【分析】上海科技城球體玻璃幕墻節能技術的應用

　　一、項目概況

　　上海科技城位于開發中的浦東世紀大道東端，浦東新區政府中心廣場的南側，項目占地面積68700m2，總建筑面積約90000m2。主體建筑呈螺旋向上的態勢。建筑中央是一座橢球體的玻璃建筑，橢球體長軸為66.8m，短軸為51m。地面以上球高34.3m，下沉地下7.25m。整個建筑氣勢宏偉，含義深遠，象征著科學技術孕育了人類社會從低級向高級社會逐步發展的歷程。橢球體的主體結構為單層鋁鈦合金薄殼結構。結構材料全部選用6061-T6鋁鈦合金，主梁是“工”字形鋁型材，其結構輕巧，空透性好。鋁型材表面陽極氧化，解決了防腐銹問題。球體結構的外覆蓋層為低發射（Low-E）中空夾膠玻璃和鋁合金裝飾板組成的明框幕墻，外觀視感自然，反射率低，無明顯的眩目光，充分體現建筑設計大師空間的意圖。球體玻璃幕墻共有2351塊不等邊三角形的玻璃板塊組成。玻璃板塊占整個球體表面積的90%以上。這種組合結構在國內絕無僅有，在國際上也屬罕見，在技術上已達到國際領先水平。（見圖1）

　　圖1

　　對橢球體空間結構設計，人們首先想到國內相當普及和成熟的大跨度雙層網架或雙層網殼結構體系。這種結構體系由于體積龐大，自重大，防銹維護費用高，空透性差。經計算其空透率達不到40%，顯然不能滿足科技城的高科技設計理念，也不能滿足橢球體建筑的節能技術要求。本工程采用高科技含量大的單層鋁鈦合金薄殼結構體系。

　　這種薄殼結構體系選用250mm至300mm高的6061-T6鋁鈦合金工字形梁，梁與梁連接通過圓盤連接板用高強度不銹鋼鎖緊螺栓作固接，形成一個個三角，拼成橢球體薄殼結構。其外覆蓋400噸Low-E中空夾膠玻璃層（見圖二）。設計軟件對52種不利工況荷載作用計算，離橢球體原點的最大絕對位移不超過75mm，相鄰節點之間垂直于球體表面最大的位移不超過25mm。與實際變形測量基本相符。按比例測算，橢球體薄殼結構層比同體積的雞蛋殼還要薄。使得結構輕巧，空透性好，藝術觀賞性強。具有顯著的社會效益和經濟效益。

　　圖2

　　三、球體節能玻璃幕墻的應用

　　由于橢球體的外表面90%為玻璃幕墻，其余為鋁合金構件。如何考慮球體玻璃幕墻的節能問題是設計的一個關鍵，設計中我們首先從幕墻玻璃的節能分析著手，同時盡可能隔斷鋁合金構件的傳熱途徑。

　　1、玻璃品種的選用

　　根據建筑師的要求，大球體在遠處看的效果應是反射率低，減少眩目光；在近處看應有通體透明的感覺。對于跨世紀的重大工程，我們考慮建筑師的設計意圖，有結合節能環保型墻體方興未艾的氣候，經多方探討和研究、對比，決定采用低反射（Low-E）中空夾膠玻璃作為大球體的外墻裝飾（見圖3）。這種玻璃的最大特點是將遠紅外熱輻射發射出去，使其不能透過玻璃從而起到節能隔熱的作用，是世界上公認的環保節能型材料。

　　圖3

　　（1）熱能的型式

　　自然環境中的熱能主要是太陽輻射能，其能量的98%分布在0.3至3um波長之間。除了太陽直接輻射的能量外，還存在著大量的遠紅外線熱輻射能，其能量分布在3至40um波長之間。在室外，這部分熱能是由太陽照射到物體上被物體吸收后在輻射出來的，夏季成為來自室外的主要熱源之一。在室內，這部分熱能是由暖氣、家用電器、被陽光照射后的家具及人體所產生的，冬季成為來自室內的主要熱源。

　　需要說明的是，在通常情況下來自室內、室外的熱輻射可同時存在，只不過夏季來自室外的熱輻射遠大于室內的熱輻射，而冬季來自室內的熱輻射又遠大于室外的熱輻射。因此，選擇玻璃時必須考慮建筑物所處的地理環境，以便所選擇的玻璃能有效地阻擋來自主要熱源的熱能。

　　照射到玻璃上的太陽輻射能，一部分被玻璃所吸收或反射，另一部分透過玻璃成為直接透過的能量。

　　當玻璃吸收太陽能后溫度升高，吸收的能量通過與空氣對流及時向外輻射遠紅外線而散失。因此，被吸收的能量最終仍有約50%透過了物體，這可歸結為對流傳導形式的傳遞。吸收率低的物體，必然反射率高（反射率+吸收率=1）。 這種物體不易吸收外來的熱輻射能量，其隔熱性能就好。輻射率高的物體吸收的熱輻射多，它再次向外輻射的熱量也多，相當于透過該物體的熱量多。低輻射玻璃正是限制了這一部分的傳熱。

　　對流傳導所傳遞的熱能為Q1，這其中還包括玻璃吸收各波短的輻射后再放出的熱量。太陽能直接輻射透過的熱能為Q2，這部分熱能僅指可見光、近紅外輻射直接透過的能量。透過玻璃傳遞的總熱能Q可有下式表示：

　　Q=U*（T內-T外）+太陽輻射系數*Sc     式——1
　　Q1            Q2

　　式中：U——玻璃的傳熱系數，單位為W/m2?c，在相同的室內外溫差下，U值越低則通過對流傳導的熱能越少。玻璃的U值與玻璃的輻射率E有關，輻射率E越低U值也越低。降低U值的兩種有效方法是：在玻璃表面上鍍低輻射膜，或將窗玻璃合成中空玻璃結構。

　　Sc——玻璃的遮陽系數，反映玻璃對陽光的遮蔽效果。Sc高則意味著透過玻璃的太陽能多，反之則少。控制玻璃Sc的有效方法是：在玻璃表面上鍍膜，或在制造玻璃的過程中加入色劑形成著色玻璃。但著色玻璃屬于吸熱玻璃，其吸收率偏高因而U值也高，所以它是以增大對流傳導傳熱為代價來降低太陽能直接透過的。

　　太陽輻射系數——為一常數630w/m2，可理解為太陽照射到地面的能量強度（實際強度為783w/m2，透過3mm普通白玻璃后為630w/m2）。

　　T內-T外——玻璃兩側的溫度差。

　　從上式可看出，玻璃節能性的優劣由U和Sc這兩個參數就完全可以判定，但實際上考慮到玻璃的透光率，Sc不可能選得太低，否則室內采光極差。U和Sc是玻璃的重要參數，在產品說明書中一般是給出的。特殊結構的產品如中空玻璃、夾層玻璃等需通過實驗測量并計算得出。

　　（2）Low-E中空玻璃優良的節能性能

　　表一：幾種玻璃的主要光熱系數

　　注：白玻指普通透明玻璃；6C表示6mm的透明玻璃；CTS140是熱反射玻璃型號；CEB12是Low-E玻璃型號；U是美國ASHERA標準條件下的傳熱系數。

　　單片熱反射鍍膜玻璃是在玻璃的表面鍍上介質、金屬或金屬氧化物膜，在使玻璃呈現不同色彩的同時，還具有了新的光、熱性能。它的主要作用就是降低玻璃的遮陽系數Sc，限制太陽輻射的直接通過。由于所鍍的膜仍是一般工程材料，故對改善U值沒有大的貢獻。

　　熱反射玻璃在有效降低Sc的同時，也大大降低了玻璃的透光鋁，從而影響到室內的采光。若要提高透光率就不得不損失隔熱性，這是個矛盾的選擇，而這一矛盾是熱反射鍍膜玻璃所無法解決的。

　　將熱反射鍍膜玻璃合成中空玻璃后，可集兩種優點與一身，即不但對太陽直接輻射有所控制，同時也限制了對流傳導傳熱。這種玻璃結構是一種比較理想的搭配，但這種玻璃U值的降低是通過中空玻璃結構實現的，因而也是有限的。

　　Low-E玻璃的表面輻射率低、反射率高，這意味著它同室內外空氣接觸后吸熱少，升溫低，再放出的熱量少，即隔熱性能好。僅單片Low-E玻璃的U值就低于熱反射玻璃，合成Low-E中空玻璃后，這一優勢更加突出，因此這是最理想的玻璃結構搭配。

　　Low-E玻璃的另一特點是透光率偏高（33%-72%），而遮陽系數Sc選擇范圍大（0.25-0.68）。與熱反射玻璃相比，在同樣的透光率下，Low-E玻璃具有更低的Sc，這解決了熱反射玻璃所遇到的矛盾，即在保證室內高透光的前提下不損失隔熱性。

　　冬季Low-E玻璃可有效地阻止室內暖氣和人體發出的熱輻射泄向室外；夏季則可有效地阻擋室外道路及建筑物發出的熱輻射進入室內。Low-E玻璃這種阻擋熱輻射透過的作用與季節無關。

　　在以下條件下對幾種玻璃的傳熱量按（式——1）進行計算，計算結果列入表2中：夏季白天室外35攝氏度，室內20攝氏度；冬季夜晚室外零下10度，室內溫度15度。

　　表2：透過玻璃傳遞的熱能（功率）

　　從表中數據可以看出，在夏季白天，采用Low-E中空玻璃比采用同樣透光率的熱反射中空玻璃，可使透過每平方米玻璃進入室內的熱能減少102w。而在冬季則可使透過每平方米玻璃泄出室內的熱能少23w，節能效率高達30%以上。可見Low-E玻璃優良的節能性能。

　　（3）Low-E中空玻璃在科技城大球體上的具體運用

　　經過以上對各種玻璃節能特點的分析，結合科技城大球體的具體情況，我們決定采用8CES11+12A+8C+1.14+8C的中空夾膠玻璃作為復蓋層，見圖2。其中外層玻璃采用Low-E玻璃，Low-E膜面在內，以便第一時間擋住來自室外的熱量，這樣既能起到節能作用，又使外立面的效果不同與一般白片玻璃，而具有鍍膜玻璃的質感，但同時由于透光率高，反射率低，減少了“眩目光”，減少了“光污染”，外觀視感自然。

　　另外從安全角度考慮，在室內方向，我們采用夾膠玻璃，保證了室內玻璃破碎時的安全。從隔聲考慮，我們采用12mm厚的中空層，可減少噪音30dB左右，又能有效防止結露水，保持視線清晰。

　　2、鋁合金構架上的節能措施

　　圖4

　　大球體主體結構是由“工”字形截面的鋁合金桿件組成的單層薄殼結構，外表每塊玻璃板塊通過三塊鋁合金圓盤板，由直徑7毫米不銹鋼螺釘固定并形成整個球體幕墻外墻，見圖4。

　　雖然整個球體的絕大部分面積為玻璃所復蓋，但仍有一小部分是鋁合金，且常年暴露在室外。為了大球體的節能效果達到最理想狀態，我們在“工”字形梁與鋁合金玻璃壓板之間采用PVC塑料作為隔熱冷橋裝置，有效地隔斷外界熱能通過鋁合金桿件向球體內的傳導。據測算，其傳熱系數可下降1 w/m2?C左右，節能25%以上。空氣隔聲量可達到20dB以上。經過APEC會議期間的實際使用，證明球體玻璃幕墻節能效果完全達到設計要求。

　　三、建筑幕墻節能技術的展望

　　當代的建筑已離不開幕墻系列的外裝飾，而幕墻系列也逐漸在向智能型、節能型和環保型方向開拓發展，為我們的建筑群體穿上越來越高檔、新穎的外衣。通過對科技城球體幕墻節能技術的設計，使我們深感高在幕墻方面的節能技術大有發展、創新的前景，在材料的選用、結構的改進、組合的優化、技術的提高上大有潛力。我們愿與各位同仁一起，為建筑業趕超世界一流水平，走向世界而共同努力！