从深圳大运会工程外装谈幕墙新型节能材料的性能和应用4P

从深圳大运会工程外装谈幕墙新型节能材料的性能和应用文/李伟锋、鲍义帆、张艳(沈阳远大铝业工程有限公司佛山分公司)图1深圳大运中心世界大学生运动会是仅次于奥运会的综合性体育盛会，是世界各国大学生展现自己体育才华的竞技舞台。深圳是我国改革开放的前沿，也是2011年第26届世界大学生运动会的举办城市。深圳大运会主会场位于深圳市龙岗区奥体新城核心地段，由主体育场、主体育馆、游泳馆及室外运动场等各种场馆及附属设施组成。本文将从大运会主场馆外维护结构施工中特殊材料的选用和使用性能等进行介绍，并通过对该项目的介绍使大家了解聚碳酸酯板、XIR夹层玻璃、真空玻璃等新型建筑节能材料的特点及在建筑幕墙应用领域中的发展前景。马鞍形主体育场，屋面为浅绿色“聚碳酸酯板”，立面为普通夹胶玻璃幕墙；圆形主体育馆，屋面为浅绿色“聚碳酸酯板”，立面为浅绿色“XIR”夹层玻璃幕墙；游泳馆四周为中空Low-E玻璃幕墙，屋面为“XIR”夹层玻璃幕墙。三大场馆所使用的材料中，有“聚碳酸酯板”和“XIR”夹层玻璃2种特殊材料，聚碳酸酯板并不是很常用的建筑材料，这么大面积在体育场馆上使用国内也是罕见；“XIR”是新型的节能材料，应用于建筑玻璃，使幕墙达到良好的节能效果；谈及节能玻璃，还有一种不能不说的就是“真空玻璃”，“真空玻璃”也是近几年展现在幕墙舞台上的新型节能产品。下面对上述3种材料的性能特点分别进行介绍，使大家能够有更进一步的了解和认识：1．聚碳酸酯板聚碳酸酯板：俗称PC板，也有称耐力板的，相对玻璃而言，是一种新型高强度、隔热、透光、轻便的建筑材料。聚碳酸酯板的一般物理性能：(1)光学性能：透光率一般达50%～92%。遮阳系数：≤0.50(2)抗冲击性能：PC板的耐冲击能量为相同厚度普通玻璃的200倍，且具不碎性能；(3)耐候性能：PC板可以在-40～120℃范围保持各项物理指标的稳定性；(4)防结露性能：室外温度为0℃，室内温度为23℃，室内相对湿度80%时，材料的内表面不结露；(5)阻燃性能：国家标准GB50222—95确认，PC板为难燃1级，即B1级；(6)隔声性能：在厚度相同的条件下，PC板的隔声量比玻璃提高3～4dB；(7)加工性能：单层PC板可用真空成型法及压力成型法加工多种造型的制件；(8)重量轻：单层PC板的重量为相同厚度玻璃的50%；(9)热性能：在厚度相同的条件下，PC板可比玻璃节能；(10)热膨胀系数：≤7×10-5；(11)热变形温度：≥135℃。聚碳酸酯板是化工合成的有机产品，他的热膨胀系数为7×10-5，大约是玻璃的7倍，是铝合金型材的3倍，其物理性能参数与普通的铝型材或者玻璃相差较大，因此，作为幕墙面材使用时，在结构设计方面要充分考虑PC板受环境温度影响而产生形变位移的特性，避免因刚性连接造成局部应力过大而损坏结构的安全使用性能。聚碳酸酯板在工程实例中最好采用明框压板结构，比如2004年雅典奥体主会场、2008年沈阳奥体分会场等，明框结构适应面材热变位能力很强。问题是，本工程建筑师要求一定要采用隐框的结构形式。但作为化工产品的聚碳酸酯板材，国内外建筑用胶(包括美国GE、道康宁)的供应商均不能提供其与结构胶的相容性试验报告，面材无法使用结构胶与铝合金附框粘接，所以常规的隐框做法无法实现。换言之，即使可以与结构胶粘接，但是结构胶的工作变位能力也是无法满足聚碳酸酯板的热变位需求，因此，给工程设计造成了很大难度。最后选择面材边缘规律性打孔，采用不锈钢工艺螺栓与铝合金压板相结合的结构，并把PC板的热位移性能转移到铝合金附框上的设计概念。如图2所示，大运会聚碳酸酯板屋面的节点，看起来比较复杂，结构尺寸较大，但都是因为聚碳酸酯板的物理性能所致。采用双道16mm宽的耐候胶密封，中间用铝合金构件隔离，目的是满足大板块PC板热变形的需要；板材下表面铝合金附框为大孔，并且采用更大的铝合金垫片，当板材带动工艺螺栓移动时，可以相对附框产生变位，也是为满足PC板物理性能的需要。聚碳酸酯板的颜色、光学性能及遮阳等参数均可根据需要生产控制。关于聚碳酸酯板在实际应用中比如大型体育场的采光屋面，建筑采光中庭，户外广告灯箱及公交站牌等都有使用，因此，不再详述，下面主要介绍“XIR”和“真空”2种新型节能玻璃材料在建筑幕墙领域的应用。2．XIR夹层玻璃XIR膜最早是美国华裔科学家在硅谷的研究成果，后应用于各种工业玻璃。XIR膜是一种新型节能膜材料，由波长选择性材料在光学透明的塑料薄膜上溅射形成，通过内侧玻璃的颜色和透光度可以调节阳光控制性能(可见光透过与阳光积热系数之比)以满足不同的设计需求。XIR夹层玻璃将热反射薄膜复合于两侧玻璃和PVB胶片中间，实现独特的低反射，高透光性能，并反射50%以上的非可见热辐射(见图3)。XIR夹层玻璃可用于垂直，倾斜或水平的天顶安装，制造成平面或曲面形状，为从玻璃幕墙到巨型玻璃天顶的各种建筑窗节能提供多样化选择。在各种单片或集成为密封中空玻璃的使用方式下，XIR薄膜可以与PVB组合夹层于普通退火、热强化或钢化透明玻璃之间，也可以与着色PVB一起与玻璃结合使用。2011年深圳大运会主体育馆和游泳馆都是封闭式的体育场馆，技术集成网络管理，配套设施先进，因此，外围护结构的档次标准相应提高，体育馆的立面幕墙、游泳馆屋面均采用8+1.14PVB+XIR+1.14PVB+8mm的浅绿色夹层玻璃。XIR夹层玻璃表面上看与普通夹胶玻璃是一样的。XIR夹层玻璃是在2层PVB中间复合XIR膜后再与2片玻璃复合成夹层玻璃，普通夹胶玻璃中间就是单一的1层PVB胶片。在幕墙上的使用与普通夹胶玻璃一样和铝合金附框组合形成幕墙用玻璃板块。图4为大运会XIR夹胶玻璃顶节点图。2.1XIR夹层玻璃优点：(1)高达72%的优异可见光透过滤；(2)低至8%的可见光反射率，高度透明；(3)高达99.5%的紫外线阻挡性能，减少室内事物退色；(4)阳光得热系数低至0.41～0.47左右，降低空调通风系统的运行成本，增加舒适度。阳光得热系数(SHGC)：透过玻璃进入室内的太阳能量与入射到玻璃外表面的太阳能量的比值。XIR夹层玻璃也可以组合成夹层中空玻璃使用，XIR夹层中空玻璃由一片XIR夹层玻璃和另一单片玻璃通过空气隔条和结构胶形成夹层中空玻璃，在阻隔近红外线和紫外线的同时也起隔热作用，一年四季永远保持舒适的室内温度。2.2XIR夹层中空玻璃优点(1)自然色彩还原，高度清晰；(2)高度透明，60%自然光透过；(3)低眩光高清晰，12%可见光反射率；(4)低吸热，不需要高成本钢化玻璃；(5)低传热系数[U值=0.35W/(m2·K)]，高节能；(6)低达0.3的阳光积热系数，降低通风空调系统的造价和能耗成本；(7)平面与曲面上的一致色彩外观。2.3经济性、节能性比较与XIR玻璃相比，在玻璃片数及规格相同的情况下，一次性投资肯定是普通Low-E中空玻璃经济，但从长期使用的经济性和节能性方面考虑就不一定了，下面关于XIR玻璃与普通中空Low-E玻璃做一简单比较：(1)XIR膜在生产程序和使用性能上，必须依附于2层PVB胶片之间，因此，XIR玻璃最低也是这样配置：单片玻璃+PVB+XIR+PVB+单片玻璃，因此，称之为“XIR”夹层玻璃，在此基础上也可继续合成中空玻璃使用；而普通Low-E玻璃因为Low-E膜不能长期暴露于空气中的缘故而必须合成中空玻璃使用，基本配置为：单片玻璃(Low-E膜)+空气层+单片玻璃。数据显示XIR玻璃的物理及化学分子稳定，节能和使用性能均优于普通中空Low-E玻璃；(2)生产工艺方面比较(见表1)；(3)技术性能指标(见表2)。XIR玻璃在欧洲应用较早，除本工程外，目前在国内工程实例有深圳机场信息指挥大厦、济南国际新机场、深圳大学建筑设计院大楼、深圳华为技术公司等，项目并不多，但随着越来越多同类项目的启动和人们对XIR节能材料优点的逐步认识，XIR在建筑幕墙应用领域的拓展步伐也会逐步升温。表2技术性能指标数据项目XIR夹层玻璃普通Low-E中空玻璃配置单片玻璃+PVB+XIR+PVB+单片玻璃单片玻璃（Low-E膜）+空气层+单片玻璃市场状况欧美市场应用较早，2003年进入中国市场，逐步应用于汽车玻璃和建筑玻璃行业，由于高节能性原因，正在越来越多的应用于幕墙行业在建筑幕墙行业中，不论国内外目前仍处于主要应用地位产品寿命XIR系列玻璃制作工艺严谨、性能稳定、寿命长，均能与玻璃达到同等耐用程度该产品性能、使用寿命与其空腔密封性能关系密切，一般寿命10～15年左右价格比较XIR玻璃价格是同配置Low-E玻璃的3～5倍最优特性保证高遮阳、低传热的情况下达到高度的通透性，获得比Low-E玻璃更好的创作空间若满足高遮阳的使用性能，则其通透性逐渐降低安全性能因PVB胶层原因，即使被击碎也不会脱落伤人受外力冲击时易碎，脱落伤人遮阳系数最小值：0.27最小值：0.22传热系数最小值：2.89最小值：1.6紫外线屏蔽99.8%65%左右红外线屏蔽99.9%37%左右可见光反射率RVIS8%19%左右可见光透过率TVIS70%左右在线：60%左右离线：70%左右适用范围适用于几乎所有的情形：垂直、水平、倾斜、曲面等适用情形：垂直、水平、倾斜等3．真空玻璃随着真空玻璃技术的逐步完善和成熟，真空玻璃在建筑幕墙领域的地位也逐步显现出来，因其高效的节能效果和良好的室内环境的营造，使越来越多的客户开始了解和认识了真空玻璃。目前国内使用真空玻璃的建筑幕墙有北京天恒大厦、清华大学超低能耗示范楼等十几个已建项目。真空玻璃是将2片平板玻璃四周密闭起来，2片玻璃之间的间隙为0.1～0.2mm，其间布有细小支撑物，将其间隙抽成真空并密封排气孔，真空度＜1×10-2Pa。传热系数K值＜1.0W/(m2·K)，这种玻璃为真空玻璃，简称“真玻”。真空玻璃的2片一般至少有1片是低辐射玻璃，这样就将通过真空玻璃的传导、对流和辐射方式散失的热降到最低。真空玻璃是玻璃工艺与材料科学、真空技术、物理测量技术、工业自动化及建筑科学等多种学科、技术、工艺协作配合的硕果(见图6)。真空玻璃工作原理与保温瓶的原理一样，靠的是内部真空。要保持真空玻璃的真空，主要取决于4边与封口密封的质量和科学的排气工艺，另外在真空玻璃间隔中置有吸气剂，可随时吸附使用过程中的微量放气。真空玻璃的设计寿命长达50年。（1）保温隔热性能热传递通常有3种方式：对流、传导和辐射。由于真空玻璃中间是真空层，基本上消除了对流传热和传导传热，同时组成真空玻璃的原片玻璃可以选择低辐射膜玻璃即Low-E玻璃，能够大幅度降低辐射传热。真空玻璃与中空玻璃相比保温性能更好，热阻更高。据国家建筑工程质量监督检测中心提供的数据显示：真空玻璃的保温性能是普通中空玻璃的2倍，是单片玻璃的4倍。（2）防雾防露中空玻璃在使用中有产生雾气或结露的现象，影响采光和视野清晰。真空玻璃具有较好的隔热性能，室内一侧玻璃表面温度不易下降，即使室外温度很低，也不易形成雾结露。此外，真空玻璃中间是真空层，绝不会发生中空玻璃由于间隔中含有湿气，在降温时出现的内结露现象。（3）隔声性能真空玻璃特有的构造，对声音的传播可大幅度降低，在整个音域范围都可实现良好的隔音。降低外界噪音传入，室内生活声音也不易外传，总的隔音效果要比中空玻璃好，容易给人们创造一个良好的室内环境。（4）抗风压性能真空玻璃中的2片玻璃，通过支撑物牢固地压在一起，具有与同等厚度的单片玻璃相近的刚性，一般来说它的耐风压性能是中空玻璃的1.5倍。（5）超长的耐久性真空玻璃是一种新产品，目前国内外尚无相应标准，更无相应的测试方法。真空玻璃不同于中空玻璃。因此，不能完全按中空玻璃试验方法进行，而主要参照GBll944-89中空玻璃标准而拟定紫外线照射、气候循环、高温高湿度试验。试验表明即使是在苛刻的条件下真空玻璃同样具有长期稳定耐久性能。真空玻璃具有优异的保温隔热性能，其性能指标明显优于中空玻璃，一般中空Low-E玻璃的传热系数为1.7～1.8W/(m2·K)左右，真空玻璃的传热系数达到1.2W/(m2·K)，一片只有6mm厚的真