浅析节能幕墙设计的实用性原则体现

来源：结构工程师发布时间：2013-04-05 结构工程师辅导视频评论

　幕墙设计行业无疑是近些年我国建筑行业的中国众多奇迹发展行业中的一个典型浓缩，从1982年北京长城饭店作为我国建筑史上第一幢现代幕墙建筑开工伊始到现在成为世界第一大幕墙生产和使用国家，我们仅仅用了20多年的时间。也许是走的太远、走的太快，以至于我们常常忘记了它原来的样子和它应该遵循的最基本的原则。如火如荼的奥运会体现的精神是“更高、更快、更强”，但绝不是“过高、过快、过强”，连GDP增长太快了政府都要想办法都要让它冷一冷、缓下来。圣人尚且需要自省其身、行业也是如此。幕墙建筑说到底还是建筑众多分支中的一派，设计是整体工程意识的决定因这个原则依然是通用的。
　　从设计的流派来说，幕墙设计无疑是属于典型的精美主义设计。随着第二次世界大战的历程，建筑设计经历了三个发展阶段。战争的破坏性和残酷性决定了其时的设计风格必然是实用主义是主流派。伴随着战争的结束，比重建家园更重要的是在战争中收到伤害的人们的灵魂的安抚工作，如同音乐、美术等艺术的复兴一样，这时的建筑设计风格偏向了华美。讲求技术精美的倾向在这个阶段（四十年代末至五十年代下半期）是世界范围占主导地位的设计思维。以密斯•凡•德罗为代表的纯净、透明与施工精确的金属和玻璃方盒子作为这一倾向的代表设计元素。这种倾向的特点是全部用金属和玻璃来建造，构造与施工非常精确，内部没有或很少柱子，外形纯净与透明、清沏地反映着建筑的材料、结构与它的内部空间。以金属和玻璃的“纯净形式”为特征的讲求技术精美的倾向到60年代末开始降温。自从七十年代资本主义世界的经济危机与能源危机后，现在时而会被作为浪费能源的标本而受到指责。物极必反！精美主义设计后最重要的流派立刻跳到了对立面-粗犷派了。粗犷风格的最典型因素就是利用最常见的素混凝土和赤裸裸的钢材表现，设计手法应用拉毛、分层次等简单处理。当对人类的审美挑战达到极限的时候，百家齐放的设计风格最终沿用到了今天。
　　我国幕墙设计现状与二战后的情形极为相似，方案设计阶段大家追求的就是个“怪”，“新、奇、特”就是最高的追求境界！什么设计的实用性、经济性等都要给视觉冲击让路，且这种思维正在铺天盖地泛滥在各大中城市之间。伴随而来的必然是无法躲避的浪费、节能问题，能源危机更是加重了这种设计思维的社会接受危机！国家早在GB50189-2005 《公共建筑节能设计标准》中就规定在保证外窗自然采光的范围内鼓励窗的面积越小越好，即窗墙比越小越好。前一段时间一些媒体更是报道：“国家限制玻璃幕墙” 、“叫停玻璃幕墙” 、“公建新标准宣判玻璃幕墙死刑”等大有欲至玻璃幕墙死地的舆论。国内某省会城市也同时出台政策禁止新建宾馆，商场，办公楼，写字楼等公共建筑修建整面玻璃幕墙，并强制外窗采用真空玻璃。这些行为虽然都有些偏激，片面否定了建筑的多样性和自身互补性的功能，但是对幕墙行业还是起到了很大的警示作用，如果不能从自身上提高对能源的节约，那么重蹈七十年代危机给幕墙设计带来的冬天也一定距离我们不远了。
　　设计指导工程、理念决定质量！设计的基本原则如果被违背，又何谈效果和品质。戴高乐机场的坍塌事件，随着一次次深入调查，最后调查专家组得出了一个权威性的报告，是因为初步设计的偶然性安全系数就不合格，设计偏小，导致了后期发生了承载力不足，乃至最后坍塌。这就是设计上对于安全性的考虑没有进行完全按照规范来进行设计，对于这种标准规范的忽视所吃下的恶果。伟大的幕墙设计奠基人密斯•凡•德罗的代表作品克朗楼，也是一个具有跨时代的一个建筑物，他首次采用了全玻璃代替墙体，这个建筑中，所以说他的创意是非常大胆的，被载入了幕墙发展史的史册，但是实际上该建筑的历史意义大过实用作用。当时这个大学的图书馆这层楼使用率极低，学生非常不愿意在充满炽热阳光、冬冷夏热的地方学习。这个是因为他的实用性设计发生了错位，在建筑材料没有满足使用性指标要求的时候他贸然选用了这样的设计，这是违背了建筑设计最基本的实用性原则。这两个著名的幕墙建筑物反映出来的问题充分说明了设计的时候不考虑规范性和实用性会带来的危害。
　　在国外的建筑设计理念上有一个关健词是“功能性”，等同于我们常说的实用性、融合性原则，返璞归真。这也是为什么我们经常看到外国很多的名胜古迹的一些小镇，他们的建筑不管是楼房还是平房都和自然融合得那么紧密和自然，他讲究一个和谐性，我国的建筑设计理念在古代的时候就有这个理念的思潮了，完全可以指导后期乃至现代发达国家的发展。“大音希声”和“大美无形”就是讲究建筑的融合。建国初的时候周总理对新中国建筑设计行业的定位是：“经济性、实用性、美观性”。后来随着经济的发展和人民群众对精神生活更高的追求，我国建筑设计的理念调整并保持到现在的就是“三原则”了。实用性变成第一的，第二是经济性，第三是美观性。现在我国幕墙设计流行的理念跟这个其实是正好矛盾的，第一个是什么？美观性，而且是奇特的美观性。把自己的方案做到最奇特成了行业孜孜追寻的目标，其实陷入了一个误区，是建筑幕墙设计理念的一个偏差，实际上实用性原则应该永远是第一位的。
　　实用性原则的首要体现无疑就是安全。《孙子兵法》指出:“夫未战而庙算胜者,得算多也;未战而庙算不胜者,得算少也。多算胜,少算不胜。” 欲让我们的幕墙设计能够在实际工程中得到淋漓体现，工程质量的安全性和持久性首当其冲。伴随着国家各级部门对节能政策的强化和幕墙门窗行业的发展，幕墙门窗业已经从原来简单的常规建筑发展到有节能功能的新式幕墙建筑了。节能幕墙门窗作为一个新事物其工程质量性征需要重新审视和理解才能正确把握。质量安全的重中之重最关键的还是内因，选用合适的断热型材、玻璃、密封严实的五金件等等都是组成一个富有节能功效的外立面产品的前提，再配以复合节能标准的设计、严谨的施工管理，逐个一个工程流程的合法和监控都是必须的，这样这个行业的系统产品自身的节能要求就自然满足了。门窗幕墙产品原材料的选用又是这里面的重中之重，使用不符合节能标准要求的材质进行节能幕墙设计，只会恰得其反。仅就型材而言，采用符合国家标准要求的隔热型材可以为你的节能幕墙设计理念做坚强的质量安全后盾。
　　现在广泛使用的隔热铝型材和原来的普通铝型材受力方式、材料性能都有较大区别，普通铝型材材料强度一致、惯性矩计算很单纯，而隔热铝隔热型材材料强度不一致、存在机械或黏结组合部分、存在复合部位连接失效情况。下面以简图方式做以介绍：

　　从上图我们可以看到，隔热铝型材是由铝材和隔热材料组成的，这就决定了其强度的决定因素来源与三个方面：铝材强度、隔热材料强度、铝型材和隔热材料的结合。其中根据复合材料力学知识可以知道复合材料的性能很大程度上决定于构成复合材料的几部分单体材料相互的结合性能。就穿条式隔热铝型材而言，在复合材料性能上就是反映在铝型材和隔热条的结合上。复合连接的方式决定了复合后的材料其强度因两种材料的自身强度和结合强度存在着弹性变化范围。这个弹性范围是完全可以用理论结合实践规范和计算出来的，以下公式反映隔热铝型材惯性矩计算原理：
　　刚性惯性矩计算公式：

　　Ief-穿条式隔热型材有效惯性矩
　　Is-穿条式隔热型材刚性惯性矩
　　E-铝合金弹性模量
　　υ-穿条式隔热型材作用参数
　　λ-穿条式隔热型材截面几何形状参数
　　β-穿条式弹性隔热型材组合参数
　　c-铝合金型材和隔热条组合弹性值
　　I1 -穿条式隔热型材Ⅰ区惯性矩
　　I2-穿条式隔热型材Ⅱ区惯性矩
　　A1-穿条式隔热型材Ⅰ区截面积
　　A2-穿条式隔热型材Ⅱ区截面积
　　上述公式中唯有c（组合弹性值）是未知量，其他参数都可以利用普通铝型材的计算方法获得，从而可以得知c（组合弹性值）是决定隔热铝型材强度的关键所在。c（组合弹性值）就是表征铝型材和隔热条弹性结合的性能的量化参数指标，c（组合弹性值）是由实物试验所获得的数据，它充分而客观的反映了针对设计结构不同、选用材质有异的各种隔热铝型材在实际使用状态下的强度值，利用在实验室中进行检测批的物理实验来得到同种规格产品的力学性能无疑是最为客观的一种方式，其试验原理和简图如下：

　　上图是表征分别在高、中、低温状态下对隔热铝型材进行剪切和横向抗拉试验，实验可以得到施加的荷载和样品的变形量两个方面数据。再结合下面的计算c（组合弹性值）的公式：

　　ΔF-穿条式隔热型材试样纵向剪切试验时在试样的比例极限范围内增加的剪切力
　　Δδ-穿条式隔热型材试样纵向剪切试验时在ΔF作用下产生的相应剪切位移
　　L-穿条式隔热型材试样长度
　　至此我们可以看到，在实验室通过检测型材样品分别在各种温度状态下的受力变形情况，就可以完全模拟该种型材在工程上实际使用的状态，从而可以客观有效反映该种型材是否满足使用要求以及其强度是否可以优化以便达到节材的效果。隔热铝型材毕竟还是一种应用时间较短、发展迅速的新产品，其性能的研究和优化也需要有着循序渐进的过程。只要坚定的依据科学理论、尊重客观事实、优化设计理念，那么我们的幕墙设计就可以达到设计的实用性和华美表现结合，真正意义上的完美设计也会朝我们越走越近。

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