光伏建筑一体化中的幕墙加固设计

杨 涛

(国核电力规划设计研究院有限公司,北京 100095)

光伏建筑一体化中的幕墙加固设计

杨 涛

(国核电力规划设计研究院有限公司,北京 100095)

光伏建筑一体化(BIPV)是目前大规模利用光伏技术发电的研发热点。既有建筑幕墙加固改造是推动光伏技术在建筑领域应用的新课题。结合具体的幕墙改造工程，通过结构整体安全性、幕墙构件安全性分析和幕墙构件加固方案的研究，选取合理的加固方式，为建筑幕墙改造与BIPV技术的有机结合提供了工程经验。

BIPV，光伏幕墙，加固改造

从1978年我国建筑幕墙工业开始起步，在30多年间不断的发展和创新过程中，目前我国以建成的各式建筑幕墙(包括采光顶)超过了1.5亿m2，占世界总量的50%。

玻璃幕墙建筑在既有公共建筑中占有相当一部分比例，但能耗高一直是我国既有玻璃幕墙存在的突出问题。数据显示，目前我国约有50%的既有玻璃幕墙需要加以改造。因此玻璃幕墙的升级改造已经成为建筑节能比较突出薄弱环节，相对也成为我国建筑节能中最有潜力的重要领域。

BIPV，即光伏建筑一体化(Building Integrated Photovoltaic)。BIPV技术是将太阳能发电(光伏)产品集成到建筑上的技术。BIPV光伏幕墙是将普通幕墙玻璃替换为可以进行光电转换并具备节能隔热效果的复合型光伏组件，兼具发电与建筑构件的功能，提升建筑社会价值，带来绿色概念的效果。BIPV光伏幕墙因此成为21世纪建筑及光伏技术市场的热点[1,2]。

1 项目概况

项目工程建筑的外墙采用全幕墙形式，幕墙分为明框玻璃幕墙和干挂石材幕墙，建筑的南、北立面4.8 m以下为干挂石材墙面，4.8 m以上为玻璃幕墙。

幕墙面积为3 900 m2，工程拟将建筑物南侧4层～15层、西侧4层～15层和东侧3层～14层幕墙中的玻璃进行替换，在人视点的采光主要区域采用普通玻璃，其他区域采用不透光型薄膜复合型光伏组件，起到降温降耗功能，同时兼具光伏发电功能。

2 大楼结构整体安全性核算

建筑整体结构的安全可靠是幕墙加固方案得以实施的先决条件。项目工程原玻璃幕墙更换为复合型光伏组件，玻璃自重及附属措施材料重量由原来54 kg/m2增加为87 kg/m2，增加了33 kg/m2,玻璃厚度由普通双银Low-E玻璃的24 mm增加为36 mm。幕墙体系施加在主体结构的荷载增加，需要对建筑整体结构进行安全性复核。项目工程原设计单位进行了复核，认为幕墙加固方案可行，满足原结构构件的承载力要求，不影响整体结构的安全性。

3 幕墙体系结构安全性核算

幕墙龙骨主要承受水平风荷载、地震荷载、幕墙玻璃及附属措施重量的竖向荷载。由于幕墙体系自重增加，高层建筑风荷载较大，依据《建筑结构荷载规范》[3]验算，在单面幕墙两侧总宽度1/10的边角部位，立柱强度超出规范允许值10%；在建筑楼层12层～14层，立柱强度达到规范允许值92%，需要对立柱进行加固处理；其他位置立柱强度、挠度满足规范要求。幕墙横梁在各区域均满足规范要求，但支撑构造需重新设计。幕墙加固范围如图1,图2所示(云线内范围为加固范围)。

4 幕墙体系加固方案

4.1加固方案计算

为了最大限度节约资源，项目工程幕墙龙骨整体不需更换，原有铝合金龙骨需在隐蔽部位进行局部加固改造。幕墙立柱在层高范围受力体系为简支梁，通过在混凝土结构梁上增加支座节点，使立柱在层高范围内变为两跨连续梁，减小计算长度，可有效地提高立柱的承载能力。横梁在水平跨度范围内为单跨简支梁。经验算，根据《玻璃幕墙工程技术规范》[4]，立柱、横梁抗弯强度和挠度满足要求。

4.2加固方案

立柱是幕墙体系中的主要受力构件，其安全性直接决定整个幕墙的结构安全性。通过在龙骨立柱高度范围内增加节点，使立柱的计算长度减小，使强度、挠度满足规范要求。加固转接件通过化学螺栓与主体结构混凝土梁连接。化学螺栓的优点主要有：1)锚固力强；2)在基孔内不产生由于膨胀引起的应力，尽量减小对原结构混凝土梁的破坏；3)可以做到精准定位，并与结构体完全联结，具有抗老化、抗风化、抗酸碱的优良性能；4)抗震性能良好。幕墙立柱加固节点形式见图3。龙骨横梁不需加固，但由于安装光伏组件，玻璃厚度增加，横梁构造中需重新设计钢承托件支撑复合型光伏组件，如图4所示。

5 结语

项目工程幕墙改造方案，经过原设计单位验算分析，幕墙改造不影响整体结构的安全性。通过计算分析了幕墙体系薄弱环节，结合改造后幕墙的受力特点，采取合理的加固方式，通过在原有幕墙立柱层高范围增加支撑节点和改造横梁支撑构造，使幕墙结构安全性满足规范要求。

项目工程不整体更换幕墙龙骨，只在局部薄弱环节进行加固，采用BIPV技术替代传统玻璃幕墙，既节约利用现有资源，又发展清洁能源产生新的经济效益，具有一定的推广意义，为光伏项目与建筑幕墙改造工程的结合提供了宝贵的经验。

[1] 龙文志.太阳能光伏建筑一体化[J].建筑节能,2009(7):1-9.

[2] 谢士涛.光伏建筑一体化技术与应用[J].门窗,2007(9):42-45.

[3] GB 5009—2012，建筑结构荷载规范[S].

[4] JGJ 102—2003,玻璃幕墙工程技术规范[S].

CurtainwallstrengtheningdesignofBuildingIntegratedPhotovoltaic

YangTao

(StateNuclearElectricPowerPlanningDesign&ResearchInstituteCo.,Ltd,Beijing100095,China)

Building Integrated Photovoltaic (BIPV) is a research hotspot of large-scale utilization of photovoltaic technology. The strengthening of existing building curtain wall is a new subject to promote the application of photovoltaic technology in the field of building construction. Combining with the concrete curtain wall strengthening project, through the analysis of the building structure safety, curtain wall structure safety, and reasonable strengthening scheme and way of curtain wall, the engineering experience is provided for the combination of curtain wall strengthening and BIPV.

BIPV, photovoltaic curtain wall, strengthening

1009-6825(2017)28-0057-02

2017-07-24

杨 涛(1983- )，男，工程师

TU318

A