建筑幕墙中空玻璃光学变形问题分析

唐佳峰

（北京北辰会展投资有限公司，北京 100000）

0 引言

建筑幕墙经过40 多年的发展，近20 年来建筑幕墙被普遍应用于办公建筑、综合体建筑、高端住宅等。越来越多的建筑立面幕墙采用玻璃作为主要立面装饰材料，而中空玻璃其优异的保温、隔热、节能性能，是目前应用最为广泛的建筑玻璃，以便达到建设项目的低耗、高效、经济、环保的目的。幕墙玻璃作为建筑的“衣服”，其外观质量效果对整个幕墙工程的影响是且至关重要的。尤其对高层建筑、超高层建筑，更是影响重大。中空玻璃的反射影像变形现象是玻璃幕墙的常见问题，一直是一个难以克服的顽疾，几乎每块幕墙玻璃都存在或多或少反射影像的扭曲变形。因此，如何让建筑的“外衣”更加靓丽，中空玻璃的影像变形更小，在整体幕墙工程中的品质控制就变得尤为重要。本文针对建筑幕墙中空玻璃使用的全过程对反射影像变形的影响因素进行分析，提出控制方法及解决方案[1]。

1 建筑玻璃幕墙中空玻璃光学变形问题概述

1.1 建筑玻璃幕墙

由支承结构体系和面板组成的、相对主结构有一定位移或变形能力、不分担主体结构作用力的建筑外围护结构或装饰性结构。而其主要面板材料采用玻璃的外围护结构称为建筑玻璃幕墙[2]。

1.2 中空玻璃

中空玻璃是一般为两层或多层单片玻璃组成，四周采用高强度的、密封性优异的复合黏结材料，将两层或多层玻璃与内含干燥剂的框架粘接、密封。内部腔体充入气体形成有干燥气体空间中间层的复合玻璃。

1.3 中空玻璃反射光学变形问题

国内建筑物因安全要求幕墙玻璃多采用钢化或半钢化中空玻璃，它是由2 片或多片钢化、镀膜、彩釉、夹层等玻璃加工合片而成。中空玻璃由于其加工方式、使用环境温度和气压、安装方式等因素的影响，存在一定程度的反射影像失真现象，严重时甚至无法辨识反射物体的形状，对建筑物的整体立面效果影响很大。另外，如果中空玻璃变形过大，前后片玻璃贴合，还可能导致中空玻璃贴合位置形成冷桥，丧失节能性能[3]。

2 建筑幕墙中空玻璃反射光学变形的影响因素

2.1 中空玻璃生产加工

（1）单片浮法玻璃平整度因素。浮法玻璃生产的成型过程是在通入保护气体的锡槽中完成的。熔融玻璃从池窑中连续流入并漂浮在相对密度较大的锡液表面上，在液体表面张力的作用下，熔融的玻璃液在锡液上面展开、摊平、形成上下表面平整、硬化，冷却后被引上过渡辊台。辊台的辊子转动，把玻璃带拉出锡槽进入退火窑，经退火、切裁，就得到浮法玻璃产品[4]。

依据国家标准《平板玻璃》（GB 11614—2009），浮法玻璃从外观质量上可分为合格品、一等品和优等品，要求光学变形对应的入射角为50°、60°、70°。目前国外的高等级浮法玻璃其光学变形的入射角已经达到了70°，因此，浮法玻璃的外观质量可以选用高等级产品，以改善玻璃的影像失真影响。

（2）单片钢化或半钢化玻璃平整度因素。中空玻璃大多情况下内、外片会选用钢化或半钢化玻璃，单片玻璃在钢化加工的过程中，玻璃会急速升温和冷却，因此会造成玻璃弯曲、辊道印痕等局部微小平面变形的缺陷。

采用此种加工工艺组合成的中空玻璃，必然会出现玻璃物理平面变形与反射影像的光学扭曲。同时，如果不同弯曲方向的单片或多片玻璃进行中空合片，还会增加成品合成玻璃产生自爆破损的风险。

中空玻璃当选用单片钢化玻璃时，应注意选用内、外片玻璃厚度差值不大于5mm 的单片钢化玻璃，且内外片玻璃的弯曲方向尽量一致。单片玻璃越厚，在钢化处理过程中，玻璃表面平整度越好，弯曲现象越不明显[5]。

另外，单片钢化玻璃的平整度也是中空玻璃合片前的重要控制因素。依据国家标准《建筑用安全玻璃第2 部分：钢化玻璃》（GB 15763.2—2005）对玻璃本身的光学影像变形并未有说明，但在玻璃平整度方面明确要求，弓形变形不超过0.3%，波形变形不超过0.2%。

（3）中空玻璃合片工艺因素。中空玻璃合片封胶工艺分为卧式合片和立式合片。卧式合片是把玻璃水平放置进行封胶，由于玻璃自重的原因中心区会局部下挠，造成中空腔空间变薄，封胶后中空腔气体会形成负压，从而引起玻璃表面向内凹陷，玻璃的面积越大，玻璃向内凹陷的程度也越大。

解决中空玻璃向内凹陷的另一种工艺为立式打胶法。在玻璃片的检查、流转、清洗、烘干、支撑框安装、合片等各工序均采用立式流水线工艺，由于整个合片过程玻璃片始终处于竖直状态避免了由于玻璃平放自重而造成的局部中心区域下挠，因此，立式合片加工工艺所生产的中空玻璃平整度要优于水平放置合片的中空玻璃。

2.2 中空玻璃安装施工

除单元体玻璃幕墙系统外，其余幕墙系统形式多为框架构造，杆件及面板均是在施工现场逐一构件安装，因此施工过程的控制也会影响玻璃的反射成像效果。依据《建筑玻璃幕墙工程技术规范》（JGJ 102—2013）隐框玻璃板块的安装允许偏差控制在2.5mm 以下，但实际上有些工程现场没有很好的依据要求进行安装，特别是玻璃板块的直线度、玻璃幕墙整体的平面度以及相邻面板的接缝高低差，当安装偏差超出控制要求值时，玻璃幕墙整体反射的影像出现不连续的情况。同时，玻璃安装的压块、压条支撑块、支撑托片等构件的安装，也会导致玻璃边部受力不均匀，中空玻璃局部产生形变，局部玻璃失真明显。

2.3 建筑物所处物理环境

（1）室外风荷载。建筑物在建造过程中、后续完成及实际使用中必然会受到自然界的风荷载作用。依据《建筑玻璃幕墙工程技术规范》（JGJ 102—2013），风荷载作用下幕墙玻璃挠度限制为1/60 的短边长度。例如，宽度为1500mm 的单块幕墙玻璃，允许的挠度变形不超过25mm。此时，计算玻璃的强度满足要求即可。但玻璃幕墙在实际使用环境中，外部的自然风作用即使按40%考虑，1500mm 宽的玻璃挠曲变形也有近10mm。变形量已远超玻璃本身允许弯曲的产品标准。因此，幕墙玻璃在风荷载的作用下，玻璃会向内或外弯曲，形成凹凸曲面，进而反射影像产生变形。

（2）中空玻璃生产地与使用地大气压力差。由于中空玻璃的中空腔属于全密闭状态，腔体内的气体与加工地的环境温度和气压相同。所以当中空玻璃安装完成后所处物理环境中大气压力发生变化时，也会产生弯曲变形。例如，中空玻璃的生产地与使用地海拔高度超过500m 以上时，在某种程度上就可以引起中空玻璃的凹凸变形。如果中空玻璃的产地海拔高于使用地，中空玻璃在安装后会发生向内凹陷，如果产地的海拔低于使用地，会造成中空玻璃的外凸现象。

（3）中空玻璃合片温度与使用地环境温度差。中空玻璃特殊的密闭中空腔构造，其腔体内的气体也受环境温度的影响。根据理想气体状态方程PV=nRT 的原理，当加工地与使用地的温度不同时，或者季节不同引起温度变化时，中空玻璃中空腔内的气体会发生热胀冷缩，中空玻璃腔与使用环境形成压强差。在压力差的作用下，中空玻璃的内外片发生变形以适应中空腔内气体的体积变化，形成一种外凸或内凹的状态，导致反射物体影像发生变形。

一般来说，中空玻璃尺寸越大、玻璃基片越薄，相同温差下的凹凸变形程度越大；当使用环境温度与中空玻璃合片的温差越小时，凹凸变化的幅度越小。

2.4 观测因素

玻璃与观测者的距离、玻璃与被观测物的距离不同，也会导致观测到的影像效果有所不同。观察距离越远，反射失真越严重。玻璃距观测物越远，变形也越严重。

同时，观测角度的大小也对观感影响很大。如果正面观察玻璃，一般变形较小或不明显，但当观察角度变大时，光学变形失真越来越明显。

3 中空玻璃反射变形问题的控制方法

3.1 优化建筑设计方案

（1）建筑立面及园林方案协同考虑。在建筑外立面设计时，首要重点考虑到人流密集位置视距范围内的玻璃幕墙，可优先选用明框或半隐框的幕墙形式，增加外立面可视的装饰线条，形成玻璃分格避免大面积的全玻璃幕墙反射面。

此外，可以采用优化建筑物四周的园林设计方案，即玻璃幕墙四周增加高大绿植进行光学遮挡，避免对建筑物附近行人形成视觉污染。

但上述设计方案的优化并未在实质上改变中空玻璃反射光学变形的形成。

（2）幕墙玻璃分格尺寸。中空玻璃的尺寸越大，玻璃的加工、钢化、合片等工艺因素的变形影响越明显。同时，玻璃分格越大，荷载下挠度变形越明显。因此，满足建筑方案效果的前提下，合理选择玻璃分格尺寸是控制玻璃影响失真的基础因素。

3.2 优化幕墙设计方案

（1）中空玻璃配置优化。玻璃幕墙中空玻璃分为内片玻璃和外片玻璃，而形成反射光学影像变形主要由室外片玻璃产生的，减小外片玻璃的挠度变形才是核心要素。依据《建筑玻璃幕墙工程技术规范》（JGJ 102—2013），在风荷载标准值作用下，玻璃挠度值df与刚度D 成反比，与挠度系数μ（与玻璃短边与长边边长之比a/b 有关）成正比，而玻璃的刚度又与玻璃的厚度成正比。因此，同样尺寸的单片玻璃越厚，即刚度越大，因而在外界荷载的作用下挠度变形也越小，从而玻璃的反射变形也越小。

除了外片玻璃厚度因素外，还应该考虑内、外片玻璃的刚度关系，尽量采用外片刚度稍大一些、内片玻璃刚度稍小的中空玻璃配置，中空玻璃内外双片在外部荷载的作用下，两片玻璃协同受力变形，室内片玻璃刚度小，因此负担中空玻璃的整体变形较大，从而减小外部荷载对室外片玻璃的挠度变形影响。

（2）幕墙系统构造做法优化。可采用全明框幕墙或半明框幕墙系统，增加玻璃幕墙系统立柱、横梁构造对玻璃四边变形的限制，避免单点或多点对玻璃产生集中力，从而减少玻璃局部变形。

（3）中空玻璃构造做法优化。改变中空玻璃中空腔完全封闭的构造形式，采用可自动调压的中空玻璃。这种玻璃能够根据外界环境温度或大气压力的变化，中空腔内的压力可以自动调节，始终与外部环境压力保持平衡。依据自动调压式玻璃的构造原理可分为气囊调压式中空玻璃和自呼吸式中空玻璃两种。气囊调压式中空玻璃是将中空玻璃内的封闭气体通过导管与柔性气囊相连，柔性气囊处于外界大气中，通过气囊的伸缩进行内外压差调节，该装置因中间层气体处于密闭的空间中未联通大气环境，因此，不需要设置特殊的干燥过滤装置。自呼吸式中空玻璃是通过毛细管将中空玻璃腔内封闭气体与外部环境连通，通过中空腔内外之间的气体交换实现压力平衡。由于中空腔气体与外部环境联通，需在通道中设置有干燥过滤层。

自动调压式中空玻璃能随外界环境的变化调节中间层气体压力，使之与外界压力保持一致，减小了因压力差带来的附加应力，即减小了挠度变形导致的玻璃反射影像变形。但另一方面，自动调压式中空玻璃因中间气体层直接或间接地与外界气体相通，中空层失去了传力作用，所受外力主要由外片玻璃承担，中空玻璃无法实现应力传导，因此承载能力明显降低，同等风荷载作用下，需要增加自动调压式中空玻璃的单片玻璃厚度。

3.3 控制幕墙玻璃的生产加工过程

在玻璃半钢化或钢化的生产加工过程中，自身的平整度直接影响着外观效果，核心因素是选用高品质的半钢化或钢化产品。因此，选用先进的加工设备、加工工艺和检验设备，调整玻璃钢化过程中加热的均匀性，可明显提高钢化玻璃的平整度。

3.4 控制幕墙玻璃的安装施工过程

选用具有相应专业素质的施工队伍，在安装玻璃的过程中，需进行严格的测量放线，反复核对现场条件，逐道工序按规范进行安装、验收，减少相关的误差累积，避免玻璃边部受力不均，可有效减小中空玻璃的影像变形。

4 结语

在建筑玻璃幕墙的实际工程中，这类中空玻璃的光学反射变形是不可避免的。但是可以通过合理、有效的手段或措施减小光学反射变形的影响，例如进行合理的方案设计，选用合适的板块分格，阻隔玻璃幕墙光学反射线路；进行幕墙设计优化，选择合适的幕墙系统构造，采用合理的抗风压玻璃厚度及内外片玻璃刚度比，或特殊构造中空玻璃等；严格控制玻璃的加工质量，严把玻璃幕墙安装的工艺过程安装。通过以上措施，有效、经济、合理地减少幕墙中空玻璃的光学畸变，将光学变形降低至可以接受的范围内，以达到建筑玻璃幕墙的美学要求。