幕墙中空玻璃影像变形影响因素及改善措施

李亚娟 赵红英

（天津耀皮工程玻璃有限公司 天津 300402）

0 引言

随着中国城市化持续快速发展，超高层建筑正不断的刷新着城市的天际线，幕墙工程从设计理念、施工难度等多方面也在不断的创造着奇迹，这一趋势在近十年尤为显著［1］。为了保证建筑良好的保温隔热性能，应用于幕墙上的玻璃必须为节能玻璃，中空玻璃作为一种优异的节能玻璃品种，是目前应用最广泛的节能玻璃，也被号称为“今天的玻璃”［2］。幕墙玻璃作为建筑的“外衣”，其美观效果对整个工程外观效果的影响是显而易见、且至关重要的，尤其对于各地知名地标建筑，更是影响重大、意义深远。而中空玻璃影像变形现象是幕墙建筑的普遍现象，直接影响着幕墙的“外衣”美观程度。因此，如何给玻璃幕墙穿上靓丽的“外衣”，是我们一直关注的热点问题。本文分析了影响中空玻璃影像变形的因素，使大家对中空玻璃影像变形有更准确的认识，并给出了相应改善措施，有助于进一步改善幕墙玻璃影像变形现象。

1 中空玻璃影像变形影响因素

由于幕墙玻璃并不是完全均匀平整的，玻璃的不完全平整最终导致了景物的影像扭曲变形。这种光学变形现象普遍存在于我们的日常生活中。

影响中空玻璃影像变形的因素有很多，除了钢化玻璃自身的不平整外，环境温度、气压变化、风荷载、设计、安装等因素也会导致中空玻璃影像变形；同时，玻璃反射率、观测距离、观测角度、周围物体等因素也会影响观测效果。

1.1 钢化/半钢化玻璃本身的固有的平整度

钢化/半钢化玻璃在制作过程中，由制作工艺导致的玻璃不平整。主要表现为钢化/半钢化玻璃的整体弓形和局部波形，这种现象是钢化/半钢化玻璃的固有特性，它是由钢化工艺本身引起的，虽然很轻微，但确实会产生肉眼可辨的影像变形。在当今技术条件下，即使采用最先进的设备进行最严格的工艺控制，影像变形也是不可避免的。玻璃平整度越差，其影像变形越严重，只能尽量严格控制热处理玻璃本身的平整度。

图1 热处理玻璃本身固有的平整度引起的影像变形

1.2 环境温度和气压的变化

中空玻璃是一个密闭的系统，根据克拉佩龙方程：pV＝nRT，式中：p为压强（Pa），V为气体体积（m3），T为温度（K），n为气体的物质的量（mol），R为摩尔气体常数（也叫普适气体恒量）（J/（mol·K））。当温度变化时，其体积及压力都会变化，作用于玻璃表面，就会引起玻璃的膨胀或收缩变形。当外界温度高于玻璃加工温度时，中空腔内气体温度随之升高，发生膨胀，中空玻璃便发生外凸变形；当外界温度低于玻璃加工温度时，中空腔内气体温度随之降低，发生收缩，中空玻璃便发生内凹变形。同理，当外界气压发生变化时，会引起中空玻璃内外气压的不平衡，这种不平衡即会对玻璃产生一向内或向外的力，进而造成玻璃的挠曲变形。若中空玻璃腔体内气压低于外部大气压，中空玻璃就会出现收缩变形；若中空玻璃腔体内气压高于外部大气压，中空玻璃就会出现膨胀变形。因此，便会产生中空玻璃反射影像变形现象。

1.2.1 环境温度的变化

玻璃在使用过程中，加工地与项目所在地可能会存在温差，温度也会随四季变化，甚至每天的早晨到夜晚温度都在时刻发生变化（日照下玻璃表面温度可达60 ℃），这都会引起中空玻璃的影像变形。以“6 mm玻璃＋13.4 mm空气层＋6 mm玻璃”中空玻璃为例，当温差为50 ℃时，将会产生一个2.5 mm的外凸或内凹挠曲变形。空气层厚度也会影响其挠曲变形，对于“ 6 mm玻璃＋18 mm空气层＋6 mm玻璃”配置而言，同样的温差（50℃），其挠曲变形值将达3.4 mm。空气层厚度越大，同等条件下，挠度变形越大。温度一年四季时刻发生着变化，中空腔内的空气随之热胀冷缩导致中空玻璃影像变形，这是一种自然现象无法规避，但可以通过优化玻璃配置来改善。

1.2.2 环境大气压的变化

一般情况下，如果中空玻璃生产和安装的两地之间所处纬度以及海拔接近，那么中空玻璃空气层内的压强与外部的大气压基本是相同的。但是，当中空玻璃在低海拔地区制作，而玻璃使用地在高海拔地区时，海拔高度不同，大气压力也不会相同。大气压与海拔高度的关系见表1。

表1 海拔高度和大气压强关系

从表1中可以看出，海拔高度每升高1000 mm，相对大气压力大约下降12%。当中空玻璃生产地和安装地海拔高度相差较大时，其大气压也相差较大，受中空玻璃内外压差的影响，中空玻璃的两片玻璃会向外挠曲（鼓肚子），玻璃也会产生视觉变形。如果压差过大，大到超过玻璃自身的强度的话，中空玻璃就可能出现炸裂和中空玻璃的结构胶断裂等问题，从而导致中空玻璃的密封过早失效。

1.3 风荷载

在风荷载作用下，一个密闭的玻璃单元很容易产生一个2 mm甚至更大的形变。玻璃越薄，风荷载作用下挠曲变形越大。目前，国内在进行玻璃厚度计算时，按在风荷载标准值作用下，四边支撑玻璃的最大挠度不大于其短边边长的1/60进行计算［3］，实际上国际上一般按1/90～1/120来进行核算，这种算法导致国内选用玻璃偏薄。

1.4 支撑块和安装因素

玻璃安装的夹具、支撑块、定位块、压条等部件，都有可能导致玻璃边部受力不均，进而产生玻璃局部变形，对玻璃反射变形产生影响。

1.5 玻璃反射率

反射率高的玻璃比反射率低的玻璃对光学影像变形影响大。反射率越高，影像变形越容易被观察到。

1.6 观测距离

玻璃距观测者的距离与玻璃距被观测者距离的不同，会使观测到的视觉效果不同。观察距离越远，反射失真越明显。同时，玻璃距被观测者越远，变形也越明显。

1.7 观测角度

如果正面观察玻璃，一般不会看到变形，但当观察角变得更大时，光学变形失真越来越明显，如图2、图3所示。同一物体，分别从E、D、F三个不同观测角度，观测到的反射失真影像如图4所示。

图2 正面观测

图3 大角度观测

图4 同一物体，分别从E、D、F三个不同观测角度，观测到的反射失真影像

1.8 周围物体

线性物体（如建筑幕墙和电线杆）和移动物体（如汽车）会产生变形。不规则和无固定形状的物体（如树或者云）则几乎看不出变形。

2 中空玻璃影像变形改善措施

2.1 改善钢化玻璃自身平整度

钢化/半钢化玻璃自身平整度直接影响着整个建筑的外观平整度效果，选用高品质的钢化/半钢化玻璃是改善中空玻璃影像变形的基础。采用先进的加工设备、加工工艺和检验设备，经验丰富和稳定的专业工艺技术队伍，及严格的质量控制，通过进一步改善加热的均匀性，降低玻璃出炉温度，减少玻璃中间和边部的温度差异，适当抬高风栅风嘴的高度等措施进一步改善加热和冷却的均匀性，可有效改善钢化玻璃平整度。

2.2 安装毛细管

对于玻璃生产地和安装地海拔高度相差较大导致的影像变形，通常可通过在中空玻璃的密封边部安装毛细管来解决。毛细管的作用是不断调节随着海拔高度的变化引起的中空玻璃空气层内的压强和外部的环境大气压之间的差，平衡内外压差，使之达到动态均衡，进而解决压差的问题。毛细管管径一般≤0.5 mm。毛细管安装完毕后，需要依次用丁基胶和结构胶密封好，在生产地毛细管处于打开状态，在玻璃运抵使用地后，待玻璃内部压强和外部气压平衡后，必须尽快对中空玻璃毛细管进行密封操作。

毛细管如无密封处理或密封不当，中空腔内与外部环境连通，空腔内气体会与外界气体发生流动交换，中空玻璃内外环境中水分子浓度的差别是水分子扩散运动的根本动力，外界水气分子浓度较大，会扩散进入中空腔内，中空玻璃间隔条内的分子筛能吸附进入中空腔内的水气分子，但当分子筛吸附达到饱和后，就不能再吸附进入的水气。当此玻璃安装在建筑物上时，外部温度下降，玻璃表面温度也会下降，当温度低于中空玻璃内水气分子的露点时，水气就会产生冷凝，即中空玻璃会出现结露，最终导致中空玻璃失效。

2.2 优化玻璃设计

在前期设计时，合理优化玻璃配置可改善中空玻璃影像变形，如在玻璃厚度、中空腔体、尺寸方面应考虑以下因素：

2.2.1 增加室外片玻璃厚度

由于风荷载和环境温度变化引起的中空玻璃影像变形不可避免，那可以通过增加玻璃厚度，增加玻璃刚性的措施，来减小挠度变形。为节约成本，可以仅增加室外片玻璃厚度，使室外片厚度大于室内片，这样在外力作用下，挠度变形主要集中在室内较薄的那片玻璃上，可以有效改善中空玻璃整体影像变形。

2.2.2 控制玻璃尺寸

对于钢化/半钢化玻璃，当玻璃高边和宽边均大于800 mm，且比例接近1时，热处理时波形难以控制，会出现比较大的变形，建议玻璃的长宽比应大于1.5∶1，小于4∶1。且玻璃尺寸越大，挠度变形越大，所以应尽量避免使用超大玻璃尺寸。

2.2.3 中空腔体

空气层厚度越大，同等条件下，挠度变形越大，在满足节能计算等的情况下，使用中空腔薄的玻璃，可减小挠曲变形。

挠曲变形的程度既取决于玻璃的刚度和尺寸，也取决于中空腔体的厚度。当中空玻璃尺寸小、中空腔薄、单片玻璃厚度大时，挠曲变形可以明显减小［4］。

2.3 严格控制安装精度

严格控制玻璃的安装，优化安装工艺、严控安装过程、减少安装误差，避免玻璃边部受力不均，可有效改善中空玻璃边部局部影像变形。

2.4 周围环境

玻璃的选择，还应综合考虑建筑的周围环境，高反射率的玻璃固然看起来更美观、更有质感，尤其是超高层建筑，很多选用高反射率的镀膜玻璃。但如果周围有比较高的线性物体时，选择反射率低的玻璃，会使玻璃影像变形不那么凸显。

3 结语

中空玻璃影像变形是中空玻璃的固有现象，随着温度和气压的变化，中空玻璃影像变形程度也随之变化，如果影像一成不变，说明中空玻璃已密封失效。中空玻璃影像变形既和玻璃本身平整度有关，也受外界环境、设计、安装的影响，同时也和观测距离、角度及周围环境有关。这是一个复杂的系统问题，并非单单玻璃加工的问题。通过改善钢化玻璃自身的平整度、优化玻璃设计、严格控制安装精度，及综合考虑使用环境因素进行加装毛细管、选用合适反射率的镀膜玻璃等一系列措施，可有效改善中空玻璃影像变形现象。