【分析】上海科技城球体玻璃幕墙节能技术的应用

　　一、项目概况

　　上海科技城位于开发中的浦东世纪大道东端，浦东新区政府中心广场的南侧，项目占地面积68700m2，总建筑面积约90000m2。主体建筑呈螺旋向上的态势。建筑中央是一座椭球体的玻璃建筑，椭球体长轴为66.8m，短轴为51m。地面以上球高34.3m，下沉地下7.25m。整个建筑气势宏伟，含义深远，象征着科学技术孕育了人类社会从低级向高级社会逐步发展的历程。椭球体的主体结构为单层铝钛合金薄壳结构。结构材料全部选用6061-T6铝钛合金，主梁是“工”字形铝型材，其结构轻巧，空透性好。铝型材表面阳极氧化，解决了防腐锈问题。球体结构的外覆盖层为低发射（Low-E）中空夹胶玻璃和铝合金装饰板组成的明框幕墙，外观视感自然，反射率低，无明显的眩目光，充分体现建筑设计大师空间的意图。球体玻璃幕墙共有2351块不等边三角形的玻璃板块组成。玻璃板块占整个球体表面积的90%以上。这种组合结构在国内绝无仅有，在国际上也属罕见，在技术上已达到国际领先水平。（见图1）

　　图1

　　对椭球体空间结构设计，人们首先想到国内相当普及和成熟的大跨度双层网架或双层网壳结构体系。这种结构体系由于体积庞大，自重大，防锈维护费用高，空透性差。经计算其空透率达不到40%，显然不能满足科技城的高科技设计理念，也不能满足椭球体建筑的节能技术要求。本工程采用高科技含量大的单层铝钛合金薄壳结构体系。

　　这种薄壳结构体系选用250mm至300mm高的6061-T6铝钛合金工字形梁，梁与梁连接通过圆盘连接板用高强度不锈钢锁紧螺栓作固接，形成一个个三角，拼成椭球体薄壳结构。其外覆盖400吨Low-E中空夹胶玻璃层（见图二）。设计软件对52种不利工况荷载作用计算，离椭球体原点的最大绝对位移不超过75mm，相邻节点之间垂直于球体表面最大的位移不超过25mm。与实际变形测量基本相符。按比例测算，椭球体薄壳结构层比同体积的鸡蛋壳还要薄。使得结构轻巧，空透性好，艺术观赏性强。具有显著的社会效益和经济效益。

　　图2

　　三、球体节能玻璃幕墙的应用

　　由于椭球体的外表面90%为玻璃幕墙，其余为铝合金构件。如何考虑球体玻璃幕墙的节能问题是设计的一个关键，设计中我们首先从幕墙玻璃的节能分析着手，同时尽可能隔断铝合金构件的传热途径。

　　1、玻璃品种的选用

　　根据建筑师的要求，大球体在远处看的效果应是反射率低，减少眩目光；在近处看应有通体透明的感觉。对于跨世纪的重大工程，我们考虑建筑师的设计意图，有结合节能环保型墙体方兴未艾的气候，经多方探讨和研究、对比，决定采用低反射（Low-E）中空夹胶玻璃作为大球体的外墙装饰（见图3）。这种玻璃的最大特点是将远红外热辐射发射出去，使其不能透过玻璃从而起到节能隔热的作用，是世界上公认的环保节能型材料。

　　图3

　　（1）热能的型式

　　自然环境中的热能主要是太阳辐射能，其能量的98%分布在0.3至3um波长之间。除了太阳直接辐射的能量外，还存在着大量的远红外线热辐射能，其能量分布在3至40um波长之间。在室外，这部分热能是由太阳照射到物体上被物体吸收后在辐射出来的，夏季成为来自室外的主要热源之一。在室内，这部分热能是由暖气、家用电器、被阳光照射后的家具及人体所产生的，冬季成为来自室内的主要热源。

　　需要说明的是，在通常情况下来自室内、室外的热辐射可同时存在，只不过夏季来自室外的热辐射远大于室内的热辐射，而冬季来自室内的热辐射又远大于室外的热辐射。因此，选择玻璃时必须考虑建筑物所处的地理环境，以便所选择的玻璃能有效地阻挡来自主要热源的热能。

　　照射到玻璃上的太阳辐射能，一部分被玻璃所吸收或反射，另一部分透过玻璃成为直接透过的能量。

　　当玻璃吸收太阳能后温度升高，吸收的能量通过与空气对流及时向外辐射远红外线而散失。因此，被吸收的能量最终仍有约50%透过了物体，这可归结为对流传导形式的传递。吸收率低的物体，必然反射率高（反射率+吸收率=1）。 这种物体不易吸收外来的热辐射能量，其隔热性能就好。辐射率高的物体吸收的热辐射多，它再次向外辐射的热量也多，相当于透过该物体的热量多。低辐射玻璃正是限制了这一部分的传热。

　　对流传导所传递的热能为Q1，这其中还包括玻璃吸收各波短的辐射后再放出的热量。太阳能直接辐射透过的热能为Q2，这部分热能仅指可见光、近红外辐射直接透过的能量。透过玻璃传递的总热能Q可有下式表示：

　　Q=U*（T内-T外）+太阳辐射系数*Sc     式——1
　　Q1            Q2

　　式中：U——玻璃的传热系数，单位为W/m2?c，在相同的室内外温差下，U值越低则通过对流传导的热能越少。玻璃的U值与玻璃的辐射率E有关，辐射率E越低U值也越低。降低U值的两种有效方法是：在玻璃表面上镀低辐射膜，或将窗玻璃合成中空玻璃结构。

　　Sc——玻璃的遮阳系数，反映玻璃对阳光的遮蔽效果。Sc高则意味着透过玻璃的太阳能多，反之则少。控制玻璃Sc的有效方法是：在玻璃表面上镀膜，或在制造玻璃的过程中加入色剂形成着色玻璃。但着色玻璃属于吸热玻璃，其吸收率偏高因而U值也高，所以它是以增大对流传导传热为代价来降低太阳能直接透过的。

　　太阳辐射系数——为一常数630w/m2，可理解为太阳照射到地面的能量强度（实际强度为783w/m2，透过3mm普通白玻璃后为630w/m2）。

　　T内-T外——玻璃两侧的温度差。

　　从上式可看出，玻璃节能性的优劣由U和Sc这两个参数就完全可以判定，但实际上考虑到玻璃的透光率，Sc不可能选得太低，否则室内采光极差。U和Sc是玻璃的重要参数，在产品说明书中一般是给出的。特殊结构的产品如中空玻璃、夹层玻璃等需通过实验测量并计算得出。

　　（2）Low-E中空玻璃优良的节能性能

　　表一：几种玻璃的主要光热系数

　　注：白玻指普通透明玻璃；6C表示6mm的透明玻璃；CTS140是热反射玻璃型号；CEB12是Low-E玻璃型号；U是美国ASHERA标准条件下的传热系数。

　　单片热反射镀膜玻璃是在玻璃的表面镀上介质、金属或金属氧化物膜，在使玻璃呈现不同色彩的同时，还具有了新的光、热性能。它的主要作用就是降低玻璃的遮阳系数Sc，限制太阳辐射的直接通过。由于所镀的膜仍是一般工程材料，故对改善U值没有大的贡献。

　　热反射玻璃在有效降低Sc的同时，也大大降低了玻璃的透光铝，从而影响到室内的采光。若要提高透光率就不得不损失隔热性，这是个矛盾的选择，而这一矛盾是热反射镀膜玻璃所无法解决的。

　　将热反射镀膜玻璃合成中空玻璃后，可集两种优点与一身，即不但对太阳直接辐射有所控制，同时也限制了对流传导传热。这种玻璃结构是一种比较理想的搭配，但这种玻璃U值的降低是通过中空玻璃结构实现的，因而也是有限的。

　　Low-E玻璃的表面辐射率低、反射率高，这意味着它同室内外空气接触后吸热少，升温低，再放出的热量少，即隔热性能好。仅单片Low-E玻璃的U值就低于热反射玻璃，合成Low-E中空玻璃后，这一优势更加突出，因此这是最理想的玻璃结构搭配。

　　Low-E玻璃的另一特点是透光率偏高（33%-72%），而遮阳系数Sc选择范围大（0.25-0.68）。与热反射玻璃相比，在同样的透光率下，Low-E玻璃具有更低的Sc，这解决了热反射玻璃所遇到的矛盾，即在保证室内高透光的前提下不损失隔热性。

　　冬季Low-E玻璃可有效地阻止室内暖气和人体发出的热辐射泄向室外；夏季则可有效地阻挡室外道路及建筑物发出的热辐射进入室内。Low-E玻璃这种阻挡热辐射透过的作用与季节无关。

　　在以下条件下对几种玻璃的传热量按（式——1）进行计算，计算结果列入表2中：夏季白天室外35摄氏度，室内20摄氏度；冬季夜晚室外零下10度，室内温度15度。

　　表2：透过玻璃传递的热能（功率）

　　从表中数据可以看出，在夏季白天，采用Low-E中空玻璃比采用同样透光率的热反射中空玻璃，可使透过每平方米玻璃进入室内的热能减少102w。而在冬季则可使透过每平方米玻璃泄出室内的热能少23w，节能效率高达30%以上。可见Low-E玻璃优良的节能性能。

　　（3）Low-E中空玻璃在科技城大球体上的具体运用

　　经过以上对各种玻璃节能特点的分析，结合科技城大球体的具体情况，我们决定采用8CES11+12A+8C+1.14+8C的中空夹胶玻璃作为复盖层，见图2。其中外层玻璃采用Low-E玻璃，Low-E膜面在内，以便第一时间挡住来自室外的热量，这样既能起到节能作用，又使外立面的效果不同与一般白片玻璃，而具有镀膜玻璃的质感，但同时由于透光率高，反射率低，减少了“眩目光”，减少了“光污染”，外观视感自然。

　　另外从安全角度考虑，在室内方向，我们采用夹胶玻璃，保证了室内玻璃破碎时的安全。从隔声考虑，我们采用12mm厚的中空层，可减少噪音30dB左右，又能有效防止结露水，保持视线清晰。

　　2、铝合金构架上的节能措施

　　图4

　　大球体主体结构是由“工”字形截面的铝合金杆件组成的单层薄壳结构，外表每块玻璃板块通过三块铝合金圆盘板，由直径7毫米不锈钢螺钉固定并形成整个球体幕墙外墙，见图4。

　　虽然整个球体的绝大部分面积为玻璃所复盖，但仍有一小部分是铝合金，且常年暴露在室外。为了大球体的节能效果达到最理想状态，我们在“工”字形梁与铝合金玻璃压板之间采用PVC塑料作为隔热冷桥装置，有效地隔断外界热能通过铝合金杆件向球体内的传导。据测算，其传热系数可下降1 w/m2?C左右，节能25%以上。空气隔声量可达到20dB以上。经过APEC会议期间的实际使用，证明球体玻璃幕墙节能效果完全达到设计要求。

　　三、建筑幕墙节能技术的展望

　　当代的建筑已离不开幕墙系列的外装饰，而幕墙系列也逐渐在向智能型、节能型和环保型方向开拓发展，为我们的建筑群体穿上越来越高档、新颖的外衣。通过对科技城球体幕墙节能技术的设计，使我们深感高在幕墙方面的节能技术大有发展、创新的前景，在材料的选用、结构的改进、组合的优化、技术的提高上大有潜力。我们愿与各位同仁一起，为建筑业赶超世界一流水平，走向世界而共同努力！