被动式门窗|被动式公共建筑立面幕墙设计要点

目前，在我国，建筑能耗已成为与工业能耗和交通运输能耗并列的三大能耗。为降低建筑能耗，我国建筑业在“节能三步走”中普遍实施了65%的节能目标，其中天津、北京、新疆等地率先实施了75%。节能目标。同时，由于建筑节能性能要求的提高，被动式建筑、超低能耗建筑、绿色建筑等术语越来越多地出现在建筑领域，也被越来越多的用户提及。我国已有多座优质被动式节能建筑投入运行，取得了良好的社会效益和经济效益。被动式建筑多以住宅建筑形式实现，公共建筑占比不高。本文对被动式建筑的立面幕墙进行了分析和说明，重点介绍了被动式建筑在公共建筑领域的应用。

被动架构简介

1.被动架构的概念

据资料显示，最早的术语“被动式建筑”来源于德语“”，翻译成中文称为“被动式建筑”或“被动式房屋”。建筑理念是1988年5月由瑞典隆德大学的博教授和德国被动房研究所的费斯特博士共同创立，并建立了自己的建筑和认证标准。

通常在非机电设备的介入下，利用建筑朝向布置，设置遮阳措施，应用高性能建筑围护结构，合理设计通风口，以减少采暖，空调、通风等系统。建筑能耗技术称为被动式建筑技术。按照被动式建筑技术设计并符合被动式房屋认证标准的建筑称为被动式建筑。被动式建筑的根本目的是用极少的能源消耗将室内温度、湿度、空气等指标调节到人体感觉舒适的标准环境。

2.被动式建筑认证标准

根据德国被子房认证机构PHI的认证标准，被动式建筑设计的主要指标涉及以下几个方面：

①年供暖（供冷）需求计算值≤15kwh·㎡·年；

②热负荷峰值计算值≤10w/㎡；

③年一次能源消耗计算值≤/㎡·年；

④通风换气规律实测值η50≤0.6；

⑤年超温频率25℃≤10%，室温保持在20℃—26℃；

⑥室内相对湿度40%-60%；

从以上指标可以看出，被动式建筑主要关注居住者的感受被动式门窗，因此其标准主要关注居住环境的舒适度和室内空气质量（IAO）。具体来说，它是一种被动式建筑，必须保证室内空气清新、不结露、温度适宜、气密性好、经济性充足。从建筑节能的角度来看，被动式建筑需要在保证室内居住环境的前提下进行建筑节能设计。

3.被动式建筑的发展

由于其高能效和良好的居住感受，被动式建筑在中国发展迅速。许多业主和建筑师正在尝试被动式房屋项目。相应的地方标准和规范也逐步出台，为被动式建筑的发展提供了良好的平台。

目前，我国部分省份也制定并实施了被动房的相关设计标准和图集。例如河北省住房和城乡建设厅批准的河北省工程建设标准设计《被动式低能耗住宅建筑节能结构（-109-2016)》）。指标要求，具体指标如下： 窗口整体性能：K

被动式建筑门窗幕墙设计要点分析

为了实现被动式建筑的高性能，作为建筑的外皮，门窗和幕墙的设计需要特别考虑。所有的设计都是为了让整个建筑的饰面帮助建筑达到被动式建筑的标准和要求。因此，被动式建筑的门窗幕墙设计除了必要的性能要求外，还应注意以下几个方面。

1、选择合理的保温材料，除控制传热系数外，还应控制保温面的完整性，避免其他结构影响保温层的连续性；

2、选择合理的密封结构，做好门窗幕墙边缘的密封，控制气密性；

3、设置合理的遮阳，充分利用遮阳系统的得热；

4、控制结露问题，尤其是保温材料两端温差比较大，容易出现结露风险；

5、尽可能减少热桥，无论是安装还是组件产生的热桥都应尽可能控制，以免对整个幕墙的热工性能产生不利影响。

通州当代MOMA博物馆被动式建筑简介

当代MOMA建筑艺术馆位于北京市通州区被动式门窗，由北京润锦房地产开发有限公司承建。项目地处寒冷气候区，总建筑面积1603平方米，地上建筑面积1139平方米，地下建筑面积464平方米；地上3层，地下1层；建筑高度13m；立面幕墙面积约2300平方米。该建筑的主要功能是展示建筑艺术和技术。建筑设计由清华大学建筑设计研究院完成，节能设计由中国建筑科学研究院高性能建筑设计研究中心完成。工程效果展示如图 1-3 所示。

图一

图2

图 3

1.搭建皮肤的基本情况

当代美术馆的造型比较复杂。除南立面大面积玻璃幕墙外，其他立面和屋面均为双曲面造型，由石材与板岩重叠形成双曲面造型。建筑屋顶的顶部造型类似盆形，屋顶上设置了观景台。在屋顶的低洼区域设置排水沟和排水沟。石板下设置天沟和排水，不影响建筑外观。建筑屋顶的双曲线造型由主体钢结构完成。

南立面采用透明全玻璃幕墙系统，整块玻璃高度13m。西、北、东立面和屋顶为叠石板岩结构。叠石板的厚度为15mm，规格为宽250mm，高250mm（石材可见部分）。石材的尺寸比较小，而且是开放系统，所以在石材的内层设置了防水层。

屋顶观景台出入口及建筑入口均采用玻璃幕墙和高节能高密封开启门。建筑立面设置被动窗，窗罩呈天上地铝板形状。屋顶配有带遮阳系统的成品玻璃天窗。

2.被动式建筑幕墙及屋面系统设计应考虑的问题

(1)朝南的全玻璃幕墙受玻璃幕墙边缘形状的限制，为保证建筑外观方案的良好实现，无法设置外遮阳，建筑设计需要使用其他手段来降低整体影响。

(2)本项目围护结构造型复杂，种类繁多，包括玻璃幕墙、石材屋面、石材幕墙、构件幕墙、门窗、UHPC幕墙等系统.

(3)需要解决整个外幕墙的整体气密性能。

(4)石瓦外墙系统、全玻璃幕墙、构件式玻璃幕墙都需要固定金属龙骨。金属龙骨穿透保温层对热工影响很大。保温性能、保温性能。

(5)外窗为被动认证窗，窗盖形状为外圆内方，封边板方式特殊。

3.本工程门窗幕墙传热要求

本项目的节能设计由建设研究院建筑节能研究所提供。建研院对保持结构保温性能有以下要求：外保温250mm岩棉；平均传热系数0.16W/m2K，屋面350mm岩棉保温，平均传热系数0.129 W/m2K。

外窗采用铝包木、三玻、二腔外窗，保温性能高，传热系数0.94 W/m2K。 >77 W/m2K，SHGC 值 0.3.

外门采用铝包木，保温性能高，气密性高。传热系数为0.94 W/m2K。

天窗采用高隔热、高气密性智能天窗，传热系数0.5 W/m2K，外遮阳。

幕墙和屋顶作为围护结构的设计

1.石材幕墙设计

本项目的主屋面为钢结构，屋面和立面采用石板瓦。夹层石幕墙和屋面是整个建筑外部保护的主要部分。根据建筑节能设计的要求，幕墙和屋面部分的保温层厚度不同。但构造方法基本相同。石板条的建筑效果如图4、图5

图 4

图 5

石板采用悬挂定位的方式固定。上石重叠在下石上，由下限连接。其基本节点如图6所示，挂钩固定示意图见图7。

图 6

图 7

建筑入口处的双曲面曲线明显弯曲。与主立面连接时，石材的排列会影响整个建筑的格子效果。如果立面的网格直接投影出来，会使石砖的加工变得非常复杂。因此，我们尝试了多种其他的划分方法，如图8-11所示。经过对比，架构师最终决定采用图11的划分方式。

图 8

图 9

图 10

图 11

在大的立面上，相邻石砖的边角并不大，这可以通过标准做法来实现。但入口处相邻搭接的边角会较大，板的翘曲会比较明显。主入口的布置使石块的控制线向上弯曲。由于石材瓷砖材料不能弯曲成型，因此相邻石材的重叠是否平整，角度的变化是否会影响视觉效果，必须慎重考虑。通过实际放样，我们确定石板的安装结构可以适应这种扭曲，如图12所示。

图 12

2.石材幕墙密封与热桥设计

为了满足被动式建筑的要求，除了加厚保温材料外，还进行了以下特殊设计：

1) 保温层外侧设置防水层，保温层内侧设置隔汽层。防水层是实现建筑物的防水功能。隔汽层的设置是为了防止室内暖湿空气进入保温材料而产生结露。但保温层外侧的防水层应局部打开，使保温材料与外界进行空气交换。

2)金属支撑龙骨穿透隔汽层，穿透部分需要进行处理以提高密封性能。参见图 13 进行说明。

图13 密封层贯穿处的处理

3) 金属支撑托梁穿透绝缘层并形成热桥。热桥是影响近零能耗建筑设计能否达标的关键因素之一。因此，解决支撑点的热桥问题非常重要。我们从两个方面进行优化。

一种是在支架中间加一个橡胶垫。二是减少支撑点数。

图14是龙骨支架隔热块的详细视图。原来的圆形钢管通过硬质橡胶垫片破开，使钢管的热桥变成了四个螺栓的点状热桥。这里绝缘垫的厚度为30mm。根据建研院提供的结果，热桥值为0.13W/mK。满足建筑节能要求。

图14屋面与外立面龙骨承重保温桥法

如果可以减少整个石材幕墙的龙骨支撑数量，热桥的影响也会相应减少。因此，我们在设计中加大了龙骨的尺寸，使龙骨的跨度增加，从而减少支撑数量。龙骨规格由120×80×5钢方通调整为160×80×6，支座总数由380支减少到287支。龙骨分布及支点位置如图所示在图15中。根据建研院的分析，这种优化使建筑物的整体热负荷降低了0.6kWh/m2a。

图15 金属龙骨3D布局

3.全玻璃幕墙节点设计

建筑的主立面为全高全玻璃幕墙。建筑效果及立面如图16、图17

图 16

图 17

全玻璃幕墙高度约13m，玻璃采用吊挂连接。由于建筑物的外观要求可见玻璃边缘是弧形的，给玻璃加工带来很大困难，我们将玻璃边缘优化调整为折线或对角线，通过外层UHPC板找到形状达到建筑效果。玻璃幕墙如图18所示。

图 18

全玻璃幕墙的玻璃悬挂在屋顶的主体钢结构上。每个悬挂的钢架都是一个热桥。钢架的布局已根据热工的需要进行了调整。优化前的设计是一种常规做法。钢架穿透保温层，存在严重的热桥（红色部分为钢架）。优化后，钢架连接件可以完全被保温层覆盖（红色部分为钢架），削弱了热桥。根据建研院提供的参数，热桥值为0.165W/(mK)。优化前后的节点分别如图19和图20所示。

图19 全玻璃幕墙安装节点（优化前）

图20全玻璃幕墙安装节点（优化后）

4.外窗做法

大楼外窗为森鹰提供的被动式认证产品。比较特别的是，外窗的窗罩形状比较复杂，为内方形外圆的铝板形状。由于铝板开孔深度较大，对太阳辐射形成一定程度的自屏蔽作用，因此被动窗不再配备外遮阳。图21为外窗断面法，图22为铝板窗罩各部件立体示意图。

图 20 外部窗口部分

图21外窗罩3D示意图

通州当代MOMA建筑艺术馆幕墙项目设计是应中国建筑科学研究院高性能建筑设计研究中心的要求完成的。最终提交的幕墙施工图不仅满足了建筑效果要求，还实现了幕墙的高节能要求，为业主提供了一座性能卓越、造型美观、设计前卫的博物馆。

感谢中国建筑科学研究院高性能建筑设计研究中心高才峰博士和清华大学建筑设计研究院李若兴博士对本文的大力支持！