《粤剧红船》上建玻璃幕墙窗的设计

周俊辉 曾江易

摘    要：本文以《粤剧红船》为例，结合红船的特殊要求，根据中国船级社《钢质内河船舶建造规范》对上建玻璃幕墙厚度进行计算，并简要介绍内河船上建玻璃幕墙窗的设计要点。

关键词：粤剧红船;玻璃窗; 玻璃厚度计算

中图分类号：U671.91                              文献标识码：A

Selection of Superstructure Window Glass on

Cantonese Opera Red Boat

ZHOU Junhui，  ZENG Jiangyi

（ Guangzhou Marine Engineering Corporation， Guangzhou 510250 ）

Abstract： Taking the Cantonese Opera Red Boat as an example， combined with the special requirements of the boat， this paper calculate the thickness of glass curtain wall of superstructure on the boat according to the rules for the Classification of Steel Inland Waterways Ships of CCS， and briefly introduces the selection of glass curtain wall window on inland river boat.

Key words： Cantonese Opera Red Boat; Window Glass; Glass thickness calculation

1    引言

《粤剧红船》是广州市为振兴岭南文化、弘扬粤剧精髓而打造的重点工程项目，是目前珠江夜游船中最大、最长、最宽、最高的一艘游船。主要用于广州市珠江航道日夜游中进行粤剧表演、观光等，同时又可以根据客户要求提供个性化服务，例如新闻发布、商务会议、产品推介、学术交流等。

本船主要航行于以广州市珠江航道为主的珠三角内河航道，按内河A级游览船/第4类客船/大型客船进行设计。众所周知，玻璃作为一种透明或半透明部件，不仅满足了气候、声学等对船舶的空间进行分隔和围护的要求，而且其装饰性和通透性也极大地提高了船舶的魅力。

2    设计要点

《粤剧红船》的玻璃幕墙窗与普通船用窗的主要区别，在于幕墙窗的尺寸比普通方窗的玻璃尺寸大了好幾倍，使玻璃抵御船舶航行时产生的船体振动和变形等的能力急剧下降，加上玻璃幕墙窗没有普通方窗所具有的整体方框，而是直接贴在舱壁上，更降低了整体的抗破坏能力。因此玻璃幕墙窗结构设计的关键是如何解决由于尺寸增大而带来更多的冲击、振动变形等问题。

为此，在玻璃幕墙窗的结构设计中参考了国外有关资料，决定采用弹性结构来解决这一问题：在玻璃的上下及两边垫上橡胶嵌条的垫体，有效地避免由于船体变形对玻璃造成的硬接触，同时还能防止玻璃的移动和错位;采用双层夹层玻璃，中间层使用聚乙烯醇缩丁醛中间膜（PVB），能有效增加玻璃的抗冲击性能，并能减少外界噪音的干扰。通过计算，确定夹层玻璃的规格以及夹胶、粘胶的施工厚度。

此外，由于玻璃幕墙窗不存在窗框，因此必须在玻璃的四边用防水结构硅胶密封，确保玻璃幕墙窗的水密性（如图1所示）。

3   玻璃的物理性能简述

玻璃的物理性能是玻璃抵抗预计环境力量的能力。就本文而言，即为抵抗船舶综合环境力量的能力，包括：热工性能（隔热）、采光性能、隔声性能、气密性能及抗风压能力等。

3.1  热工（隔热）性能

船舶热源分为外部热源与内部热源两类：外部热源主要是太阳;内部最大的热源则是机舱。此外，还有太阳能量以光辐射的形式直接传导热量到室内。

3.2  隔声性能

玻璃的隔声性能是指通过空气传到玻璃外表面的噪声，经过玻璃的反射、吸收及其他形式的能量转化后所减少的量的差值。噪声通过空气传递到玻璃的外表面，其中：一部分能量在玻璃表面产生反射;一部分能量被玻璃材料吸收转化为其他能量;一部分能量透过玻璃材料及其间的空隙传入室内;一部分能量投射在玻璃上激发材料自身的振动，并将这种振动向室内空气中辐射;一部分能量沿玻璃及其构件以固体声形式继续传播。可以看出，能量通过反射、吸收和其他形式的能量转化，传到室内时已有一定程度的减少，这种减少量值称为玻璃（材料）的有效隔声量。由于珠江河道不宽，江边人声鼎沸，所以隔声性能良好的玻璃对本船来说是非常重要的。

3.3  气密性能

玻璃窗的气密性能是指在压力差的作用下，其可开启部分于关闭状态下（或固定式窗的常态）玻璃及其结构阻止空气穿过的能力。从玻璃窗缝隙渗入舱内的空气量对整船的舱内温度有较大影响，数据显示由缝隙渗入室内的冷空气的耗热量达到全部采暖耗热量的20%～40%。所以玻璃窗的形式和机构，以及相关结构胶的选用显得尤为重要。

3.4  抗风压性能

玻璃窗的抗风压性能是指在风压的作用下，其可开启部分于关闭状态下（或固定式窗的常态）玻璃变形不超过允许范围且不发生结构损坏的能力。

4   玻璃的强度

船舶在航行过程或静止状态下均会受到波浪力的影响，从而引起船体的变形。由于本船所使用的玻璃单块面积大、覆盖上建的范围较广，玻璃受结构变形的影响还是比较大的，可能会导致玻璃使用寿命的减少甚至直接变形破碎的情况。

在船舶上用作玻璃幕墙或大片玻璃窗的玻璃，其应力抗力（包括抗扭等综合应力）很大程序上取决于玻璃表面的完备性。根据玻璃晶格的化学粘结性和破断所需的能量，玻璃抗拉强度的理论值要远高于玻璃成品所达到的值，这是因为玻璃表面许多随机微观裂纹和宏观裂缝的存在，由于玻璃没有明显的塑性发展能力，裂缝扩展会导致突然的脆性断裂。

玻璃强度的测试强度与试件的尺寸有关。小片玻璃的测试强度要高于大片玻璃，这是因为玻璃尺寸越大其表面存在缺陷的几率越高，因此有学者提出了建立在失效概率理论而不是预先确定强度方法的基础上的玻璃结构设计方法。

玻璃的强度还与载荷作用的长短有关，玻璃裂纹在长期载荷作用下会扩展直至破坏，而对于短期载荷则强度较高。

如上所述，玻璃的实际强度不是其理论的机械强度，而是取决于其表面（包括端部和钻孔周围）损伤程度的变量。严格而言，只有通过统计方法才能确定临界损伤相对应的玻璃强度。

本船是珠江上的游船，需要满足舞台表演、观光等需求：舞台需要安静，而观光需要通透广阔的视野。夹层玻璃与中空玻璃是强度、隔热性能与隔声性能等各项指标都比较好的玻璃，但中空玻璃由于工艺的限制，对潮湿空气的耐受性比较差，考虑到船舶的使用环境，最后选用双层夹层玻璃。其中：玻璃板材选用钢化处理过的高透白玻璃以保持通透性;中间层使用聚乙烯醇缩丁醛中间膜（PVB）夹层，其外观与普通玻璃一样，中间PVB胶的韧性较好，能在玻璃受到外力冲击时提供一定的保护作用，而且能在玻璃破碎后把玻璃完整地保持在框架内一定时间，防止突发伤人并在一段时间内保持玻璃窗挡雨遮风的基本功能，为船舶安全使用提供了保障。此外，PVB胶还对声波有较强阻尼作用，减少岸上噪音的干扰，满足作为移动舞台需要对噪声进行控制的要求，提高船舶的舒适性。

5   玻璃幕墙窗的结构计算

本计算参考中国船级社《钢质内河船舶建造规范》（2014）要求进行。

5.1  玻璃厚度计算

玻璃厚度t，应不小于按下式计算所得之值：

（1）

式中：  b——  玻璃短边长度，mm;

C——  系数，按规范表4.8.1.3选取;

[σB]——玻璃许用弯曲应力，N/mm2。对钢化玻璃取[σB]=50 N/mm2;

对普通玻璃取[σB]=19.5 N/mm2;对聚碳酸酯玻璃取[σB]=26 N/mm2;

P——玻璃承受的载荷，kN/m2。应不小于按下式计算所得之值：

kN/m2                       （2）

式中：h——压力计算中心距满载静浮水线的垂直距离， m。当 h<1.5 m 时，取 h=1.5 m。

必须注意：上层建筑（甲板室）玻璃顶篷甲板的计算压力 P，应不小于 2 kN/m2;玻璃厚度t小于5 mm时，应取t=5 mm;

当采用双层夹层玻璃时，两层玻璃的厚度之和应不小于以上玻璃厚度t计算值的1.25倍;

当采用三层夹层玻璃时，三层玻璃的厚度之和应不小于以上玻璃厚度t计算值的1.5倍。

5.2  粘接寬度计算

当玻璃采用粘接方式与框架或壁板进行连接时，粘接宽度 d 应不小于按下式计算之值：

mm                        （3）

式中： P——玻璃承受的载荷，kN;        σt ——粘接剂拉伸强度，N/mm2。应不小于2.5 MPa;          b ——玻璃短边长度，m;

必须注意：在任何情况下粘接宽度应不小于15 mm。

5.3  粘接厚度计算

当玻璃采用粘接方式与框架或壁板进行连接时，粘接厚度 t 应不小于按下式计算之值：                                         t = ka  mm                                    （4）

式中：a——玻璃的长边长度， m;           k——系数。钢化玻璃和夹层玻璃取k=5;聚碳酸酯玻璃取k=8;

必须注意：在任何情况下粘接厚度应不小于6 mm。

图2为玻璃幕墙侧视图。

图2  玻璃幕墙侧视图

5.4  计算结果

本船上层建筑和甲板室的主要外窗玻璃尺寸如下（表1）：

本船采用双层夹层钢化玻璃及高性能结构胶粘结，计算结果如下（表2）：

根据以上计算结果，本船实际选用配置为：10mm钢化玻璃+0.76 mm PVB+10 mm钢化夹层玻璃 ;玻璃结构胶粘结宽度为30 mm、粘结厚度为22 mm。

6   结束语

船舶玻璃幕墙窗的设计，既要考虑船体的振动又要考虑结构变形等因素，对玻璃的物理特性、强度等有较高要求，同时还受船舶排水量限制而尽可能减少玻璃重量。因此，在玻璃幕墙的结构设计和材料选择上要综合考虑，满足使用及法规的要求。

随着时代的发展和人们生活水平的提高，船舶已经不仅是一种交通工具，在兼具娱乐、餐饮、舒适性以及观光等需求的新时代，带状玻璃幕墙窗在内河以及沿海船舶上的应用越来越广泛，大而通透的玻璃能给人带来更好的空间感、更开阔的视野，同时也能使船舶的外观更富有现代感。

希望通过本文能为今后类似玻璃幕墙的设计者提供参考。

参考文献

[1] 中国船级社 钢质内河船舶建造规范 [S].2016.

[2] 张其林. 玻璃幕墙结构[M]. 山东科学技术出版社，2006.2.