玻璃幕墙在建筑设计中的应用

王声辉

(海南省设计研究院有限公司 海口 571100)

玻璃幕墙是建筑设计常用形式,既可以提高建筑美观性,又能够增强自然采光,并且因为自重小,无论是前期施工还是后期维护均有更大的优势,因此被广泛的应用到商业楼、居民楼以及车间厂房等工程项目。以航站楼为例,分析玻璃幕墙在建筑设计中应用的优势,面对较大立面的玻璃幕墙更要强调各设计要点的控制,通过结构选型、材料选用、参数设计和节能优化等多个方面的综合分析,确保玻璃幕墙功能性的同时,提高其艺术性与节能性。

1 常见玻璃幕墙类型及特点

1.1 基于支承结构划分

1.1.1 框支承玻璃幕墙

此种类型的玻璃幕墙在建筑设计中比较常见,其是将玻璃面板支承到金属框架上,是最早应用的玻璃幕墙形式。主体包括玻璃面板与金属框架两部分,其中框架用于承担面板荷载,设计时要求与主体机构稳定连接(见图1)。框支承玻璃幕墙具有非常强的适应性,与其他形式的玻璃幕墙相比,其所受高度、规模以及跨度等因素的影响更小。建筑设计中比较常用的包括明框式、隐框式、横隐竖明式以及横明竖隐式等,可根据工程建设要求灵活选择。以北京大兴国际机场为例,玻璃幕墙所应用的便是横隐竖明框式玻璃幕墙(主题+指廊),二次结构采用的是矩形钢立柱与异形组合的形式[1]。外装饰为铝合金材质,不仅遮阳效果好,而且美观性高,还能够保证幕墙平衡,安全性高。

图1 幕墙结构体系

1.1.2 点支承玻璃幕墙

此种幕墙属于组合式,部分包括玻璃面板、金属连接件以及支承构件,建筑设计时需要利用一个连接构件来固定四块玻璃的四个角,以此来保证将荷载均衡的传递给支撑结构。其中,支承结构构件可选形式众多,例如玻璃肋支承、钢立柱支承、钢桁架支承等,可根据实际需求灵活选择[2]。金属连接件包括固定件与扣件两种,且前者均为钢材制作,选择钻孔与夹固定两种不同形式,如图2所示的X 型、H 型以及I型等。

图2 点支承形式

1.1.3 全波玻璃幕墙

由玻璃肋与玻璃面板组成的便是全玻璃幕墙,具有全透明、全视野的特点,但同时在构造方面也存在明显的弱点。与金属构件相比而言,玻璃自身的承载能力要小的多,施工安装以及使用维护等均需要强调注意事项的控制。由于支撑方式不同,此种幕墙分为吊挂式、落地式两种,如图3所示。

图3 全波玻璃支承形式

1.2 基于施工方式划分

1.2.1 构件式玻璃幕墙

此种幕墙形式主要利用竖向构件来与楼板或梁板连接,并通过水平构件增加幕墙刚度。此种幕墙形式需要现场施工,实际操作的灵活性与适应性比较强,尤其是对于结构复杂的建筑工程适应性良好,但同时也存在施工效率低的缺点。

1.2.2 单元式玻璃幕墙

此种类型的幕墙属于预制装配式,提前根据图纸在工厂内完成骨架以及玻璃面板的加工,并完成多个幕墙单元的组装,运输到场后直接安装在建筑主体结构上[3]。与其他玻璃幕墙不同的是,单元式玻璃幕墙可以与建筑主体同步施工,所需工期大大缩短,且幕墙的密闭性优越。

2 玻璃幕墙建筑设计要素

2.1 结构选型

玻璃幕墙的种类比较多,而且不同类型之间存在明显的差异,在建筑工程设计中必须要保证结构选型的合理性。从建筑结构设计特点出发,综合建筑形象以及界面尺寸的受力特点,完成支承结构类型的选择。各种玻璃幕墙在围护功能方面大同小异,相差较大的是结构的艺术形式,所选玻璃幕墙的类型直接决定了建筑的外形。对于航站楼的玻璃幕墙来讲,要以建筑的整体风格为基础,强调整体表现效果,综合建筑功能、成本、外观、能耗以及施工等多方要素做合理选择。并且,与其他建筑不同是航站楼玻璃幕墙具有更大的跨度,立面玻璃幕墙存在着更大的受力面积,通过自身支承结构来传递竖向荷载,在设计中应充分考虑防风性,以免受到风力影响,导致稳定性差[4]。

2.2 合理选材

对建筑玻璃幕墙进行选材,主要从玻璃面板材料和结构构件材料两个方面进行。其中,常用的玻璃材料如平板玻璃、安全性玻璃、节能性玻璃以及装饰性玻璃等,要根据建筑功能需求以及内外环境等因素综合选择。把握好材料的主要性能参数,包括可见光透过率与反射率、传热系数、遮阳系数等,另外对于本文案例中的航站楼来讲,除了上述几项以外,还要综合考虑隔音性、安全性以及室内视觉性等要求。随着玻璃幕墙技术的不断发展,相应的玻璃材料种类也在逐渐的增多,出现了有色玻璃、镀膜玻璃、贴膜玻璃、彩釉玻璃等,在选择上更具丰富性,在确保玻璃幕墙功能性的同时,也增强了艺术性与美观性。从技术角度分析,玻璃材料的选择有着严格要求,需要根据玻璃幕墙的类型来选择。框式玻璃幕墙一般玻璃材料便可满足,点支承玻璃幕墙则要求必须配套使用安全玻璃,如钢化玻璃、钢化中空玻璃以及钢化夹胶玻璃等。

玻璃幕墙骨架基本上均是采用铝合金型材进行施工,为抵抗内外因素的影响,施工时还要对材料表面进行阳极氧化、粉末喷涂等处理。另外,搭配铝合金型材使用的还有隔热条,因为铝合金具有较高的导热系数,明框施工会产生室内外冷桥导致能耗增加,通过隔热条的应用可以在一定程度上降低热桥的影响。另外,玻璃幕墙多采用奥氏体不锈钢施工,点支承以及全玻璃幕墙的不锈钢支撑则以SS316居多。

2.3 立面分格

受现有技术水平限制,玻璃面板材料无法以一个整体的形式用于建筑立面施工,实际操作中需要对其进行立面分格处理。幕墙分格不仅要考虑立面效果,而且需要综合建筑内部功能、室内视觉、层高、室内空间柱网以及玻璃尺度等多方条件。依然是以航站楼为对象,立面分格设计要强调水平向或垂直向的线条要求,确保科学分格。同时,还要兼顾经济性要求,保证材料具有较高的利用率,控制玻璃面板尺寸与玻璃原片规格的差异要尽量的小。同一建筑玻璃幕墙分格必须要保证模数尺寸的统一性,分格尺寸不统一往往会造成施工难度的增加,而且会产生很多额外的成本支出。无论是采用何种分格方式,均要保证玻璃幕墙施工以及使用的安全性,尤其是航站楼这种大跨度分格玻璃幕墙,要以安全设计为主,减少隐患。

2.4 节能降耗

玻璃幕墙使用面积比较大,再加上传统玻璃材料热工性能较差,在使用过程中就会产生更多的能耗,因此要重视节能设计的重要性。首先要合理选择,玻璃材料的热工性能直接关系着整个玻璃幕墙的能耗,要求玻璃幕墙要保持良好的保温隔热性能与气密性能。同时,还要做好玻璃幕墙的遮阳设计,在降低太阳辐射产生热量的同时,减少建筑能耗,另外,还要注意对新型节能材料以及节能技术的应用,能够更大程度上来减少建筑能耗。

3 应用策略

3.1 自然采光设计

玻璃幕墙设计一大要点便是保证足够的自然采光,从建筑工程所处区域环境、气候特点等出发,选择合适的玻璃幕墙类型,并搭配适应的玻璃面板材料,保证良好的通透感。而阳面则可以采用茶色玻璃幕墙,既可以保证一定采光效果,又可以避免阳光直射带来的辐射热,将能耗控制在一个合理的范围内。另外,还要灵活应用变色玻璃,保证能够最低限度的满足建筑阴面和阳面采光需求,且达到室内视觉的应用要求,以免强光照射影响室内视线效果。

3.2 自然通风设计

良好的通风也是玻璃幕墙设计需要注意的一个方面,可以将部分玻璃幕墙设计成开闭式,遇到阴雨天气时直接将其关闭形成一个密闭空间,而晴朗天气则可以打开,提高室内通风效果,实现环境调节,降低能耗。通过对玻璃幕墙的灵活化设计,不仅可以满足实际应用需求,同时还可以优化建筑节能效果,提高建筑设计综合效果,切实满足实际应用需求。

3.3 防渗漏设计

渗漏水是玻璃幕墙比较常见的质量问题,在前期设计时必须要加强对此方面的研究,分析总结导致渗漏发生的原因,确定问题出现的基本条件,然后结合建筑实际情况,制定针对性的预防方案,提高玻璃幕墙设计综合效果。而对于防水装置则应当基于等压法设置相应的压力孔,以确保幕墙内外压力平衡,然后通过压力差将幕墙内积水转移到另一层,达到防水设计的目的。

4 结语

综上所述,玻璃幕墙作为现代建筑建设常用围护形式,具有更强的艺术性与美观性。在建筑设计中的应用需要注意的事项比较多,想要保证每个细节均符合工程建设要求,首先必须要掌握玻璃幕墙的特点,并从实践经验中总结和发现问题,提前做好规划预防,结合工程建设要求,来合理选择玻璃幕墙表现形式,重点突出其所具有的优势,进一步完善建筑工程的功能性,过合理设计实现预期的建设目标。