歐洲智能辦公建筑與智能玻璃幕墻

PAGEPAGE12歐洲智能辦公建筑與智能玻璃幕墻作者：盧求德中建筑協(xié)會副主席德國注冊建筑師德國建筑師協(xié)會會員五合國際(WerkhartInternational)董事副總經(jīng)理摘要：智能辦公建筑是未來辦公建筑的發(fā)展方向,智能玻璃幕墻是歐洲現(xiàn)代建筑高科技科研與實踐的杰出成果。本文從智能辦公建筑與智能玻璃幕墻的發(fā)展、設(shè)計原則和工作原理、工程實例分析、發(fā)展前景與研究動態(tài)4個方面系統(tǒng)詳細(xì)地闡述了智能玻璃幕墻的設(shè)計原理與技術(shù)構(gòu)造。關(guān)鍵詞：雙層玻璃幕墻，智能玻璃幕墻，智能建筑一、智能辦公建筑與智能玻璃幕墻的發(fā)展智能辦公建筑（Intelligentofficebuildings）廣義上講通常包含高效能源系統(tǒng)、安全保障系統(tǒng)、高效信息通訊系統(tǒng)和辦公自動化系統(tǒng)這4個方面。國內(nèi)目前談到智能建筑，有一個較大的片面性，即往往只是在建筑設(shè)計完成以后通過弱電系統(tǒng)布線達(dá)到所謂3A級或5A級，過多地強調(diào)電子技術(shù)自身。而歐洲的智能建筑，更強調(diào)的是建筑節(jié)能，降低運營成本，保護環(huán)境并提供舒適健康的辦公環(huán)境。建筑物的高效能源系統(tǒng)主要是指在保護環(huán)境的前提下，建筑能夠根據(jù)外界氣候環(huán)境的變化（即陽光、溫度、風(fēng)速等）而自動控制調(diào)整自身，以達(dá)到最大限度地利用自然的、可再生的資源，如太陽輻射能、空氣自然流通以及地?zé)?、地冷等，減少建筑物在運營過程中所需的不可再生能源的消耗。國外也有人把具有這種特點的建筑稱為智能生態(tài)建筑，圖1～3為德國波恩郵政大廈，該建筑采用了智能雙層玻璃幕墻，混凝土樓板制冷供暖系統(tǒng)、水源熱泵、置換式新風(fēng)系統(tǒng)與小型外墻新風(fēng)裝置等一系列生態(tài)智能設(shè)計，是德國大型生態(tài)智能辦公建筑的代表之一。智能玻璃幕墻（Intelligentglassfacade）是指幕墻以一種動態(tài)的形式，根據(jù)外界氣候環(huán)境的變化，自動調(diào)節(jié)幕墻的保溫、遮陽通風(fēng)設(shè)備系統(tǒng)，以達(dá)到最大限度降低建筑物所需的一次性能源，同時又能最大限度地創(chuàng)造出健康、舒適的室內(nèi)環(huán)境。美國有研究表明，一幢15000m2的未采用節(jié)能措施的建筑，其年耗電費達(dá)78.5萬美元，即12年內(nèi)的能耗將等于大樓的全部投資（900萬美元），含土建、設(shè)備和防火裝置。近年來，國外大量研究結(jié)果表明這種全封閉式空調(diào)建筑不利于人體健康，降低辦公效率，并導(dǎo)致一種"病態(tài)建筑綜合癥"（Sick-Building-Syndrom,SBS）。圖4是德國科學(xué)技術(shù)部一項官方研究結(jié)果，從圖中可以看出，封閉式空調(diào)辦公空間對人的健康有相當(dāng)不利的影響：感冒、呼吸道病癥、風(fēng)濕病、渾身乏力，頭腦不清等病癥，發(fā)病率比自然通風(fēng)采光辦公室發(fā)病率高約1倍。1980年代初，歐洲開始開發(fā)建造智能玻璃幕墻辦公建筑。目前的智能玻璃幕墻建筑，技術(shù)上主要是通過雙層玻璃幕墻來實現(xiàn)。雖然雙層玻璃幕墻本身一次性建設(shè)投資較大，但它一方面可以降低建筑能耗，保護生態(tài)環(huán)境；另一方面，由于建筑物所需能耗降低，可以減少建筑設(shè)備的一次性投入，特別是大量節(jié)約建筑運營成本。歐洲能源成本高、環(huán)保意識強，雙層玻璃幕墻已成為現(xiàn)代化大型生態(tài)辦公建筑的發(fā)展方向。

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億圖哭4二、智能玻璃幕墻設(shè)計原則和工作原理智能玻璃幕墻的設(shè)計不是一種獨立的純外墻構(gòu)造性設(shè)計，而是先進的整體建筑能耗平衡設(shè)計的重要組成部分，通過外墻構(gòu)造的調(diào)節(jié)機制，配合整個建筑技術(shù)設(shè)備之間的互動，達(dá)到一種能源優(yōu)化的效果。智能玻璃幕墻的設(shè)計原則概括起來有以下幾點：1.利用太陽輻射熱，節(jié)約冬季采暖所需能源；2.最大限度利用自然采光以減少人工照明；3.精心組織自然通風(fēng)與排風(fēng)系統(tǒng)，以減少機械通風(fēng)能耗；4.利用建筑樓板、墻體的蓄熱性和晝夜溫差，減少夏季制冷需求量。配合樓板采暖制冷系統(tǒng)創(chuàng)造舒適健康的室內(nèi)環(huán)境；5.各種幕墻機制、通風(fēng)、遮陽、蓄熱和建筑空調(diào)供暖通風(fēng)等相互之間智能配合，以達(dá)到最高效率。智能玻璃幕墻主要通過雙層幕墻的形式得以實現(xiàn)。其內(nèi)層幕墻相當(dāng)于傳統(tǒng)的玻璃幕墻，是室內(nèi)外的分界線，通常由中空保溫玻璃構(gòu)成，并設(shè)可開啟窗扇；外側(cè)玻璃通常由單層鋼化玻璃構(gòu)成（也有外側(cè)玻璃采用中空保溫玻璃的實例，屬于機械通風(fēng)式雙層幕墻系統(tǒng)）。外側(cè)玻璃主要功能是承受風(fēng)載，防雨水、風(fēng)沙，噪聲以及形成兩層玻璃之間一個相對穩(wěn)定的、可以調(diào)節(jié)的空氣緩沖層。外側(cè)玻璃幕墻上有精心設(shè)計的可調(diào)節(jié)的進風(fēng)口和出風(fēng)口。兩層玻璃之間距離根據(jù)功能構(gòu)造不同可為20～100cm以上。在這一空間里，通常設(shè)置遮陽百葉等裝置。如果寬度在60cm以上，可在樓板高度上設(shè)置金屬格柵作為檢修走廊。雙層玻璃幕墻的工作原理：（圖４）雙層幕墻從構(gòu)造形式上可分為：封閉式通風(fēng)雙層幕墻、窗箱式雙層幕墻和外廊式雙層幕墻。在這三種基本構(gòu)造形式的基礎(chǔ)上，近年來又出現(xiàn)了許多新的技術(shù)構(gòu)造與不同形式的構(gòu)造組合。不同構(gòu)造形式的雙層幕墻有不同的優(yōu)缺點，適用不同的建筑需求，在此以外廊式幕墻為例，簡述雙層幕墻的工作原理。·寒冷季節(jié)，玻璃幕墻可以最大限度地吸收太陽輻射熱，通過調(diào)節(jié)進出風(fēng)口的大小，可以控制適當(dāng)?shù)男嘛L(fēng)換氣量，而進入兩層玻璃幕墻之間緩沖空間的空氣，已被陽光初步加熱，再送入室內(nèi)時可減少送暖量?！は募狙谉釙r期，位于兩層玻璃空間的遮陽設(shè)施被放下來，絕大部分太陽輻射能量在這里被擋住，并通過精心組織的自然通風(fēng)排到建筑之外（圖5）。由于外層玻璃具有遮風(fēng)避雨及防盜作用，夜間室外冷空氣可以通過開啟的內(nèi)側(cè)窗戶冷卻樓板等高蓄熱體，次日上午氣溫上升時，樓板、墻體等將會有效地冷卻室內(nèi)溫度（圖6）?！ぴ诖呵锛竟?jié)雙層幕墻的開啟可以使室內(nèi)達(dá)到完全自然通風(fēng)。雙層玻璃幕墻的通風(fēng)模式：雙層玻璃幕墻的主要優(yōu)點之一是建筑在全年大部分時間里可以實行自然通風(fēng)，包括在刮風(fēng)下雨的天氣里。在組織通風(fēng)系統(tǒng)時要考慮避免室內(nèi)排出的渾濁空氣被再次吸入室內(nèi)。在實際工程中有下列4種雙層幕墻通風(fēng)系統(tǒng)。（圖7）1.樓層水平進出風(fēng)口對角通風(fēng)系統(tǒng)2.帶窗下墻的通風(fēng)系統(tǒng)3.豎向窗框進風(fēng)，橫向排風(fēng)系統(tǒng)4.帶豎向風(fēng)道的箱式外窗排風(fēng)系統(tǒng)

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蛋圖９三、智能辦公建筑與智能玻璃幕墻實例分析德國杜塞爾多夫市、維多利亞保險公司總部大樓（圖8）該建筑及其運營在2000年被德國權(quán)威機構(gòu)授予德國生態(tài)環(huán)保一等獎。這棟大廈所采用的系統(tǒng)不是歐洲最尖端的科技，但它是一整套相當(dāng)成熟可靠的技術(shù)系統(tǒng)。幕墻構(gòu)造：外層幕墻是1700mm×2900mm，厚10mm的單層鋼化玻璃，內(nèi)側(cè)幕墻是可斜開和平開的大小為800mm×2300mm的窗扇。玻璃的導(dǎo)熱系統(tǒng)U=1.1，兩層幕墻之間約有30cm的空氣緩沖層（圖9～11）。

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浪圖粱11進風(fēng)裝置設(shè)在固定外側(cè)幕墻的豎框之內(nèi)，每一豎框內(nèi)側(cè)左右各設(shè)22個直徑60mm的圓形進風(fēng)口，相當(dāng)于每一窗扇單元有0.12m2的進風(fēng)面積。進風(fēng)口內(nèi)側(cè)有特殊合成材料制成的防鳥網(wǎng)。出風(fēng)口設(shè)在位于樓頂高度的水平方向百葉之中，高度450mm鋁合金百葉傾斜角為37°，可以有效地防止雨水進入幕墻內(nèi)側(cè)。在中間兩層玻璃幕墻的空氣緩沖層內(nèi)，設(shè)有電動鋁合金遮陽百葉，以調(diào)控陽光的進入量。塔樓外立面是由約1800mm×3500mm大小、在工廠加工完畢的單元式雙層幕墻構(gòu)件組成，在工地上整體吊裝，因而能保證施工精度和簡短的安裝工期。每個單元構(gòu)成相對獨立的通風(fēng)系統(tǒng)，垂直方向在樓板高度上完全封閉，單元與單元水平相接處為構(gòu)造變形縫，相互之間形成6°夾角。通過這一夾角使窗框和玻璃都是平面的雙層幕墻單元，能夠圍合成圓形的建筑體量。由于大樓接近杜塞爾多夫機場，從機場安全考慮，要求降低大樓玻璃幕墻對雷達(dá)波的反射作用。因此在大樓面向機場方向上采用了加入纖細(xì)鋼絲的20mm厚膠合玻璃。雙層幕墻的設(shè)計：由于這種雙層幕墻沒有現(xiàn)成資料，在設(shè)計過程中為確定雙層幕墻的基本構(gòu)造，如通風(fēng)形式、進風(fēng)口大小、開窗形式、遮陽中間空氣層寬度等技術(shù)數(shù)據(jù)，首先做出1∶7的模型，委托亞琛大學(xué)專家進行了大量的實驗，在此基礎(chǔ)上完成了幕墻設(shè)計。在項目招投標(biāo)確定了幕墻實施公司以后，由幕墻公司再做出1：1單元實物模型，并對其進行通風(fēng)、熱功、聲學(xué)等詳細(xì)測試。測試結(jié)果表明1∶1實物模型的指標(biāo)全部達(dá)到并部分超過原設(shè)計指標(biāo)。具體測試結(jié)果如下：隔聲：雙層玻璃幕墻單元之間隔斷49dB雙層幕墻實測隔音數(shù)值Rw：悲

陸一般玻璃幕墻瞞雙層玻璃幕墻漫窗戶關(guān)閉狀態(tài)盯30dB資43dB狂窗戶內(nèi)傾斜開山10dB沉22dB是窗戶向內(nèi)平開蓮6dB對17dB保溫：雙層玻璃幕墻的保溫系統(tǒng)Uw=1.25w/m2·k隔熱：總能量穿透率g=44%放下遮陽板傾斜角度，在<45°情況下，g=14%放下遮陽板傾斜角度，在<30°情況下，g=8%自然通風(fēng)換氣可達(dá)到每小時2.5到3.0倍，全年有70%的時間可以完全放棄采暖和空調(diào)機械通風(fēng)。雙層玻璃幕墻與大樓整體能源系統(tǒng)的配合：大樓能源系統(tǒng)采用了大樓自己的分組式高效燃?xì)忮仩t，能源使用效率達(dá)89%，如果使用杜塞爾多夫市的遠(yuǎn)程熱力和中心發(fā)電站的能源，由于沿途損失等因素，能源使用效率只有76%。·混凝土樓板供暖制冷系統(tǒng)這是一種在德國成熟的技術(shù)，它的工作原理是輻射而不是對流。它靠大面積樓板接近人體舒適溫度的輻射來調(diào)整室內(nèi)溫度，因而使人感覺非常舒適。這套系統(tǒng)的優(yōu)點是設(shè)備負(fù)荷小，室內(nèi)溫度均勻，無噪聲和風(fēng)感，室內(nèi)無管道。缺點是不能做封閉吊頂。因此，吊頂采用自由"風(fēng)帆"形式居多（圖12）。具體構(gòu)造是在混凝土樓板（無梁樓板，板厚28cm）中埋入合成材料的水管。夏季制冷水溫約18℃，并根據(jù)室外溫度和濕度感應(yīng)器獲得的數(shù)據(jù)自動調(diào)節(jié)制冷送水的溫度，以避免室內(nèi)形成冷凝水。·置換式新風(fēng)系統(tǒng)為了滿足惡劣天氣下窗戶不能開啟時的通風(fēng)要求，大樓設(shè)有輔助空調(diào)系統(tǒng)?？照{(diào)送風(fēng)口設(shè)在辦公室內(nèi)側(cè)墻面立柜踢腳處，回風(fēng)口在立柜頂端樓板下，設(shè)計為2.5倍的換氣量。送入的新鮮空氣略低于室內(nèi)溫度。呼出的渾濁氣體溫度較高，上升到頂部，被排出室外，避免了新鮮氣體與渾濁氣體的交叉。雙層幕墻與空調(diào)采暖制冷系統(tǒng)的配合，使得該建筑全年70%的工作時間完全放棄空調(diào)，只在不到30%的時間里（炎熱、颶風(fēng)等）需要送風(fēng)和供暖制冷。由于房間的位置朝向不同、室內(nèi)人員對溫度的敏感性不同等原因，會出現(xiàn)在采暖或制冷的時期里，部分房間里工作人員仍愿意開窗通氣的情況。為了避免浪費能源，所有內(nèi)側(cè)幕墻上的可開啟扇都安裝有電磁感應(yīng)裝置，如果某一辦公室的窗戶打開，該區(qū)域的制冷、制熱系統(tǒng)就自動關(guān)閉。由于每間辦公室的供暖供冷電量都是單獨核算的，因而使用者也有動力，盡量少用空調(diào)采暖以節(jié)約開支。

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四、智能玻璃幕墻的發(fā)展前景與研究動態(tài)歐洲智能玻璃幕墻技術(shù)的發(fā)展主要表現(xiàn)在兩個方面：一是深入廣泛的基礎(chǔ)理論研究，特別是在提高舒適度和能量動態(tài)研究方面。各方面專業(yè)人員從不同角度對已建成的雙層幕墻建筑進行大規(guī)模長時間的跟蹤實測，掌握了大量的第一手?jǐn)?shù)據(jù)，并提煉到理論高度，對幕墻的設(shè)計進行模擬和指導(dǎo)，這項工作還在深入進行。有的研究項目對幾十幢已建成的大廈進行5年以上的跟蹤研究（圖13、14，維多利亞總部大樓的溫度與空氣實測數(shù)據(jù)）。這些基礎(chǔ)研究為智能幕墻的發(fā)展和優(yōu)化提供了堅實的理論支持。另一方面是在幕墻與建筑設(shè)備、空調(diào)系統(tǒng)的配合方面又有新的進展，如采用與外墻或地面結(jié)合為一體的小型通風(fēng)換氣裝置。這種小型機，具有高效的通風(fēng)采暖、降噪功能，可有效提高舒適度和使用靈活性（圖15、16，應(yīng)用于德國波恩郵政大廈的小型外墻地面通風(fēng)換氣設(shè)備），以及新型幕墻構(gòu)造的探索。智能玻璃幕墻在歐洲發(fā)展很快，如前所述，能源價格和環(huán)保意識是推動這項技術(shù)發(fā)展的主要動力。創(chuàng)造舒適健康的室內(nèi)環(huán)境，減少員工缺勤率，提高企業(yè)效益與競爭力以及獨特的建筑形象與表現(xiàn)力也是促進這項技術(shù)發(fā)展的重要因素。保險行業(yè)和一些大型跨國公司首先采用了這項技術(shù)。一方面表現(xiàn)了其保護環(huán)境的公益性意識，另一方面建筑形象也代表了最現(xiàn)代先進、精美輕盈、通透民主的公司形象。創(chuàng)造高舒適度的健康辦公環(huán)境，雖然投資較高，但作為自己的房產(chǎn)，長期使用經(jīng)營，運營成本可以收回建設(shè)資金的投入，經(jīng)濟上也劃算。而作為出租性的辦公樓，面對現(xiàn)代中小高科技企業(yè)，雙層幕墻辦公建筑很有吸引力，能代表其新銳的公司形象，加之辦公條件舒適，運營成本低，因而市場前景也很好。與早期鏡面玻璃辦公樓相反，最大限度爭取玻璃幕墻的透明度也是雙層幕墻的一個發(fā)展趨勢。這是由于其構(gòu)造特長決定的，因其既能滿足節(jié)能、調(diào)節(jié)光線強度、保證使用功能的要求，又能最大限度利用玻璃透明性的特長，使其能夠達(dá)到一種新的晶瑩剔透的高科技形象，因此贏得不少建筑師及業(yè)主的青睞。參考文獻：1.Vegla.TechnischesHandbuchGlasamBau,1999.2.Schnittich,C.GlasbauAtlas.Birkhaeuser,1998.3.Compagno,A.IntelligentGlasfassaden.Birkhaeuser,2002.4.Knaack,U.KonstruktiverGlasbɑn,RudorfMueller,1998.5.TillPasquay.EnergetischesVerhaltenVonDoppelfassaden，2002.6.德國Gartner幕墻公司相關(guān)產(chǎn)品設(shè)計資料，20