術(shù)博物館幕墻工程的設(shè)計(jì)在中國(guó)建筑科學(xué)研究院有限公司環(huán)能院高性能建筑設(shè)計(jì)研究中心的要求下，和清華院建筑設(shè)計(jì)院的建筑師充分溝通，幕墻的設(shè)計(jì)在不斷調(diào)整和不斷優(yōu)化中完成。最終提交的幕墻施工圖即滿(mǎn)足了建筑效果要求，也實(shí)現(xiàn)了幕墻的高節(jié)能要求，為業(yè)主提供了一個(gè)性能優(yōu)異、外形美觀、設(shè)計(jì)前衛(wèi)的博物館。
感謝中國(guó)建筑科學(xué)研究院有限公司環(huán)能院高性能建筑設(shè)計(jì)研究中心高彩鳳博士和清華建筑設(shè)計(jì)院李若星博士對(duì)本文的大力支持!
作者單位：珠海市晶藝玻璃工程有限公司
