前言：目前，在我國，建筑耗能已經(jīng)與工業(yè)耗能、交通能耗并列成為能源消耗的三個大戶。為了減少建筑能耗，我國建筑領(lǐng)域已經(jīng)普遍執(zhí)行了“三步節(jié)能”中的65%的節(jié)能指標(biāo)，其中天津、北京、新疆等地居住建筑率先開始執(zhí)了75%節(jié)能的指標(biāo)。同時，由于對建筑節(jié)能性能要求的提高，被動建筑、超低能耗建筑、綠色建筑等名詞越來越多的出現(xiàn)在建筑領(lǐng)域，也越來越多的被使用者所提及。國內(nèi)已經(jīng)有很多優(yōu)質(zhì)的被動式節(jié)能建筑投入運(yùn)營，并獲得了很好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。被動式建筑大部分都做為居民住宅建筑實(shí)現(xiàn)，作為公共建筑的形式比例不高。本文針對被動式建筑的外立面幕墻進(jìn)行分析和說明，著重體現(xiàn)被動式建筑在公共建筑領(lǐng)域的應(yīng)用。
一、 被動建筑簡介
1.被動建筑的概念
根據(jù)資料顯示，最早“被動式建筑”的名詞來源于德語“Passivhaus”，翻譯為中文就稱為“被動式建筑”或稱為“被動式房屋”。此種建筑概念由瑞典隆德大學(xué)的Bo Adamson教授和德國被動式房屋研究所(Passivhaus Institut)的Wolfgang Feist博士在1988年5月確立而逐步形成的。并確立了自身的建設(shè)和認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)。
通常，以非機(jī)械電氣設(shè)備干預(yù)，利用建筑朝向布置、遮陽措施的設(shè)置、高性能的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用、通風(fēng)口的合理設(shè)計等方法，來降低采暖、空調(diào)，通風(fēng)等系統(tǒng)的建筑能耗的技術(shù)，稱之為被動建筑技術(shù)。而根據(jù)被動建筑技術(shù)設(shè)計，并滿足被動式房屋認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的建筑就稱為被動式建筑。被動式建筑被確立的根本目的是利用非常少的能耗，將室內(nèi)溫度、濕度、空氣等指標(biāo)調(diào)節(jié)到人體感到舒適的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境。
2.被動式建筑的認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)
根據(jù)德國被式房屋認(rèn)證機(jī)構(gòu)PHI的認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，被動式建筑設(shè)計主要的指標(biāo)涉及以下幾個方面：
�、倌旯┡�(制冷)需求計算值≤15kwh·㎡·year;
�、诠┡�(fù)荷峰值計算值≤10w/㎡;
�、勰暌淮文茉聪挠嬎阒�≤120kwh/㎡·year;
�、芡L(fēng)交換律測量值η50≤0.6;
�、菽瓿瑴仡l率25℃≤10% 室溫保持在20℃—26℃;
�、奘覂�(nèi)相對濕度 40%-60%;
由上述的指標(biāo)可以看出，被動式建筑主要是關(guān)注居住者的感受，所以其標(biāo)準(zhǔn)主要是側(cè)重于居住環(huán)境的舒適度和室內(nèi)空氣質(zhì)量(IAO)。具體來說，就是一棟被動式建筑，必須保證室內(nèi)空氣的清晰，無冷凝現(xiàn)象，有適合的溫度，良好的氣密性并有足夠的經(jīng)濟(jì)性。如果從建筑節(jié)能角度來說，被動式建筑需要在保證室內(nèi)居住環(huán)境的前提下，進(jìn)行建筑節(jié)能設(shè)計。
3.被動式建筑的發(fā)展
被動式建筑由于其高節(jié)能性、對居住者的良好感受，因此，在國內(nèi)的發(fā)展比較迅猛。很多業(yè)主和建筑師都在嘗試實(shí)踐被動房項目。相應(yīng)的地方標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范也逐漸出臺，為被動建筑的發(fā)展提供良好的平臺。
目前我國個別省份也制定并實(shí)施了被動房的相關(guān)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、圖集。例如河北省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳批準(zhǔn)實(shí)施的河北省工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計《被動式低能耗居住建筑節(jié)能構(gòu)造(DBJT02-109-2016)》。與PHI所規(guī)定的指標(biāo)相比，特別在窗戶的性能提出了具體的指標(biāo)要求。具體指標(biāo)如下：窗戶整體性能：K<1.0W/m2k,其中玻璃K<0.8W/m2k;窗框K<1.3W/m2k。
二、 被動建筑中門窗幕墻的設(shè)計要點(diǎn)分析
為完成被動建筑的高性能，作為建筑的外表皮，門窗幕墻的設(shè)計就需要有特別的考慮。所有的設(shè)計都為了讓整個建筑的外衣能夠幫助建筑實(shí)現(xiàn)被動建筑的標(biāo)準(zhǔn)和要求。因此，被動建筑的門窗幕墻設(shè)計除了必須的自身性能要求外，還應(yīng)關(guān)注以下方面。
1、選擇合理的保溫材料，除了要控制傳熱系數(shù)以外，還應(yīng)控制好保溫面的完整性，避免其它構(gòu)造對保溫層連續(xù)性產(chǎn)生影響;
2、選擇合理的密封構(gòu)造，做好門窗幕墻邊部收口的密封處理，控制好氣密性能;
3、設(shè)置合理的遮陽，充分利用遮陽系統(tǒng)對建筑物的得熱影響;
4、控制好結(jié)露問題，尤其是保溫材料的兩端溫差比較大，易有結(jié)露的風(fēng)險;
5、盡量減少熱橋，不論是安裝產(chǎn)生的還是構(gòu)件產(chǎn)生的熱橋都應(yīng)該盡量控制，避免其對整個幕墻熱工性能產(chǎn)生不良影響;
三、 通州當(dāng)代MOMA博物館被動建筑的簡介
當(dāng)代MOMA建筑藝術(shù)博物館位于北京市通州區(qū)，建設(shè)方為北京潤錦房地產(chǎn)開發(fā)有限公司。該項目位于寒冷氣候區(qū)，總建筑面積為1603㎡，地上建筑面積為1139㎡，地下建筑面積為464㎡;地上3層，地下1層;建筑高度13m;外立面幕墻面積約2300平米。建筑的主要功能為建筑藝術(shù)、技術(shù)展示。建筑設(shè)計由清華大學(xué)建筑設(shè)計研究院完成;節(jié)能設(shè)計由中國建筑科學(xué)研究院有限公司環(huán)能院高性能建筑設(shè)計研究中心完成。項目效果面圖如圖1、圖2、圖3所示。
1. 建筑表皮的基本情況
當(dāng)代美術(shù)館外形比較復(fù)雜，除南立面是大面積玻璃幕墻以外，其它立面和屋面都是雙曲面造型，通過石材板巖的搭接形成雙曲的外形。建筑屋面的頂部形狀近似盆型，屋面上設(shè)置觀景平臺。屋面低洼處設(shè)置天溝和排水口。天溝和排水設(shè)置在石材板下，不影響建筑外觀。建筑屋面的雙曲造型由主體鋼結(jié)構(gòu)完成。
南立面采用通透的全玻璃幕墻體系，整塊通高的玻璃高度13m。西、北、東立面和屋面采用石材板巖疊型構(gòu)造的形式。疊型石材板巖厚度為15mm，規(guī)格為250mm寬250mm高(石材可視部分)。石材規(guī)格比較小，而且是開放式體系，因此在石材內(nèi)層設(shè)置防水層。
屋面觀景平臺出入口、建筑入口位置采用玻璃幕墻配合高節(jié)能高密封的開啟門。建筑立面設(shè)置被動窗，窗套為天圓地方的鋁板造型。屋面設(shè)置成品玻璃天窗，附帶遮陽系統(tǒng)。
2. 本被動建筑幕墻屋面體系設(shè)計應(yīng)考慮的問題：
(1)南向全玻璃幕墻，受玻璃幕墻邊緣形狀所限，為確保建筑外觀方案效果的良好實(shí)現(xiàn)，無法設(shè)置外遮陽，需要建筑設(shè)計通過其它手段減小對整體的影響。
(2)本工程圍護(hù)結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜，種類較多，包括玻璃幕墻、石材屋面、石材幕墻、構(gòu)件式幕墻、門窗、UHPC幕墻等多種體系。
(3)需要解決好整個外圍護(hù)幕墻的整體氣密性能。
(4)石材板瓦外立面系統(tǒng)、全玻璃幕墻、構(gòu)件式玻璃幕墻需要金屬龍骨固定，金屬龍骨穿透保溫層對保溫性能影響比較大，因此，必須減少連接點(diǎn)對傳熱性能的影響。
(5)外窗采用被動認(rèn)證的窗，窗套形狀是外圓內(nèi)方，收邊板的做法比較特殊。
3. 本工程門窗幕墻的傳熱要求
本項目由建研院建筑節(jié)能所提供節(jié)能設(shè)計，建研院對維護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能要求如下：外墻采用250mm巖棉外保溫;平均傳熱系數(shù)0.16W/m2K,屋面350mm巖棉保溫，平均傳熱系數(shù)0.129 W/m2K。
外窗采用鋁包木三玻兩腔高保溫隔熱性能外窗，傳熱系數(shù)0.94 W/m2K，南向大立面的全玻璃幕墻傳熱系數(shù)0.77 W/m2K，SHGC值0.3。
外門采用鋁包木高保溫隔熱性能、高氣密性門，傳熱系數(shù)0.94 W/m2K。
天窗采用高保溫隔熱高氣密性智能天窗，傳熱系數(shù)0.5 W/m2K，帶外遮陽。
四、 作為建筑維護(hù)結(jié)構(gòu)的幕墻和屋面的設(shè)計
1. 石材幕墻的設(shè)計
本項目屋面主體為鋼結(jié)構(gòu)，屋面及外立面表面由石板瓦搭接而成，疊拼石材幕墻和屋面是整個建筑外圍護(hù)的主要部分，根據(jù)建筑節(jié)能設(shè)計的要求，幕墻和屋面部分的保溫層厚度不同。但構(gòu)造做法是基本一致的。石材板瓦的建筑效果見圖4、圖5。
石材板瓦的固定采用掛接定位，上端石材搭接在下端石材上，并通過下部限位的形式連接。其基本節(jié)點(diǎn)見圖6。掛接和固定示意見圖7。
建筑的入口位置雙曲面彎曲明顯，和主立面的交接時，石材的排布方式會影響整個建筑的分格效果。如果把立面的分格直接投影，會讓石材板瓦的加工變得十分復(fù)雜。因此，我們嘗試了其它多種分格方式，分別見圖8、圖9、圖10、圖11。通過對比，建筑師最終確定采用圖11的分格方式。
在大立面上，相鄰石材板瓦轉(zhuǎn)角不大，通過標(biāo)準(zhǔn)的做法完全可以實(shí)現(xiàn)。但是在入口位置相鄰搭接的轉(zhuǎn)角就會比較大，板的翹曲比較明顯。主入口的排布方式使得石材的控制線會產(chǎn)生向上的彎曲，由于石材板瓦材料無法彎曲成型，因此，相鄰石材的搭接是否順暢，是否會由于角度的變化導(dǎo)致對人視效果產(chǎn)生影響，都必須慎重考慮才行。我們通過實(shí)際的放樣，確定石材板巖的安裝構(gòu)造可以適應(yīng)這種扭轉(zhuǎn)，見圖12示意：
2. 石材幕墻密封和熱橋設(shè)計
為滿足被動建筑的要求，除了設(shè)置比較厚的保溫材料以外，還分別進(jìn)行了以下特殊設(shè)計：
1) 保溫層的外側(cè)設(shè)置防水層，保溫層的內(nèi)側(cè)設(shè)置隔汽層。防水層是實(shí)現(xiàn)建筑的防水功能。隔汽層的設(shè)置是為了避免室內(nèi)的溫濕空氣進(jìn)入保溫材料引起結(jié)露。但是，在保溫層的外側(cè)其防水層要在局部開敞，以便保溫材料能和室外進(jìn)行空氣交換。
2) 金屬支撐龍骨穿透了隔汽層，穿透部位需做處理以提高密封性能。見圖13示意。
3) 金屬支撐龍骨穿透了保溫層，會形成熱橋。熱橋是影響近零能耗建筑設(shè)計能否達(dá)標(biāo)的關(guān)鍵因素之一，因此，如何解決好支撐點(diǎn)的熱橋問題是非常重要的。我們從兩個方面進(jìn)行優(yōu)化。
其一是在支座中間增加橡膠墊塊。其二是減少支撐點(diǎn)數(shù)量。
圖14為龍骨支座的隔熱墊塊詳圖，通過硬質(zhì)橡膠墊塊將原有的圓形鋼管斷開，使鋼管的熱橋變成四個螺栓的點(diǎn)狀熱橋。該處隔熱墊塊選取的厚度為30mm，根據(jù)建研院提供的結(jié)果，其熱橋值為0.13W/mK。滿足了建筑節(jié)能的要求。
整個石材幕墻的龍骨支座數(shù)目如果可以減少，也就相應(yīng)的減少了熱橋的影響。因此，我們在設(shè)計中加大了龍骨的規(guī)格，使得龍骨的跨度增大，從而減少了支座的數(shù)量。龍骨的規(guī)格從120×80×5的鋼方通調(diào)整為160×80×6，支撐件的的總數(shù)由380個降到了287個，龍骨分布和支撐點(diǎn)的位置見圖15示意。根據(jù)建研院的分析，這一優(yōu)化使得建筑整體熱負(fù)荷的減少了0.6kWh/m2a。
3. 全玻璃幕墻節(jié)點(diǎn)設(shè)計
建筑主立面是通高的全玻璃幕墻，建筑效果和立面圖見圖16、圖17示意。
全玻幕墻的高度為13m左右，玻璃采用吊掛的方式連接。由于建筑的外觀要求可視的玻璃邊線為弧形，但這給玻璃加工帶來很大的困難，我們經(jīng)過優(yōu)化，把玻璃邊線調(diào)整為折線或者斜線，通過外側(cè)的UHPC板找型，以實(shí)現(xiàn)建筑效果。玻璃的立面見圖18。
全玻璃幕墻的玻璃吊掛在屋面的主體鋼結(jié)構(gòu)上。每個吊掛鋼架都是一個熱橋。鋼架的布置方式根據(jù)熱工的需求進(jìn)行了調(diào)整，優(yōu)化前的設(shè)計是常規(guī)的做法，鋼架穿透了保溫，存在嚴(yán)重?zé)針?紅色部分為鋼架)。優(yōu)化后鋼架連接件能夠完全被保溫覆蓋(紅色部分為鋼架)，熱橋減弱。根據(jù)建研院提供的參數(shù)，其熱橋值為0.165W/(mK)。優(yōu)化前和優(yōu)化后的節(jié)點(diǎn)分別見圖19和圖20。
4. 外窗做法
建筑外窗采用被動認(rèn)證的產(chǎn)品，由森鷹提供。比較特殊的是外窗的窗套造型比較復(fù)雜，為內(nèi)方外圓的鋁板造型。由于鋁板造型洞口深度較大，對太陽輻射形成了一定程度的自遮擋效果，因此被動窗不再設(shè)置外遮陽。圖21表示了外窗的剖面做法，圖22表示了鋁板窗套的構(gòu)件三維示意。
五、 結(jié)束語
通州當(dāng)代MOMA建筑藝術(shù)博物館幕墻工程的設(shè)計在中國建筑科學(xué)研究院有限公司環(huán)能院高性能建筑設(shè)計研究中心的要求下，和清華院建筑設(shè)計院的建筑師充分溝通，幕墻的設(shè)計在不斷調(diào)整和不斷優(yōu)化中完成。最終提交的幕墻施工圖即滿足了建筑效果要求，也實(shí)現(xiàn)了幕墻的高節(jié)能要求，為業(yè)主提供了一個性能優(yōu)異、外形美觀、設(shè)計前衛(wèi)的博物館。
