双层及多层幕墙技术及案例分析

透明度：透明的和可持续的

不要把这些新建筑上的高性能的玻璃幕墙当成早期现代主义教科书上的例子

作者Russell Fortmeyer

1929年，当Le Corbusier着手为巴黎City de Refuge 设计双层玻璃幕墙时，他找不到幕墙顾问书写玻璃规范。不过，这也不会有什么关系，因为可能规范只有一句话：透明。两层白玻璃形成了一个腔室，Le Corbusier 本来计划用机械通风系统往里充预热的空气，把它当成透明的隔热层。但是，业主取消了双层幕墙，将单层玻璃密封，并直接向建筑内输送空气。没有空气回流路径，根本起不到预期效果。完全暴露在阳光下的单层玻璃被证明是个非常失败的选择。几年之后，设计师为了减少日照得热量，防止用户过热，加了层百叶窗。

“Le Corbusier 没有EnergyPlus（一种软件），” 幕墙顾问George Loisos（AIA）开玩笑说。Loisos的评价使我们对建筑设计使用的各种专业分析工具有了部分了解。他和同事在加州的伯克利成立了Loisos + Ubbelohde (L+U)公司。EnergyPlus是美国能源部为高性能绿色建筑建模的免费软件，它仅是这许多工具中的一种。

Loisos的合作伙伴，Susan Ubbelohde把他们公司在阿布扎比克利夫兰的新医院（设计院HDR）做的能源建模和采光工作比拟成对Le Corbusier 的方案的技术更新。“建筑科学和能源界很担心玻璃建筑综合症”，她说，并补充说，设计师已经不满足于玻璃盒子，而是对复杂的和多层的幕墙系统越来越感兴趣。

历史证明，至少从Joseph Paxton开始，建筑设计师们已经对透明性着迷了。自从Paxton于1851年在伦敦建了水晶宫和20世纪初，现代主义出现之后，设计师和顾问就不断地用透明度来衡量成功。随着玻璃的演变，它的表达方式也变化着。克利夫兰医院证明了这个变化，它的360个床位的住院部完全体现了鲍豪斯建筑风格，拱肩强调了每层楼板的高度，连续的幕墙系统包裹拐角，鲜明地体现了斜肋构架的幕墙系统。本文只讨论该建筑的结构和幕墙系统，不解释这些系统复杂的性能。

图示：

双层幕墙（下）包裹阿布扎比克利夫兰新医院住院部大楼（上）。回收

的废气在宽约5英尺的腔室里流动，降低了沙漠热浪对楼内的影响。

图片由HDR 和Loisos + Ubbelohde提供

1.低铁超白夹层玻璃，并采用了抗反射（光）涂层

2.反光膜层

3.近5英尺的空气间隙

4.含Low-E 涂层的镀膜玻璃

5.半英寸氩气层

6.低辐射镀膜层

沙漠里的玻璃

创造一个高性能、透明的建筑需要广泛的传统设计领域的相互协调，包括幕墙设计、机械工程、照明设计、热学分析和建筑学。决定用户舒适度和性能的参数——太阳能得热系数、采光系数、可见光透过率、U值和反射率等相互依存度极高，不能用直线的方式来分析。可以说，必须采用集成的设计程序。

克利夫兰医院计划2012年开业，项目组决定采用双层幕墙，因为它能满足业主透明、设计清晰、最佳采光的愿望。同时，这个策略也解决了眩光控制和维修的问题（在阿布扎比，外遮阳和百叶会产生问题，特别是沙尘暴频发时）。Ted Jacob的公司——加州奥克兰的Ted Jacob工程集团负责这个项目的机械设计，他说，传统的双层幕墙依赖可操作的窗户和自然的烟囱效应，但这种方式不适用于阿布扎比这种极端的气候。

因为医院的临床区需要新鲜的空气，在通风空气进入空气处理装置的冷却旋管前，将它的温度稍微降低一点，就能节省很多能源。Jacob为阿布扎比使用的设计温度是115度，病房供应空气的温度是55度，废气的温度是75度（包括阳光、用户和设备的热贡献值）。Jacob的设计利用了室外和废气之间40度的温差，通过更热，更潮湿的室外空气进气管，把回收的废气输送进管道。废气温度提高到约96度，然后被释放到幕墙腔室里，在这里吸收更多的热，然后通过屋顶的百叶排出。按照传统的方式，废气会被扔掉，但Jacob还是为它找到了一个用途，就是在幕墙的内外两层间，提供一层看不见的隔热层。

日照得热量和U-值

幕墙获得的太阳辐射对建筑内部有两个基本的传递形式：辐射和传导。辐射是热以紫外线、可见光和红外线的形式通过建筑外维护传递，传导出现在热和冷的表面之间或通过空气实现。

用百分比表达的太阳能得热系数（SHGC）直接测量玻璃的热传递。SHGC为0.3的玻璃阻挡了70%的太阳辐射。遮阳系数（SC）原理几乎一样,只是它以一个单层、1/8英寸厚的白玻璃为基准，它反映的是相对于这个基准的性能。SHGC为0.3大致相当于SC为0.35。SHGC直接影响玻璃的U 值，U值是测量某个指定区域在标准条件下的热传导的方法。U值低意味着玻璃的热传导小,无论是吸热还是散热。玻璃生产商提供所谓的“玻璃中心”的U值, 适用于自由悬挂的玻璃;幕墙施工时，这些U值被组合到一起,形成了一个整体的U值。U值的倒数是R值，测量建筑热阻的方法，或作为阻热体的有效性。

减少内部热量后，设计师考虑把幕墙辐射和传导的热降到最小值。美国降温和空调工程师协会（ASHRAE）针对世界各地的气候，出版了预期太阳辐射量数据。这些数据为机械系统的规模提供了依据，但只靠冷却，不能为建筑阻挡阿布扎比强烈的日照。减少表面的玻璃，提高外部反射率，提供遮阳装置，采用低辐射涂层，这些都能限制辐射。建筑师为这个医院的内层幕墙采用了不透明的拱肩，加上涂层，减少了辐射热吸收。“双层幕墙间的空气腔，通过对流的方式，去掉了外层幕墙传导的部分热量。” Ted Jacob公司的项目工程师Warren Cheng 说。“因为内层幕墙是双层中空玻璃，它对热传导更不敏感。”

医院的幕墙看起来有两层，但是实际上它由九层组成。从外往里算，分别为两层带反射膜夹层和抗反射涂层的低铁玻璃；一个近5英尺的空气腔；一层带低辐射涂层的白玻璃；一层半英寸带悬挂涂层膜的充氩气的空隙；最后是一层低铁玻璃。外层玻璃的SHGC是0.51，可见光透过率（VLT）74%，内层玻璃SHGC是0.186，VLT42%。

L+U使用EnergyPlus 测量玻璃的热性能。“约一半的日照得热量来自短波红外线，基本上是余热。”Loisos说。“有了涂层，我们过滤了所有的短波红外线和几乎全部的紫外线。” 第一层反射膜反射外层幕墙的紫外线和红外线辐射，因此小部分的热被玻璃吸收并反射进腔室，同时，悬挂在内层幕墙上的膜有光谱选择性，它能反射大部分的剩余热量。两层膜都是透明的，不降低玻璃的透明度。结合新奇的热回收系统，按ASHRAE 90.1-2004标准衡量，幕墙的设计帮助建筑提高了14%的性能。

当然，不是所有的工程预算都允许建双层幕墙。全玻璃幕墙越来越普遍采用的方法是使用不同性能的、多种类型的玻璃。纽约的Audrey Matlock （AIA）在曼哈顿一块不大的空地上，用这种方法设计了一个47个公寓的住宅楼——Chelsea Modern。开始，她把幕墙设计成堆叠的条形，用透明和蓝色的玻璃层做强调，在立面上产生一种横向运动的感觉。Jeffrey Ng（AIA）是Thornton Tomasetti纽约分公司的建筑师和幕墙顾问，他说，虽然场地条件只允许建一个全玻璃幕墙，但玻璃类型的平衡对项目的热设计贡献很大。透明玻璃的SHGC值是0.38，占主幕墙的30%，其余都用SHGC值是0.28的蓝色玻璃。因此幕墙整体的实际性能介于两者之间。