如何合理并安全地设计隔热幕墙结构？

 中外对隔热幕墙标准研究的成果探讨  

按照节能标准要求推进速度，建筑幕墙要用隔热幕墙是必然的。隔热幕墙中的隔热条在幕墙的构建里面针对构建式幕墙或者是单元式幕墙参不参与受力？在整个幕墙设计甚至产品标准里面，能够参照的标准有哪些？针对这些问题，首先看一下欧洲和中国关于幕墙相关产品的标准情况对比。欧洲的幕墙门窗协会刚刚修订完成的EN13830，里面也简单地涉及到一些幕墙的信息。而中国的GB/T21086作为现行产品的国家标准。在中国现在有正在报批的102规范，第一版是1996年出台的，与它配套的113也有涉及到玻璃方面的要求。

涉及到用在幕墙上面的材料-隔热型材的计算，欧洲、美国、中国都有相关的标准。欧洲的标准结构在计算方法的规范方面是从1990到1999。中国的GB5009对风压计算的各个方面都有。关于热工方面，ISO有个专门计算热工的标准，是基于EN12631。中国JGJ/T151涉及到热工的计算方法。与型材相关的标准，欧洲是EN14024。中国有两个，一个是有色行业GB/T5237.6，第二个是建筑行业的JG175。在这些标准条件下，不仅具备是检测的计算方法，也有产品每一个标准的应用。

上海标准第一版在2011年出台，当时规定所有的建筑幕墙只要涉及到有隔热条部分不论单元幕墙还是构建幕墙一定要用螺钉，通过螺钉握紧力来解决幕墙的外侧部分非整个主结构部分的受力问题。这个对于幕墙施工单位来讲，包括设计、应用方面存在很大问题。在这样的背景条件下，从2012年年底到2013年初，上海市科委和华南有色检测中心与德国联合成立了一个中德联合研究小组，对幕墙上隔热型材应用做了三年多实验。做完之后把这个经验应用在新修订的上海地方标准里面，这个标准已经是第14版修订稿。修订后，里面规定浇铸式不参与到计算，浇铸式低温条件下抗碱强度特别好，高温不受力。穿条式型材可以承受纵向剪切力和横向抗拉力。并且给出了四个工况条件：第一个完全不受力，计算螺钉的力来计算主构建型材和外面型材隔热条部分不参与受力。第二种情况考虑隔热条仅承受四外侧构建的自重荷载。这个限定了一个高度，主界面为主，次截面不承受荷载，只承受风荷载，高度限定180米。第三种工况是隔热条参与受力，也是规定了竖向荷载，全部由主界面承担，要和主型材连上，四外侧不要承受荷载，高度限定150米。第四种工况条件隔热条件完全受力，等效计算，不用螺钉，作业力平均分配，建筑高度限定120米。

 隔热幕墙安全涉及荷载的合理计算 

相同条件下同时给出来一些计算情况，隔热条整个纵向的抗碱力与扭矩和径距几个方面都有关联。但是，这些规范都涉及到拉伸的荷载。这个里面取一个材料强度安全系数是2.0，实际上同样的2.0指标值在欧洲分了两种工况条件：一种受风压荷载的时候安全系数值给的是1.85；还有一种受温差荷载给的1.35。现在正在征求意见的广东省铝合金门窗的施工验收规范，横向抗拉荷载安全系数给1.16，纵向荷载2.84。

一般在做安全设计的时候，首先要考虑基本风压多大。实际上幕墙上有几种荷载类型，包括受力情况，有很明确的规定：第一种类型是对称受力，A和B之间的比值，A：B小于A，或者大于A，这是幕墙的荷载，也规定了隔热条的荷载。幕墙在实际应用过程当中受力类型中的短期荷载类型有两种，一种风压一种温差。在我们国内做得比较多的是风压荷载，温差荷载算的确实不多。做运算的时候仍然是两个状态，所有幕墙设计在第一个正常使用，这一定是一个红线，另外一个是极限状态，即最大承载力。因为如果隔热条要想参与到上海那种工况条件的时候，受力和原来计算方式不一样，如果全部是铝，在算的时候相对来讲比较容易算，到了隔热条参与的时候变成三明治结构，这时候隔热条在里面有一定的情况，这是它的一个最大极限状态。

标准里面新的规定30扭，温差受力情况下仍然一样，也涉及到抗拉和抗剪。从温差受力的情况分析，虽然这主要是在窗上做的实验，但是在幕墙上道理是一样的。综合荷载过程当中有一个变形，设计的时候要把横向衡量遇到的力想办法传递到立柱上来分担衡量受到的弯矩和扭矩，型材承受的弯曲用力基本上是风压和温差两个之间的相加。欧洲给的风压是1.85的系数，温差是1.35。然后型材在剪切的情况下，设计的原理是把横向的力要由剪切力传递的时候，剪切荷载仍然是风压和温差之间的结合。在这个基础之上，如何来算结构有效惯性矩？隔热型材粘合失效，为什么说原来胶是不参与到结构计算，因为一旦剪切失效抗拉也是失效的，在这两个红线里面承载力不至于出现安全事故。这种三明治结构就需要来计算有效惯性矩，他们俩之间粘制变化来组合，有效惯性矩用这个组合，屏幕变化的问题有几个字母出现变化。这个公式在老版的GB/T5237没有强调过程当中有一个弹性系数小C值。但新版的5237增加了这个值，这个值必须通过测试与型材加工工艺有很大关系。为了保证各个企业在门窗、幕墙型材的质量，型材厂出厂的时候要给出小条形系数，剪切过程中一定范围内的力曲线关系。隔热型材的应力分布，遵从其他原理，但是会有一个问题，由于我们国内到今天为止习惯性用通体铝来测算，不做各个点的应力分析。做隔热型材，由于你的隔热区域的不同，会导致不同点的应力值不一样，在温差和风压条件下是不一样的，隔热区域分布位置不同，他们之间值也不一样，弯曲应力在这个上面因为有正向，有正有负定义的时候，弯曲应力计算按照这个计算，剪切应力按照这个公式，有作用参数包括组合参数，按照这个公式来算，然后温差应力。温差条件下仍然是不同点的应力，你只有通过调整隔热区域状态受力状况来调整不同点的应力之间大小，来保证到了年限甚至一定条件下保证具有可靠的安全系数。温差条件下的剪切应力按照这个来算，最终结果两个计算值要叠加到一起，这是结构的计算。实际上通过对很多隔热型材断面应力分析，发现影响很大。

幕墙热工设计两大原则 

有限元计算的值相对来说糙一些，至于幕墙热工计算ISO12031有明确规定，分了几种情况设计的原则来针对幕墙热工，设计原则强调的几个方面：第一一定要协调，在欧洲和北美做研究的体系里面，很少会把玻璃做得特别低，而把框做很大，我们国内有很多区域原来也有这种设计方法，但是效果非常不好，诱导应力过大，强调两个玻璃和型材之间尽可能地用K值接近。所以现在被动方要求玻璃0.7~0.8，型材0.8。第二是设计过程当中减少热桥，优化实际上从辐射、对流和传导之间进行，再加上成本之间的优化，甚至包括安装位置的优化。然后给出螺钉的计算，不同的螺钉按照三百到五百之间用M6螺钉来算的最终结果，明确给出来螺钉对整个幕墙K值影响。根据这个情况往下走，也给出来不同螺钉不同隔热宽度，最终影响比例。

针对国内现在的节能标准，特别是在北京，第一不论是门窗还是幕墙中控玻璃不出压气已经很难了；第二个就是暖边中空玻璃跟德国一样，成为很多项目上的标配，用的时候稍微注意一下衡量这两个值，一个是计算暖边温差导热值，另外一个可以通过测试计算边缘的等效导热系数。材料方面与注意热工型条和外面结构胶之间不粘导致负压条件下向里面移动。另外一个是PVC条为什么在德国不用，由于光线折射的干涉导致玻璃，尤其是偏振效应，边缘损耗情况特别严重，PVC挥发物在中空玻璃封闭的腔体里面导致折射率变化，PVC条不能用在中空玻璃里面被太阳晒到。国内如果间隔条做到像真正的老化的话周期太长，用强化老化的方法进行测试后发现，PVC条经过一千到两千小时的作用下，烤焦了。未来在暖边中空玻璃时，一定要确保过程当中不出问题。

隔热幕墙的设计关系到建筑的安全和环保性能，所以熟知各项现行标准，有利于更合理设计建筑幕墙结构。

来源：中联慕尼官微