建筑幕墻玻璃的合理選用

      隨著科學技術(shù)的發(fā)展，高層、超高層建筑不斷涌現(xiàn)，為了減輕主體結(jié)構(gòu)的荷載，玻璃幕墻成為外圍護結(jié)構(gòu)的首選。作為建筑的采光部分，如何根據(jù)建筑的功用合理地選用幕墻玻璃，同時又要滿足美觀、經(jīng)濟、安全的要求，是幕墻設(shè)計師必須要慎重考慮的問題。

      1 保溫性能

      按照國家標準，建筑門窗使用的玻璃厚度正常情況下應(yīng)該在4mm以上?！督ㄖ粔Α罚℅BT21086-2007）6.2.1中規(guī)定“不宜小于6mm”。由于玻璃面積在幕墻面積中所占比例較大（60％ ~70％），玻璃的保溫性能對幕墻的傳熱量影響十分可觀。因此，改善幕墻保溫性能的一個重要途徑就是合理選用玻璃。

      建筑玻璃幕墻的保溫節(jié)能功效遜于傳統(tǒng)的圍護結(jié)構(gòu)，要達到保溫節(jié)能的目的，就要降低幕墻整體的傳熱系數(shù)。而傳熱系數(shù)由玻璃、型材以及中空玻璃邊緣線性傳熱系數(shù)Y 值三部分組成，即在結(jié)構(gòu)設(shè)計中主要考慮采用斷熱型材和中空玻璃。由于幕墻玻璃在幕墻面積中占較大的比例，在整個圍護結(jié)構(gòu)中，通過玻璃傳遞的熱量遠高于其他圍護結(jié)構(gòu)，文章僅就幕墻玻璃來討論。

      玻璃的熱工性能是通過兩個參數(shù)來表征的，即傳熱系數(shù)和遮陽系數(shù)。傳熱系數(shù)是圍護結(jié)構(gòu)通用參數(shù)，其傳熱系數(shù)越低，越有利于建筑物節(jié)能。遮陽系數(shù)是玻璃作為圍護結(jié)構(gòu)的特殊參量，遮陽系數(shù)越小，阻擋陽光直接輻射的性能越好。

      玻璃的導熱系數(shù)為1W（/m·K），而空氣的導熱系數(shù)為0.024 W（/m·K），氬的導熱系數(shù)為0.016 W/（m·K），可以通過表1~3 進行比較。

      普通單片浮法玻璃的傳熱系數(shù)為5.2~6.0W/（m2·K），普通中空玻璃的傳熱系數(shù)降至2.5~3.2W/（m2·K）?？梢?，由兩片或多片玻璃和空氣層組成的中空玻璃的傳熱系數(shù)降低了很多。充氬氣后，中空玻璃的傳熱系數(shù)一般可再降0.2~0.3 W/（m2·K），顯而易見，中空玻璃的節(jié)能效果遠比單層玻璃好。

      熱的傳遞有三個途徑：熱輻射、熱對流和熱傳導，對于玻璃而言熱輻射是最大的。因此，提高中空玻璃的節(jié)能效果，首先必須減低玻璃的熱輻射率，即采用低輻射玻璃，其次才考慮充惰性氣體和暖邊間隔條。根據(jù)建筑效果的需要，可選用普通透明玻璃、著色玻璃、熱反射鍍膜玻璃、Low-E 玻璃、夾層玻璃等作為中空玻璃的基片。中空玻璃內(nèi)的密封空氣在鋁框內(nèi)灌充的高效分子篩吸附劑作用下，成為導熱系數(shù)很低的干燥空氣，從而構(gòu)成一道隔熱、隔音屏障。玻璃的熱傳導率是空氣的27 倍，只要中空玻璃是密封的，就可達到最佳的隔熱效果狀態(tài)。若在中空層中充入惰性氣體，還可進一步提高隔熱、隔音性能。

      要想獲得更低的傳熱系數(shù)，就要采用Low-E 中空玻璃。Low-E玻璃與普通浮法玻璃相比，其主要特征是對遠紅外線不是高吸收而是高反射，因此可阻止環(huán)境熱量通過玻璃進行傳遞。Low-E 中空玻璃的傳熱系數(shù)一般為1.5~2.1W/（m2·K），特別是雙銀Low-E中空玻璃，不但其傳熱系數(shù)低，保溫性能優(yōu)良，而且其遮陽系數(shù)也可降至0.30~0.60，隔熱性能非常好。因此，除一些裙樓大堂高跨度全玻璃幕墻不得不采用單片玻璃外，通常都采用中空玻璃，這是幕墻保溫節(jié)能的最低要求。

       表4 是某幕墻工程玻璃選型時的性能對比表，可以看出雙銀Low-E陽光控制性能（SC）比單銀Low-E效果更理想。外裝飾幕墻采用中空玻璃的隔熱效果是毋庸置疑的，即使是（3+12A+3）mm的中空玻璃，其隔熱能力也不亞于100mm厚的混凝土墻，而低輻射玻璃乃至充惰性氣體的中空玻璃對玻璃幕墻的保溫性能會有更明顯提高。就上海、江蘇等夏熱冬冷地區(qū)的建筑而言，根據(jù)《公共建筑節(jié)能設(shè)計標準》（GB50189-2005）規(guī)定，普通中空玻璃的遮陽系數(shù)和傳熱系數(shù)都不能滿足規(guī)范要求，只有采用Low-E 中空玻璃才能滿足。因此，從節(jié)能的角度考慮，Low-E 中空玻璃是建筑幕墻面材的不二之選，同時要根據(jù)建筑的朝向、使用功能、結(jié)構(gòu)形式選擇高透型玻璃或遮陽型玻璃，其次可以考慮中空玻璃的暖邊系統(tǒng)，進一步提高其隔熱性能。

       2 隔聲性能

       一般建筑的幕墻空氣聲隔聲等級為3 級（35 ≤ Rw ＜ 40dB），全玻璃幕墻采用10~19mm 單片玻璃和普通的中空玻璃都能夠達到要求，如果要求空氣聲隔聲等級達到4 級（40 ≤ Rw ＜ 45dB），普通配置的中空玻璃恐怕就難以滿足要求了，表5 對不同配置的玻璃做了一個簡單的比較。

       中空玻璃的隔聲性能與玻璃的厚度、間隔層中氣體的成分、間隔層的數(shù)量和厚度有關(guān)。但是中空玻璃間的空氣層間隔有限，隔音作用不大。由表5 也可以看到，空氣層由12mm 增加到16mm，其隔音性能并沒有提高。在《建筑玻璃應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》（JGJ113-2003）中定義的安全玻璃指破壞時安全破壞，即應(yīng)用和破壞時給人的傷害達到最小的玻璃，包括符合國家標準GB9962 規(guī)定的夾層玻璃、符合國家標準GB9963 規(guī)定的鋼化玻璃和符合國家標準GB15763.1 規(guī)定的防火玻璃以及由它們構(gòu)成的復合產(chǎn)品?，F(xiàn)有建筑幕墻幾乎都采用鋼化玻璃，而幕墻的情況紛繁復雜，千變?nèi)f化，籠統(tǒng)地規(guī)定幕墻一定要用鋼化玻璃不一定就恰當。自2009 年至今，各地發(fā)生了多起幕墻玻璃墜落造成人身傷亡和財產(chǎn)損失事件。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)這些自爆墜落的幕墻玻璃無一不是鋼化玻璃，很值得幕墻設(shè)計者反思。

       記得上世紀90 年代初幕墻施工都采用浮法玻璃，極少有自爆發(fā)生。后來隨著建筑高度的不斷增高，規(guī)范的逐漸形成和完善，在施工設(shè)計時按照建筑高度分層設(shè)計，底部用普通浮法玻璃，中部用半鋼化玻璃，頂部用鋼化玻璃，使用十余年，也很少出現(xiàn)自爆現(xiàn)象。在《建筑安全玻璃管理規(guī)定》中，單片半鋼化玻璃（熱增強玻璃）、單片夾絲玻璃不屬于安全玻璃，鋼化玻璃屬于安全玻璃。然而近年來鋼化玻璃事故頻發(fā)，卻無情地否定了“鋼化就是安全”的觀點。

       自爆是鋼化玻璃的固有特性，不可避免。為了降低自爆率，只能對玻璃原片精磨邊和進行二次熱處理，即熱浸處理。即使如此，1‰的自爆率也已經(jīng)是極限了。一旦玻璃自爆，在高層和超高層建筑上更換玻璃的成本遠遠高于玻璃本身的成本，而且更換施工的危險性極高。半鋼化玻璃熱處理類似于鋼化玻璃，但鋼化程度低，其表面應(yīng)力不大于69N/mm2，因此半鋼化玻璃不屬于目前定義的“安全玻璃”。正因為半鋼化玻璃表面應(yīng)力低，所以不存在自爆的危險，不受外界影響時，它絕不會自行爆炸，從這個意義來說，它比鋼化玻璃要安全。即使在外力作用下破碎了，由于周邊有扣板、槽口或者硅酮結(jié)構(gòu)膠，放射形的裂縫所形成的碎塊也不會輕易墜落，可以有時間進行拆除、更換?；谏鲜鲈?，在設(shè)計建筑幕墻時就要根據(jù)實際情況合理選用“安全玻璃”。建議在底層可以采用鋼化中空玻璃，上部則采用夾膠中空玻璃或半鋼化夾膠中空玻璃，在計算通過的前提下優(yōu)先選用夾膠玻璃。底層用鋼化中空玻璃是因為高度低，即使因溫度和地震作用破碎也不會因墜落砸傷幕墻附近的人員和物體，又不會因玻璃銳利的碎片對人員造成傷害。高層、超高層建筑幕墻若采用鋼化玻璃，一旦破碎，飛落的玻璃碎塊會因重力而加速下落。同時，破碎的玻璃瞬間脫離框架，站在玻璃附近的人同樣是極不安全的。為此，高層建筑幕墻要采用夾膠中空玻璃——外層夾膠，內(nèi)層鋼化，外層玻璃即使受到?jīng)_擊破碎也不會脫落，內(nèi)層鋼化玻璃受沖擊破碎也不會傷人。

       目前，在實際幕墻設(shè)計中，推廣使用夾膠中空玻璃有一定的難度，一方面是有人認為夾膠玻璃不鋼化，不是安全玻璃，甚至有些建筑設(shè)計師也這樣認為，這就是對安全玻璃的定義沒有很好地理解。另一方面是經(jīng)濟方面的原因，建設(shè)方認為使用夾膠中空玻璃增加造價而拒絕使用。筆者認為，幕墻行業(yè)內(nèi)人士應(yīng)該達成共識，在高層、超高層建筑幕墻的設(shè)計、施工中，應(yīng)推薦使用夾膠玻璃或半鋼化夾膠玻璃，在計算能夠通過的前提下優(yōu)先選用夾膠玻璃，并應(yīng)將其納入規(guī)范，從根本上杜絕自爆的產(chǎn)生。

       普通玻璃的隔音性能一般在10dB 以下，所以當人們關(guān)上窗戶時會感覺聲音有變化，但感覺不到安靜；中空玻璃的隔音性能在25dB 左右，也就是說使用中空玻璃后，室外噪音可下降25dB。我們知道聲音通過振動波的形式傳播，因此要想提高中空玻璃的隔聲性能，必須在中空玻璃的構(gòu)造上想辦法，具體如下。

       （1）采用軟連接，避免聲橋現(xiàn)象。中空玻璃中間的隔條通常由鋁合金制成，鋁合金為剛性材料，振動能量會由剛性連接傳到另一層，這一“聲橋”作用就使中空玻璃的隔聲性能降低。我們在設(shè)計過程中可以建議采用暖邊密封系統(tǒng)的中空玻璃，如現(xiàn)在較多建筑采用實唯高（Swiggle）暖邊密封系統(tǒng)，其采用了柔性的密封材料，能夠緩沖聲波的傳遞，使中空玻璃的隔聲性能比鋁隔條提高1~2dB。北京的國貿(mào)大廈、沈陽的玫瑰大酒店都采用了實唯高暖邊系統(tǒng)，雖然暖邊系統(tǒng)是針對中空玻璃的隔熱性能開發(fā)的，但其對隔聲性能的提高也起到了相當大的作用。

       （2）增加玻璃的阻尼。通常的玻璃具有很小的內(nèi)在阻尼，在玻璃間加入PVB 膠片制作成夾層玻璃。PVB 膠片對聲波具有一定阻礙作用，從而有效阻擋聲音的傳播。如果用夾層玻璃合成中空玻璃結(jié)構(gòu)，其增加玻璃阻尼的作用會更大。中空玻璃間層中若充入惰性氣體可在原有基礎(chǔ)上再降低5dB 左右，隔音效果會更加理想。江蘇省移動公司辦公樓采用了6（T）+0.76PVB+6（T）鍍膜+12A+8（T）Low-E 陽光鍍膜夾膠中空Low-E 玻璃，不僅提高了隔聲效果，也獲得了極佳的外視效果。

（3）采用非對稱玻璃。由于玻璃材質(zhì)、尺寸、厚度及邊界約束條件相同，各層玻璃具有相同的固有頻率，容易產(chǎn)生共振，從而激發(fā)玻璃本身低頻振動而產(chǎn)生二次噪聲輻射。因此，我們可以采取非對稱配置，即內(nèi)外兩層玻璃厚度不同，如8mm+12A+6mm，可避免產(chǎn)生共振。

       3 安全性能

       玻璃受到溫度影響或者遇到外力沖擊極易破碎，鋼化玻璃同樣如此。2012年，上海市發(fā)布了上海市人民政府令第77 號《上海市建筑玻璃幕墻管理辦法》，頒布實施了上海市地方標準《建筑幕墻工程技術(shù)規(guī)范》DGJ08-56-2012，將高層幕墻采用夾膠玻璃納入了規(guī)范，并實行幕墻結(jié)構(gòu)安全性評審，這在全國是首例。隨后江浙等地也頒布了相關(guān)法規(guī)，在幕墻安全性方面邁出了喜人的一大步。

       在采用夾膠玻璃的同時還要考慮到一點，就是不能因為夾膠玻璃而使幕墻成為火災(zāi)的牢籠，在適當?shù)牡胤揭O(shè)計鋼化玻璃，并設(shè)置明顯的標識，以備在火災(zāi)發(fā)生時逃生。另外在設(shè)計框架式玻璃幕墻時，要盡量采用密封膠粘接密封。因PVB 膠片剛度不足，為避免在破碎后坍塌脫落，使用密封膠在框邊對玻璃形成一定拉力。同時考慮加大槽口的深度，以免玻璃脫離槽口墜落。

       4 外視效果

       玻璃幕墻是建筑的外圍護結(jié)構(gòu)，也是建筑的外衣，建筑師利用其豐富的色彩與藝術(shù)的造型表達設(shè)計理念，創(chuàng)造出多彩的藝術(shù)效果。然而，縱觀國內(nèi)的幕墻，遠近各處不同的建筑在幕墻玻璃上的映像都是扭曲的，絲毫也感覺不出美感，反而形成了光反射之外的另一種炫目。究其原因，就是鋼化玻璃惹的禍。

       鋼化和熱強化玻璃由于受熱會形成紋波，在某些特殊的自然光條件下觀察鋼化（或半鋼化）玻璃的反射光時，能夠看見其表面存在明暗相間的條紋，這種亮度不一致的條紋稱為應(yīng)力斑。目前國際上最先進的技術(shù)也不能完全消除應(yīng)力斑，可以說影像扭曲變形是鋼化玻璃給玻璃幕墻帶來的副產(chǎn)品，使玻璃幕墻的外視效果大打折扣。要想改變這種效果，可以采取以下作法。

       （1）選用化學鋼化玻璃。化學鋼化玻璃（或稱離子交換增強玻璃）是根據(jù)離子的擴散機理來改變玻璃表面組成，即玻璃表層的金屬離子被熔鹽中不同的金屬離子所置換，使玻璃表面形成壓應(yīng)力層的一種處理工藝?；瘜W鋼化玻璃強度高、熱穩(wěn)定性好，處理后的玻璃表面不損失平滑性，不變形，而且能夠切割，無自爆現(xiàn)象，克服了風鋼化技術(shù)的缺點，在提高玻璃強度的同時，絲毫不影響光學性能，是現(xiàn)有鋼化玻璃的最佳替代品。但是，不菲的價格也許會阻礙其廣泛的應(yīng)用。

       （2）選用夾膠玻璃或半鋼化夾膠玻璃。夾膠玻璃因無需鋼化，所以表面依然保持浮法玻璃的平滑性，無變形與光學畸變，對周圍物體的映像不會扭曲變形，從而保證幕墻的完美外視效果。半鋼化玻璃變形小，表面比較平整，反射外界景物畸變小，比較美觀。我們一直強調(diào)的“在計算通過的前提下優(yōu)先采用夾膠玻璃”就是基于這個目的。我們看到國外很多建筑幕墻玻璃平滑如鏡，對周圍環(huán)境的映像沒有絲毫的變形，其實正是采用了夾膠玻璃或半鋼化夾膠玻璃，而非鋼化夾膠。目前，我國幕墻企業(yè)在一些超高層建筑的幕墻設(shè)計施工中也采用了此種玻璃。

       莫斯科俄羅斯聯(lián)邦大廈玻璃幕墻工程高度達341m，為歐洲的最高建筑?？紤]到工程位于萬里之外，一旦玻璃自爆，其更換、維修成本將極其昂貴，因此工程全部采用半鋼化玻璃：透光部分為夾層中空（6mm+1.14PVB+6mm）+16Ar+8mm，三片玻璃均為半鋼化；不透光部分為8mm 藍天白云彩釉印花單片半鋼化玻璃。

       廣州電視塔為目前世界最高的獨立塔，總高度620m，幕墻高度430m，幕墻總面積3.2 萬m2，由超5 000 塊的三角形板塊組成，采用雙夾層中空玻璃：（8mm+1.52SGP+8mmLow-E）+12A+（8mm+1.52SGP+8mm）。塔身外形為雙曲拋物面?？紤]到玻璃類型多，高空更換玻璃極為困難，全部采用半鋼化玻璃。

       江蘇省移動公司辦公樓也采用了夾膠中空玻璃（6mm+0.76PVB+6mm鍍膜+12A+8mmLow-E），表面平整，影像完美，既保證了安全度，降低了更換幾率，提高了隔聲性能，同時又取得了理想的外視效果。上海環(huán)球金融中心高度495m，101 層，幕墻玻璃采用夾膠中空玻璃（8mm+1.52SGP+8mm+12A+8mmLow-E），三片玻璃均為半鋼化玻璃。

       上世紀90 年代，國內(nèi)也有許多建筑采用半鋼化玻璃幕墻，如1997年建成的廣東公安指揮中心幕墻采用8mm 厚銀灰色半鋼化玻璃。1999年建成的廣東省建行大廈高度達180m，采用藍灰色鍍膜半鋼化玻璃。南京金絲利大廈、西安西北電訊大樓都采用半鋼化玻璃，北京東安市場采用半鋼化夾膠玻璃做采光頂，至今未發(fā)生自爆現(xiàn)象。

       大量的工程實踐充分反映了一個客觀事實：不分場合地一概強制規(guī)定幕墻不得采用半鋼化玻璃是不妥的，在《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》（102-2003）中也沒有不準采用半鋼化玻璃的硬性規(guī)定。

       5 結(jié)語

       綜上所述，沒有絕對意義的安全玻璃，只要使用玻璃就會有一定的危險。而建筑幕墻既要有藝術(shù)的吸引力，又要能夠給使用者提供最高的安全保障，這就要求幕墻設(shè)計人員通過各種方法來提高幕墻在受到諸如溫度變化、地震作用以及沖擊時的安全性能。由于夾層玻璃中有柔性的PVB 膠膜將玻璃粘合在一起，破碎時不會形成小顆?；蜾J利的碎片，從而顯著降低了玻璃的飛濺和高空墜落等危險。相對來說，夾層玻璃為避免這些類型的破壞提供了一個可行的技術(shù)條件，同時又能夠保證建筑師對幕墻美學的要求。

       建筑幕墻的安全性是最優(yōu)先考慮的因素，除改進幕墻框架構(gòu)件的結(jié)構(gòu)外，還必須通過合理選用玻璃類型，采取恰當?shù)脑O(shè)計和施工措施，來最大限度地實現(xiàn)幕墻玻璃的使用安全。通過對幕墻荷載、沖擊力的分析，對幕墻結(jié)構(gòu)的科學設(shè)計以及合理選用玻璃配置，才能達到理想的效果。