欧洲智能办公建筑与智能玻璃幕墙设计原理与技术构造.doc

欧洲智能办公建筑与智能玻璃幕墙设计原理与技术构造作者:卢求 发表于世界建筑 智能建筑 2004-6-7摘要：智能办公建筑是未来办公建筑的发展方向,智能玻璃幕墙是欧洲现代建筑高科技科研与实践的杰出成果。本文从智能办公建筑与智能玻璃幕墙的发展、设计原则和工作原理、工程实例分析、发展前景与研究动态4个方面系统详细地阐述了智能玻璃幕墙的设计原理与技术构造。 关键词：双层玻璃幕墙，智能玻璃幕墙，智能建筑一、 智能办公建筑与智能玻璃幕墙的发展智能办公建筑（Intelligent office buildings）广义上讲通常包含高效能源系统，安全保障系统，高效信息通讯系统和办公自动化系统这4个方面。国内目前谈到智能建筑，有一个较大的片面性，即往往只是在建筑设计完成以后通过弱电系统布线达到所谓3A级或5A级，过多地强调电子技术自身。欧洲的智能建筑，更强调的是建筑节能，降低运营成本，保护环境并提供舒适健康的办公环境。建筑物的高效能源系统主要是指在保护环境的前提下，建筑能够根据外界气候环境的变化（即阳光、温度、风速等）而自动控制调整自身，以达到最大限度地利用自然的、可再生的资源，如太阳辐射能、空气自然流通以及地热、地冷等，减少建筑物在运营过程中所需的不可再生能源的消耗。国外也有人把具有这种特点的建筑称为智能生态建筑，德国波恩邮政大厦，该建筑采用了智能双层玻璃幕墙，混凝土楼板制冷供暖系统、水源热泵、置换式新风系统与小型外墙新风装置等一系列生态智能设计，是德国大型生态智能办公建筑的代表之一。智能玻璃幕墙（Intelligent glass facade）是指幕墙以一种动态的形式，根据外界气候环境的变化，自动调节幕墙的保温、遮阳通风设备系统，以达到最大限度降低建筑物所需的一次性能源，同时又能最大限度地创造出健康、舒适的室内环境。美国有研究表明，一幢15 000m2的未采用节能措施的建筑，其年耗电费达78.5万美元，即12年内的能耗将等于大楼的全部投资（900万美元），含土建、设备和防火装置。近年来，国外大量研究结果表明这种全封闭式空调建筑不利于人体健康，降低办公效率，并导致一种病态建筑综合症（Sick-Building-Syndrom, SBS）。图4是德国科学技术部一项官方研究结果，从图中可以看出，封闭式空调办公空间对人的健康有相当不利的影响：感冒、呼吸道病症、风湿病、浑身乏力，头脑不清等病症，发病率比自然通风采光办公室发病率高约1倍。1980年代初，欧洲开始开发建造智能玻璃幕墙办公建筑。目前的智能玻璃幕墙建筑，技术上主要是通过双层玻璃幕墙来实现。虽然双层玻璃幕墙本身一次性建设投资较大，但它一方面可以降低建筑能耗，保护生态环境；另一方面，由于建筑物所需能耗降低，可以减少建筑设备的一次性投入，特别是大量节约建筑运营成本。欧洲能源成本高，环保意识强，双层玻璃幕墙已成为现代化大型生态办公建筑的发展方向。二、 智能玻璃幕墙设计原则和工作原理智能玻璃幕墙的设计不是一种独立的纯外墙构造性设计，而是先进的整体建筑能耗平衡设计的重要组成部分，通过外墙构造的调节机制，配合整个建筑技术设备之间的互动，达到一种能源优化的效果。智能玻璃幕墙的设计原则概括起来有以下几点：1.利用太阳辐射热，节约冬季采暖所需能源；2.最大限度利用自然采光以减少人工照明；3. 精心组织自然通风与排风系统，以减少机械通风能耗；4.利用建筑楼板、墙体的蓄热性和昼夜温差，减少夏季制冷需求量。配合楼板采暖制冷系统创造舒适健康的室内环境；5.各种幕墙机制、通风、遮阳、蓄热和建筑空调供暖通风等相互之间智能配合，以达到最高效率。智能玻璃幕墙主要通过双层幕墙的形式得以实现。其内层幕墙相当于传统的玻璃幕墙，是室内外的分界线，通常由中空保温玻璃构成，并设可开启窗扇；外侧玻璃通常由单层钢化玻璃构成（也有外侧玻璃采用中空保温玻璃的实例，属于机械通风式双层幕墙系统）。外侧玻璃主要功能是承受风载，防雨水、风沙，噪声以及形成两层玻璃之间一个相对稳定的、可以调节的空气缓冲层。外侧玻璃幕墙上有精心设计的可调节的进风口和出风口。两层玻璃之间距离根据功能构造不同可为20100cm以上。在这一空间里，通常设置遮阳百叶等装置。如果宽度在60cm以上，可在楼板高度上设置金属格栅作为检修走廊。双层玻璃幕墙的工作原理：双层幕墙从构造形式上可分为：封闭式通风双层幕墙、窗箱式双层幕墙和外廊式双层幕墙。在这三种基本构造形式的基础上，近年来又出现了许多新的技术构造与不同形式的构造组合。不同构造形式的双层幕墙有不同的优缺点，适用不同的建筑需求，在此以外廊式幕墙为例，简述双层幕墙的工作原理。寒冷季节，玻璃幕墙可以最大限度地吸收太阳辐射热，通过调节进出风口的大小，可以控制适当的新风换气量，而进入两层玻璃幕墙之间缓冲空间的空气，已被阳光初步加热，再送入室内时可减少送暖量。夏季炎热时期，位于两层玻璃空间的遮阳设施被放下来，绝大部分太阳辐射能量在这里被挡住，并通过精心组织的自然通风排到建筑之外。由于外层玻璃具有遮风避雨及防盗作用，夜间室外冷空气可以通过开启的内侧窗户冷却楼板等高蓄热体，次日上午气温上升时，楼板、墙体等将会有效地冷却室内温度。在春秋季节双层幕墙的开启可以使室内达到完全自然通风。双层玻璃幕墙的通风模式：双层玻璃幕墙的主要优点之一是建筑在全年大部分时间里可以实行自然通风，包括在刮风下雨的天气里。在组织通风系统时要考虑避免室内排出的浑浊空气被再次吸入室内。在实际工程中有下列4种双层幕墙通风系统。1. 楼层水平进出风口对角通风系统2. 带窗下墙的通风系统3. 竖向窗框进风，横向排风系统4. 带竖向风道的箱式外窗排风系统三、 智能办公建筑与智能玻璃幕墙实例分析德国杜塞尔多夫市、维多利亚保险公司总部大楼该建筑及其运营在2000年被德国权威机构授予德国生态环保一等奖。这栋大厦所采用的系统不是欧洲最尖端的科技，但它是一整套相当成熟可靠的技术系统。幕墙构造：外层幕墙是1 700mm2 900mm，厚10mm的单层钢化玻璃，内侧幕墙是可斜开和平开的大小为800mm2 300mm的窗扇。玻璃的导热系统U=1.1，两层幕墙之间约有30cm的空气缓冲层。进风装置设在固定外侧幕墙的竖框之内，每一竖框内侧左右各设22个直径60mm的圆形进风口，相当于每一窗扇单元有0.12m2的进风面积。进风口内侧有特殊合成材料制成的防鸟网。出风口设在位于楼顶高度的水平方向百叶之中，高度450mm铝合金百叶倾斜角为37，可以有效地防止雨水进入幕墙内侧。在中间两层玻璃幕墙的空气缓冲层内，设有电动铝合金遮阳百叶，以调控阳光的进入量。塔楼外立面是由约1 800mm3 500mm大小、在工厂加工完毕的单元式双层幕墙构件组成，在工地上整体吊装，因而能保证施工精度和简短的安装工期。每个单元构成相对独立的通风系统，垂直方向在楼板高度上完全封闭，单元与单元水平相接处为构造变形缝，相互之间形成6夹角。通过这一夹角使窗框和玻璃都是平面的双层幕墙单元，能够围合成圆形的建筑体量。由于大楼接近杜塞尔多夫机场，从机场安全考虑，要求降低大楼玻璃幕墙对雷达波的反射作用。因此在大楼面向机场方向上采用了加入纤细钢丝的20mm厚胶合玻璃。双层幕墙的设计：由于这种双层幕墙没有现成资料，在设计过程中为确定双层幕墙的基本构造，如通风形式、进风口大小、开窗形式、遮阳中间空气层宽度等技术数据，首先做出17的模型，委托亚琛大学专家进行了大量的实验。在此基础上完成了幕墙设计。在项目招投标确定了幕墙实施公司以后，由幕墙公司再做出1：1单元实物模型，并对其进行通风、热功、声学等详细测试。测试结果表明11实物模型的指标全部达到并部分超过原设计指标。具体测试结果如下：隔声：双层玻璃幕墙单元之间隔断 49dB双层幕墙实测隔音数值Rw：一般玻璃幕墙 双层玻璃幕墙窗户关闭状态 30dB 43dB窗户内倾斜开 10dB 22dB窗户向内平开 6dB 17dB保温：双层玻璃幕墙的保温系统 Uw=1.25w/m2k隔热：总能量穿透率 g=44%放下遮阳板倾斜角度，在45情况下，g=14%放下遮阳板倾斜角度，在0时，结构处于可靠状态：当Z=O，即结构的抗力要大于等于其作用效应。(2)结构的概率可靠度由于影响结构可靠性的各种因素中荷载与作用的效应是变化不定的，结构的抗力R也是不确定的(构件材料性能不确定性、几何参数不确定性、计算模式不确定性)，因此结构设计所要求的Z=R-S=0的可靠目标不可能绝对保证，只能在一定的概率意义下满足，即P（R=S）=P，是结构的可靠概率。所以说，结构的可靠度是结构可靠性的定量描述，即结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的概率。而结构的失效概率Pf=1-PI。由于结构的失效概率一般为小概率事件，失效概率对结构可靠度的把握史为直观，所以工程结构可靠度分析一般计算结构失效概率。3结构的可靠度分析与设计根据人对不同安全等级的建筑结构的基本功能要求，在一定的设计基准期内对结构和构件及其连接在不同的设计比况(持久状况、短暂状况、偶然状况)下，分别进行正常使用极限状态和承载能力极限状态的概率可靠度设计，以保证建筑结构在具规定的设计使用年限内具有足够的可靠度。4、幕墙与门窗结构可靠度设计的必要性和可能性建筑幕墒是由各种墙面板与支承体系 (支承装置与支承结构)组成的、不承受主体结构重力的建筑外围扩墙体结构。门窗是房屋外围护结构开口部位的功能性部件（组合构件）。幕墙与门窗是持久性的建筑非结构构件（建筑中除承重骨架体系以外的固定构件和部件，主要包括非承重墙体等附着于主体结构的装饰构件和部件等)。因此，虽然建筑结构可靠度设计统一标准和建筑结构荷载规范是适用于各种建筑结构及构件的，但是考虑到幕墙和门窗是对建筑物理功能、使用者和社会公众的安全有重大影响的外围扩结构和构件，而且其所受荷载作用及力学特点与建筑主体结构类似，所以幕墙和门窗应该有必要而且可以按照上述标准和规范进行结构可靠度设计及计算，但是要掌握非结构构件与主体结构构件的区别。三、幕墙与门窗结构可靠度设计分析1幕墙与门窗设计使用年限与设计基准期1)设计使用年限GB 50068-2001对建筑结构的设计使用年限规定分为4类见表L)参照以上结构及构件的设计使用年限规定，考虑幕墙及门窗是重要的持久性非结构构件， 因此幕墙的设计使用年限应为25a，门窗设计使用年限应为10a。新修订的国家标准铝合金门和铝合金窗规定门窗反复启闭性能，门为10万次，窗为1万次，就是参照日本工业标准JISA4706-1996金属窗的同样规定，按照门每天开启30次、窗每天开启3次的10a设计使用寿命确定的。2)设计基准期设计基准期是为确定结构所受的可变荷载及作用和与时间有关的材料性能取值而选用的时间参数，它不等同于结构的设计使用年限。玻璃幕墙与门窗是轻质、薄壁的建筑外围护结构与构件，易受瞬间风的破坏，为确保其安全使用，均应按设计基准期为50a确定，即能承受50a重现期可变荷载及作用的最大值。我国建筑外窗抗风压性能分级及其检测方法(GB7106-86)制定时，就是参照英国门窗设计风荷载标准规定，采用50a一遇瞬时风速风压为安全设计风荷载和相应的安全检测压力差值，并以此作为窗的抗风压性能分级值。2幕墙与门窗所受的荷载与作用1)直接作用（施加在结构上的一组集中力或分布力)自重荷载：由地球引力产生的组成幕墙与门窗结构的构件材料重力，其标准值按设计尺寸与材料重力密度标准值计算。它是一种在设计基准期内量值不随时间变化，或其变化与平均值相比可忽略不计的永久作用。工程设计时是将自重转化为按面积分布的平均面积恒载NM2)标准值。风荷载：是垂直作用于建筑幕墙、门窗表面的水平方向风的速度压力，在设计基准期内量值随时间变化，或其变化与平均值相比不可忽略不计的可变作用。幕墙与门窗的风荷载代表值有二种：1)标准值Wk2按 健筑荷载规范GB 50009)计算的围扩结构风荷载标准值，它是幕墙、门窗在其设计使用期间内可能出现的最大风荷载，其按设计基准期50a一遇出现的概率为2，即风荷载不超过该最大值的概率（保证率)为98%o 2)频遇值Wd2是幕墙、门窗在其设计使用期间内时而出现的较大风荷载值Wd=0.4Wk，风荷载超越频遇值的总持续时间T1与设计基准期T的比值为TlT01，即概率为10，相当于lOa一遇。2)间接作用引起结构外加变形或约束变形的原因地震作用：是由地震动引起的结构动态作用，根据建筑抗震设计规范GB 50011-2001)规定，非结构构件的地震作用只考虑由其自身重力产生的水平方向地震作用和支座间相对位移产生的附加作用。 a)常遇地震：属于可变作用，其地震烈度50a内超越概率约为63，重现期为50a。 b)设防烈度地震：其地震烈度50a内超越概率约为10，重现期为475a。C)罕遇地震：属于偶然作用，其地震烈度50a内超越概率2-3，重现期约2 000a。2温度作用：环境温度的变化使构件产生热胀冷缩的长度变化，当这种变化受到约束时会产生应力。对这种可变作刚，工程中根据经验采用构造方法处理时应按其最大值考虑。高层民用建筑钢结构技术规程GJ 99-98)对幕墙构件的温度作用按其最大作用计入，即组合值系数和分项系数均取1.0，温度作用效应的标准他按当地一年内的最大温差计算。3幕墙与门窗的作用效应与抗力1)结构抗力与构件承载能力抗力是结构或构件及其材料承受作用效应的能力，如承载能力、刚度、抗裂度、强度等。抗力与作用效应相对应，结构抵抗变形的能力即刚度也是一种结构的抗力。承载能力是构件所能承受的最大内力，或达到不适于继续承载的变形时的内力。强度是材料抵抗破坏的能力，即材料截面所能承受的最大应力。2)结构抗力的层次整体结构抗力：如门窗幕墙整体结构承受风荷载的能力：构件抗力：如竖框构件在自重轴力和风压弯矩作用下的承载能力；构件截面抗力：构件截面抗弯、抗剪的能力；4幕墙与门窗结构体系的可靠度与构件的可靠度结构体系是由多个构件组成的，整体结构的失效是由单个构件的失效引起的，由各个构件的失效概率估算整体结构的失效概率是结构体系可靠度分析的主要内容。然而，承载力的验算一般是针对构件的，一般所说的结构可靠度主要是指构件截面的可靠度，它不等同于结构体系的可靠度。应根据结构的传力路径和失效路径，分析各个构件的各种失效模式中失效概率大而又对结构体系的失效概率有明显影响的主要失效模式，是掌握体系可靠度的关键。5幕墙与门窗的结构特点与可靠度分析要点1)幕墙与门窗的结构特点幕墙与门窗分别是悬挂和镶嵌在建筑主体结构框架上的连续性的墙体结构和局部性的启闭部件，都是由脆性的玻璃面板和延性的金属构件组成的完整的非承重结构体系。幕墙与门窗传递自重及外部荷载作用的路径基本是一样的：玻璃面板横框架竖框架主体结构。所不同的是幕墙的荷载作用最终是由竖框架的锚固点以点传递方式传至主体结构，而门窗的荷载作用最终是由四周边框锚固点近似以线传递方式传至洞口结构。因而，幕墙的竖框（立柱)和门窗的中横框或中竖框就是幕墙和门窗结构体系的主要受力构件。如果主要受力构件抵抗风压等作用变形的抗力不足则会造成玻璃面板的脆性破坏失效。2)幕墙与门窗结构可靠度分析要点（1）、考虑幕墙与门窗结构整体体系的可靠度、构件的可靠度二个层次，宜按结构体系进行可靠度设计，根据结构破坏特点选定主要破坏模式，控制和调整关键构件的失效概率，提高整个结构可靠度设计的合理性。（2）、脆性构件（玻璃面板)的可靠度应高于延性构件金属框架)的可靠度。（3）、构件的抗力或承载力由低到高的顺序应是：a)玻璃：b)玻璃与框架的连接：c)框架：d)框架构件连接们窗框与扇的配件连接)：6)框架与主体结构的锚固连接：f)支承幕墙的结构构件和门窗洞口结构构什。（4）、非结构构件的设计使用年限、安全等级、重要性及可靠度不应高于结构构件。6幕墙与门窗的结构极限状态设计表达式为便于采用基本变量的标准值进行设计，使结构获得较好的可靠度一致性，根据我国标准规范，幕墙与门窗极限状态方程转化为多个分项系数的极限状态设计通用表达式：7载与作用效应的基本组合1)无地震作用的基本组合：根据建筑结构荷载规范，为风荷载起控制作用的组合：2)有地震作用的基本组合：根据建筑抗震设计规范，为地震作用起控制作用的组合：我国高层民用建筑钢结构技术规程GJ 99-98)规定：对于主体建筑钢结构构件的作用效应组合及其幕墙构件的连接钢件和紧固件的作用效应组合，风荷载组合值系数应该取0.2。8、构件材料的结构设计可靠度水平(设计安全度)1)结构设计安全度确定的校准法采刚以荷载和作用的标准值以及材料性能标准值为基础的多个分项系数的极限状态设计法，首先要确定构件材料性能标准值与载和作用的标准值之间的总安全度即可靠度水平。我国建筑结构规范和建筑幕墙规范均采用国际上实际应用的校准法，就是通过对现行设计规范下的结构进行可靠度分析，经综合调整来确定未来结构设计可靠度。其特点是对不同破坏后果（经济损失或社会影响)的结构及不同破坏性质（如延性破坏和脆性破坏)的构件采刚不问的可靠度水平，但在总体上基本保持新旧规范可靠度水平的一致性。我国结构设计统一标准和荷载规范规定的永久荷载分项系数C和可变倚载分项系数Q，是在荷载标准值已给定的前提下，使按极限状态设计表达式所得的各类结构构件的可靠指标与规定的目标可靠指标之间在总体上误差最小为原则经优化后选定的。对于幕墙结构设计来说，起控制作用的可变作用风荷载分项系数w和水平地震作用分项系数eh分别为1.4和1.3，因此取可变荷载分项系数q=1.4。按构件材料性能标准与荷载和作用的标准值之间的总安全度K=qm，分别选定不同构件材料的总安全度K，计算材料性能分项系数m=Kq， 从而得到材料性能设计值fk=fk/m。2)玻璃板的总安全系数（一）玻璃板的破坏特征与概率玻璃是典型的脆性材料，没有屈服点，在其应力应变直线超过弹性极限后立即断裂。玻璃破坏的特征是表面微裂纹在拉应力下断裂，破坏强度是离散的， 并与支承条件、加载速率和负载持续时间有关。由于玻璃破裂起源于表面微裂纹，其数量、尺寸、形状不一且分布无规则，故决定了玻璃断裂强度本质上具有统计性。美国、日本、英国、澳人利亚等国家都是在人量玻璃风压破坏试验的基础上，采用统计的方法分析得出玻璃的风压设计图或半理论半经验强度计算公式。各有关国家和我国进行的玻璃试验证明，四边支承的普通浮法玻璃的平均破坏荷载相对于风荷载标准值的安全系数为2.5，破坏概率为l/1000)（2）我国玻璃幕墙规范和建筑玻璃应用技术规程规定的玻璃总安全系数K=2.5。幕墙规范取K=m=1.4，取K2=m=km=2.5=1.785，则确定玻璃的强度设计值fk=fk/1.785.，破璃幕墒丁程技术规范、GJ 10296给出的玻璃强度设计值是按日本的玻璃强度标准位fk除以上1.785确定的。3)铝合金型材的总安全系数（1）铝合金型材总安全系数K：6063铝合金建筑型材是伸长率8的延性材料，其屈服阶段没有明显的流幅，以规定非比例伸长应力p0.2作为屈服强度。世界各国铝合金结构设计的安全系数一般为16-18，美国铝业协会铝结构设计规范规定“采用屈服强度计算许用应力的建筑型构件的安全系数为165”，我国玻璃幕墙工程技术规范JGJ 102-96)编制时认为铝型材强度离散较大，所以规定铝合金型材的总安全系数K=18，可靠度要求是高的。文献12的作者对从一些型材厂收集的100个试样资料进行分析计算验证，证明这100个试样对于国家标准铝合金建筑型材GBT 52372000规定的p0.2=110MPa的保证概率为9973。考虑到门窗的结构重要性应比幕墙略低一些，广东省标准铝合金门窗工程设计、施工及验收规范DB-15-30-2002规定铝合金门窗型材的总安全系数为165。（2）铝合金型材