一、項(xiàng)目概況

　　上海科技城位于開發(fā)中的浦東世紀(jì)大道東端，浦東新區(qū)政府中心廣場的南側(cè)，項(xiàng)目占地面積68700m2，總建筑面積約90000m2。主體建筑呈螺旋向上的態(tài)勢。建筑中央是一座橢球體的玻璃建筑，橢球體長軸為66.8m，短軸為51m。地面以上球高34.3m，下沉地下7.25m。整個(gè)建筑氣勢宏偉，含義深遠(yuǎn)，象征著科學(xué)技術(shù)孕育了人類社會(huì)從低級(jí)向高級(jí)社會(huì)逐步發(fā)展的歷程。橢球體的主體結(jié)構(gòu)為單層鋁鈦合金薄殼結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)材料全部選用6061-T6鋁鈦合金，主梁是“工”字形鋁型材，其結(jié)構(gòu)輕巧，空透性好。鋁型材表面陽極氧化，解決了防腐銹問題。球體結(jié)構(gòu)的外覆蓋層為低發(fā)射（Low-E）中空夾膠玻璃和鋁合金裝飾板組成的明框幕墻，外觀視感自然，反射率低，無明顯的眩目光，充分體現(xiàn)建筑設(shè)計(jì)大師空間的意圖。球體玻璃幕墻共有2351塊不等邊三角形的玻璃板塊組成。玻璃板塊占整個(gè)球體表面積的90%以上。這種組合結(jié)構(gòu)在國內(nèi)絕無僅有，在國際上也屬罕見，在技術(shù)上已達(dá)到國際領(lǐng)先水平。（見圖1）

　　圖1

　　對(duì)橢球體空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，人們首先想到國內(nèi)相當(dāng)普及和成熟的大跨度雙層網(wǎng)架或雙層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)體系。這種結(jié)構(gòu)體系由于體積龐大，自重大，防銹維護(hù)費(fèi)用高，空透性差。經(jīng)計(jì)算其空透率達(dá)不到40%，顯然不能滿足科技城的高科技設(shè)計(jì)理念，也不能滿足橢球體建筑的節(jié)能技術(shù)要求。本工程采用高科技含量大的單層鋁鈦合金薄殼結(jié)構(gòu)體系。

　　這種薄殼結(jié)構(gòu)體系選用250mm至300mm高的6061-T6鋁鈦合金工字形梁，梁與梁連接通過圓盤連接板用高強(qiáng)度不銹鋼鎖緊螺栓作固接，形成一個(gè)個(gè)三角，拼成橢球體薄殼結(jié)構(gòu)。其外覆蓋400噸Low-E中空夾膠玻璃層（見圖二）。設(shè)計(jì)軟件對(duì)52種不利工況荷載作用計(jì)算，離橢球體原點(diǎn)的最大絕對(duì)位移不超過75mm，相鄰節(jié)點(diǎn)之間垂直于球體表面最大的位移不超過25mm。與實(shí)際變形測量基本相符。按比例測算，橢球體薄殼結(jié)構(gòu)層比同體積的雞蛋殼還要薄。使得結(jié)構(gòu)輕巧，空透性好，藝術(shù)觀賞性強(qiáng)。具有顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

　　圖2

　　三、球體節(jié)能玻璃幕墻的應(yīng)用

　　由于橢球體的外表面90%為玻璃幕墻，其余為鋁合金構(gòu)件。如何考慮球體玻璃幕墻的節(jié)能問題是設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵，設(shè)計(jì)中我們首先從幕墻玻璃的節(jié)能分析著手，同時(shí)盡可能隔斷鋁合金構(gòu)件的傳熱途徑。

　　1、玻璃品種的選用

　　根據(jù)建筑師的要求，大球體在遠(yuǎn)處看的效果應(yīng)是反射率低，減少眩目光；在近處看應(yīng)有通體透明的感覺。對(duì)于跨世紀(jì)的重大工程，我們考慮建筑師的設(shè)計(jì)意圖，有結(jié)合節(jié)能環(huán)保型墻體方興未艾的氣候，經(jīng)多方探討和研究、對(duì)比，決定采用低反射（Low-E）中空夾膠玻璃作為大球體的外墻裝飾（見圖3）。這種玻璃的最大特點(diǎn)是將遠(yuǎn)紅外熱輻射發(fā)射出去，使其不能透過玻璃從而起到節(jié)能隔熱的作用，是世界上公認(rèn)的環(huán)保節(jié)能型材料。

　　圖3

　　（1）熱能的型式

　　自然環(huán)境中的熱能主要是太陽輻射能，其能量的98%分布在0.3至3um波長之間。除了太陽直接輻射的能量外，還存在著大量的遠(yuǎn)紅外線熱輻射能，其能量分布在3至40um波長之間。在室外，這部分熱能是由太陽照射到物體上被物體吸收后在輻射出來的，夏季成為來自室外的主要熱源之一。在室內(nèi)，這部分熱能是由暖氣、家用電器、被陽光照射后的家具及人體所產(chǎn)生的，冬季成為來自室內(nèi)的主要熱源。

　　需要說明的是，在通常情況下來自室內(nèi)、室外的熱輻射可同時(shí)存在，只不過夏季來自室外的熱輻射遠(yuǎn)大于室內(nèi)的熱輻射，而冬季來自室內(nèi)的熱輻射又遠(yuǎn)大于室外的熱輻射。因此，選擇玻璃時(shí)必須考慮建筑物所處的地理環(huán)境，以便所選擇的玻璃能有效地阻擋來自主要熱源的熱能。

　　照射到玻璃上的太陽輻射能，一部分被玻璃所吸收或反射，另一部分透過玻璃成為直接透過的能量。

　　當(dāng)玻璃吸收太陽能后溫度升高，吸收的能量通過與空氣對(duì)流及時(shí)向外輻射遠(yuǎn)紅外線而散失。因此，被吸收的能量最終仍有約50%透過了物體，這可歸結(jié)為對(duì)流傳導(dǎo)形式的傳遞。吸收率低的物體，必然反射率高（反射率+吸收率=1）。 這種物體不易吸收外來的熱輻射能量，其隔熱性能就好。輻射率高的物體吸收的熱輻射多，它再次向外輻射的熱量也多，相當(dāng)于透過該物體的熱量多。低輻射玻璃正是限制了這一部分的傳熱。

　　對(duì)流傳導(dǎo)所傳遞的熱能為Q1，這其中還包括玻璃吸收各波短的輻射后再放出的熱量。太陽能直接輻射透過的熱能為Q2，這部分熱能僅指可見光、近紅外輻射直接透過的能量。透過玻璃傳遞的總熱能Q可有下式表示：

　　Q=U*（T內(nèi)-T外）+太陽輻射系數(shù)*Sc 式——1
　　Q1 Q2

　　式中：U——玻璃的傳熱系數(shù)，單位為W/m2?c，在相同的室內(nèi)外溫差下，U值越低則通過對(duì)流傳導(dǎo)的熱能越少。玻璃的U值與玻璃的輻射率E有關(guān)，輻射率E越低U值也越低。降低U值的兩種有效方法是：在玻璃表面上鍍低輻射膜，或?qū)?a href='../../zsk/ct.asp?id=6421' target='_blank' style='font-size:1em; border-bottom:1px dotted blue;'>窗玻璃合成中空玻璃結(jié)構(gòu)。

　　Sc——玻璃的遮陽系數(shù)，反映玻璃對(duì)陽光的遮蔽效果。Sc高則意味著透過玻璃的太陽能多，反之則少。控制玻璃Sc的有效方法是：在玻璃表面上鍍膜，或在制造玻璃的過程中加入色劑形成著色玻璃。但著色玻璃屬于吸熱玻璃，其吸收率偏高因而U值也高，所以它是以增大對(duì)流傳導(dǎo)傳熱為代價(jià)來降低太陽能直接透過的。

　　太陽輻射系數(shù)——為一常數(shù)630w/m2，可理解為太陽照射到地面的能量強(qiáng)度（實(shí)際強(qiáng)度為783w/m2，透過3mm普通白玻璃后為630w/m2）。

　　T內(nèi)-T外——玻璃兩側(cè)的溫度差。

　　從上式可看出，玻璃節(jié)能性的優(yōu)劣由U和Sc這兩個(gè)參數(shù)就完全可以判定，但實(shí)際上考慮到玻璃的透光率，Sc不可能選得太低，否則室內(nèi)采光極差。U和Sc是玻璃的重要參數(shù)，在產(chǎn)品說明書中一般是給出的。特殊結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品如中空玻璃、夾層玻璃等需通過實(shí)驗(yàn)測量并計(jì)算得出。

　　（2）Low-E中空玻璃優(yōu)良的節(jié)能性能

　　表一：幾種玻璃的主要光熱系數(shù)

　　注：白玻指普通透明玻璃；6C表示6mm的透明玻璃；CTS140是熱反射玻璃型號(hào)；CEB12是Low-E玻璃型號(hào)；U是美國ASHERA標(biāo)準(zhǔn)條件下的傳熱系數(shù)。

　　單片熱反射鍍膜玻璃是在玻璃的表面鍍上介質(zhì)、金屬或金屬氧化物膜，在使玻璃呈現(xiàn)不同色彩的同時(shí)，還具有了新的光、熱性能。它的主要作用就是降低玻璃的遮陽系數(shù)Sc，限制太陽輻射的直接通過。由于所鍍的膜仍是一般工程材料，故對(duì)改善U值沒有大的貢獻(xiàn)。

　　熱反射玻璃在有效降低Sc的同時(shí)，也大大降低了玻璃的透光鋁，從而影響到室內(nèi)的采光。若要提高透光率就不得不損失隔熱性，這是個(gè)矛盾的選擇，而這一矛盾是熱反射鍍膜玻璃所無法解決的。

　　將熱反射鍍膜玻璃合成中空玻璃后，可集兩種優(yōu)點(diǎn)與一身，即不但對(duì)太陽直接輻射有所控制，同時(shí)也限制了對(duì)流傳導(dǎo)傳熱。這種玻璃結(jié)構(gòu)是一種比較理想的搭配，但這種玻璃U值的降低是通過中空玻璃結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的，因而也是有限的。

　　Low-E玻璃的表面輻射率低、反射率高，這意味著它同室內(nèi)外空氣接觸后吸熱少，升溫低，再放出的熱量少，即隔熱性能好。僅單片Low-E玻璃的U值就低于熱反射玻璃，合成Low-E中空玻璃后，這一優(yōu)勢更加突出，因此這是最理想的玻璃結(jié)構(gòu)搭配。

　　Low-E玻璃的另一特點(diǎn)是透光率偏高（33%-72%），而遮陽系數(shù)Sc選擇范圍大（0.25-0.68）。與熱反射玻璃相比，在同樣的透光率下，Low-E玻璃具有更低的Sc，這解決了熱反射玻璃所遇到的矛盾，即在保證室內(nèi)高透光的前提下不損失隔熱性。

　　冬季Low-E玻璃可有效地阻止室內(nèi)暖氣和人體發(fā)出的熱輻射泄向室外；夏季則可有效地阻擋室外道路及建筑物發(fā)出的熱輻射進(jìn)入室內(nèi)。Low-E玻璃這種阻擋熱輻射透過的作用與季節(jié)無關(guān)。

　　在以下條件下對(duì)幾種玻璃的傳熱量按（式——1）進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果列入表2中：夏季白天室外35攝氏度，室內(nèi)20攝氏度；冬季夜晚室外零下10度，室內(nèi)溫度15度。

　　表2：透過玻璃傳遞的熱能（功率）

　　從表中數(shù)據(jù)可以看出，在夏季白天，采用Low-E中空玻璃比采用同樣透光率的熱反射中空玻璃，可使透過每平方米玻璃進(jìn)入室內(nèi)的熱能減少102w。而在冬季則可使透過每平方米玻璃泄出室內(nèi)的熱能少23w，節(jié)能效率高達(dá)30%以上。可見Low-E玻璃優(yōu)良的節(jié)能性能。

　　（3）Low-E中空玻璃在科技城大球體上的具體運(yùn)用

　　經(jīng)過以上對(duì)各種玻璃節(jié)能特點(diǎn)的分析，結(jié)合科技城大球體的具體情況，我們決定采用8CES11+12A+8C+1.14+8C的中空夾膠玻璃作為復(fù)蓋層，見圖2。其中外層玻璃采用Low-E玻璃，Low-E膜面在內(nèi)，以便第一時(shí)間擋住來自室外的熱量，這樣既能起到節(jié)能作用，又使外立面的效果不同與一般白片玻璃，而具有鍍膜玻璃的質(zhì)感，但同時(shí)由于透光率高，反射率低，減少了“眩目光”，減少了“光污染”，外觀視感自然。

　　另外從安全角度考慮，在室內(nèi)方向，我們采用夾膠玻璃，保證了室內(nèi)玻璃破碎時(shí)的安全。從隔聲考慮，我們采用12mm厚的中空層，可減少噪音30dB左右，又能有效防止結(jié)露水，保持視線清晰。

　　2、鋁合金構(gòu)架上的節(jié)能措施

　　圖4

　　大球體主體結(jié)構(gòu)是由“工”字形截面的鋁合金桿件組成的單層薄殼結(jié)構(gòu)，外表每塊玻璃板塊通過三塊鋁合金圓盤板，由直徑7毫米不銹鋼螺釘固定并形成整個(gè)球體幕墻外墻，見圖4。

　　雖然整個(gè)球體的絕大部分面積為玻璃所復(fù)蓋，但仍有一小部分是鋁合金，且常年暴露在室外。為了大球體的節(jié)能效果達(dá)到最理想狀態(tài)，我們?cè)凇肮ぁ弊中瘟号c鋁合金玻璃壓板之間采用PVC塑料作為隔熱冷橋裝置，有效地隔斷外界熱能通過鋁合金桿件向球體內(nèi)的傳導(dǎo)。據(jù)測算，其傳熱系數(shù)可下降1 w/m2?C左右，節(jié)能25%以上。空氣隔聲量可達(dá)到20dB以上。經(jīng)過APEC會(huì)議期間的實(shí)際使用，證明球體玻璃幕墻節(jié)能效果完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

　　三、建筑幕墻節(jié)能技術(shù)的展望

　　當(dāng)代的建筑已離不開幕墻系列的外裝飾，而幕墻系列也逐漸在向智能型、節(jié)能型和環(huán)保型方向開拓發(fā)展，為我們的建筑群體穿上越來越高檔、新穎的外衣。通過對(duì)科技城球體幕墻節(jié)能技術(shù)的設(shè)計(jì)，使我們深感高在幕墻方面的節(jié)能技術(shù)大有發(fā)展、創(chuàng)新的前景，在材料的選用、結(jié)構(gòu)的改進(jìn)、組合的優(yōu)化、技術(shù)的提高上大有潛力。我們?cè)概c各位同仁一起，為建筑業(yè)趕超世界一流水平，走向世界而共同努力！