1 基本概念

呼吸式幕墻不同于傳統(tǒng)幕墻,，它由外層幕墻、空氣間層和內(nèi)層幕墻組成,，又稱為雙層幕墻,。在兩層幕墻中間的空氣層是一個緩沖區(qū)域，在此緩沖區(qū)域的上下兩端設有進風和排風措施,，這一區(qū)域內(nèi)的空氣經(jīng)常處于流動狀態(tài),。其工作原理在于內(nèi)外兩層幕墻中間的空氣緩沖區(qū)域在冬季陽光的照射下溫度升高，如同一個溫室,，這樣有效提高了內(nèi)側(cè)幕墻的外表面溫度,，可減少建筑物采暖的運行費用。夏季內(nèi)外兩層幕墻中間的空氣緩沖區(qū)域內(nèi)溫度很高,，這時打開熱通道上下兩端的進排風口,，熱空氣自然向上運動，在緩沖區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生煙囪效應,，形成從下而上的空氣流,，運動的氣流帶走通道內(nèi)的熱量，這樣可以降低內(nèi)側(cè)幕墻的外表面溫度,，減少空調(diào)負荷,，從而節(jié)省能源,。通過將外側(cè)幕墻設計成敞開式,，內(nèi)側(cè)幕墻設計成開啟式,，使空氣緩沖區(qū)域內(nèi)上下兩端進、排風口的調(diào)節(jié)在通道內(nèi)形成負壓,，利用內(nèi)側(cè)幕墻的熱壓差和開啟扇在通道內(nèi)形成氣流,，進行通風換氣和熱量交流，仿佛在進行呼吸一般（圖1）,。故而這種幕墻被形象地稱為呼吸式幕墻,。

圖1 通風換氣示意圖

2 基本分類

呼吸式幕墻根據(jù)緩沖區(qū)域（熱通道）空氣流動方式的不同，可分為封閉式內(nèi)循環(huán)呼吸幕墻和敞開式外循環(huán)呼吸幕墻,。封閉式內(nèi)循環(huán)呼吸幕墻的外幕墻完全封閉,，從室內(nèi)的下通道口吸入空氣，在熱通道內(nèi)上升至上端排風口,，由吊頂內(nèi)的風管系統(tǒng)排出,，這一循環(huán)全程在室內(nèi)進行（圖2）。

圖2 封閉式內(nèi)循環(huán)呼吸幕墻

由于封閉式內(nèi)循環(huán)呼吸幕墻進風口進入的是室內(nèi)空氣,，熱通道中空氣溫度與室溫基本相同,，這就大大減少了取暖和制冷的能源消耗。這種形式的幕墻對嚴寒需取暖的地區(qū)更為有利,。但由于封閉式內(nèi)循環(huán)呼吸式雙層幕墻的循環(huán)是靠機械系統(tǒng)完成的,，所以對設備有較高的要求。與內(nèi)通風雙層幕墻相反,，敞開式外通風形式,，其內(nèi)層幕墻是封閉的且采用中空玻璃，外層幕墻采用單層玻璃,，設有進風口和排風口,，由室外進入空氣，從上部排風口排出,，經(jīng)過熱通道帶走熱量,，減少太陽輻射熱的影響從而達到節(jié)約能源的目的（圖3）。它無須專用機械設備,，完全靠自然通風,，維護和運行費用低，是目前應用較多的一種雙層幕墻形式,。

圖3 敞開式外循環(huán)呼吸幕墻

3 工程設計案例

3.1 工程基本情況說明

3.1.1 工程概況

寧波港保稅區(qū)海關服務中心大廈,，簡稱寧波保稅大廈（圖4~6），由兩幢各自呈長方形體塊的單體相交構成一個Y 形的建筑群體,，其互相面對的空間為一個共享的庭院,。這在許多城市的公共建筑中比較常見,。這一設計的好處是使這兩個單體的平面比重相同。這座大樓的設計亮點為其設計理念：環(huán)境控制,、低成本運作和易于維護,，從而成為一座節(jié)能環(huán)保的綠色建筑。

圖4 寧波保稅大廈（模型）

圖5 寧波保稅大廈

圖6 透視圖

本項目幕墻工程范圍主要包括以下幾部分：1）開放式干掛石材幕墻（FC1）,；2）單層索網(wǎng)結構玻璃幕墻（FC2）,；3）采光天窗玻璃幕墻（FC3）；4）玻璃欄板（FC4）,；5）車道入口雨篷（FC5）,；6）屋頂構架（FC6）；7）蜂窩石材吊頂（FC7）,；8）水晶玻璃旋轉(zhuǎn)門（FC8）,；9）呼吸式雙層幕墻（FC9）。

3.1.2 設計依據(jù)

設計依據(jù)為聯(lián)創(chuàng)國際無界工作室建筑設計理念及建筑施工圖,。設計依據(jù)及規(guī)范如下：《建筑設計防火規(guī)范》（GB50016-2006）,、《高層民用建筑設計防火規(guī)范》（GB50045-95[2005]）、《建筑物防雷設計規(guī)范》（GB50057-94[2000]）,、《公共建筑節(jié)能設計標準》（GB50189-2005）,、《建筑結構荷載規(guī)范》（GB50009-2006）、《鋼結構設計規(guī)范》（GB50017-2003）,、《建筑抗震設計規(guī)范》（GB50011-2001）,、《建筑幕墻》（GB/T21086-2007）、《玻璃幕墻工程技術規(guī)范》（JGJ102-2003）,、《金屬與石材幕墻工程技術規(guī)范》（JGJ133-2001）,、《建筑玻璃應用技術規(guī)程》（JGJ113-2009）、《鋁合金建筑型材》（GB/T5237-2004）,、《幕墻用鋼化玻璃與半鋼化玻璃》（GB17841-1999）,、《建筑用硅酮結構密封膠》（GB/T16776-2005）。

3.1.3 技術數(shù)據(jù)

寧波市北侖 50 年一遇的基本風壓 W0= 0.50 kPa,；主體結構類型：框架剪力墻,；地面粗糙度：B 類；建筑物防火等級：一級,；建筑物防雷等級：二級,；抗震設防烈度：7 度；設計基本地震加速度值0.10g,；年溫差最大值：80° C,；幕墻結構設計使用年限：25 年。

3.1.4 幕墻的物理性能指標

（1）抗風壓性能：雙層幕墻內(nèi)層應符合國標 GB/T15227-2005建筑幕墻抗風壓性能分級表 3 級要求,。

（2）雨水滲漏性能：雙層幕墻內(nèi)層應符合國標 GB/T15227-2005 建筑幕墻水密性能分級表 3 級要求,。

（3）空氣滲透性能：雙層幕墻外層大面積玻璃部分和內(nèi)層幕墻應符合國標 GB/T15225-2007 建筑幕墻水密性能分級表 4 級要求,。

（4）平面內(nèi)變形性能：主體結構為鋼筋混凝土框架結構，γ=3/550,，因此,，設計要求彈性角變位值確定為 3 級。根據(jù)建筑幕墻平面內(nèi)變形性能分級表要求而定,。

（5）保溫性能：本工程非透明部位幕墻傳熱系數(shù)確定為 8 級,，透明部位雙層幕墻傳熱系數(shù) (K=1.08 W/(m2·K)) 確定為 7 級,，透明部位普通幕墻傳熱系數(shù) (K=1.93 W/（m2·K）)確定為6級,遮陽系數(shù)確定為 6 級,。

（6）隔聲性能：根據(jù)玻璃的有效隔聲量，確定為 2 級,。

（7）耐撞擊性能：本工程幕墻耐撞擊性能大于 140N/s,。

3.1.5 材料選用

（1）玻璃：呼吸式幕墻外層幕墻的玻璃采用 10+1.52（PVB）+8mm 鋼化夾膠超白透明玻璃，內(nèi)層幕墻采用6（low-E）+12(A)+5mm 中空鋼化低輻射玻璃,。

（2）鋁合金型材：采用 6063-T5 優(yōu)質(zhì)鋁合金型材,，尺寸精度為高精級，符合國家標準有關規(guī)定,，表面氟碳噴涂：三涂兩烤,，平均膜厚不小于 40μm，最小局部膜厚不小于 34μm,。

3.1.6 防水密封設計

幕墻板塊間隙先嵌塞泡沫棒,，外注耐候密封膠，從而有效保證板塊間縫隙的密封質(zhì)量和抗雨水滲漏的能力,。

3.1.7 防雷設計

根據(jù)建筑防雷規(guī)范的二類防雷標準考慮,。幕墻防雷設計應形成自身的防雷體系，并與主體結構的防雷體系可靠連通,；幕墻防雷體系與主體建筑防雷體系間用有效截面積不小于 25cm2的銅編織導線與扁鐵連接,，使幕墻防雷體系與主體防雷體系導通，安裝完成后,，接地電阻不大于 10Ω,。

3.1.8 施工要求

幕墻施工安裝應符合生產(chǎn)安裝的技術規(guī)程及相關的行業(yè)規(guī)范標準。

3.1.9 其他

幕墻設計未盡之處按照相關規(guī)范執(zhí)行,。所有構件加工按照相關規(guī)范的規(guī)定進行,。

3.2 呼吸幕墻設計方案說明

寧波保稅大廈除了采用開放式干掛石材幕墻、單索結構玻璃幕墻,、采光天窗玻璃幕墻,、玻璃欄板、車道入口雨篷,、屋頂構架,、蜂窩石材吊頂和水晶玻璃旋轉(zhuǎn)門等幕墻系統(tǒng)以外,，四個立面上的大面積玻璃幕墻根據(jù)呼吸式幕墻工作原理選用了敞開式外循環(huán)呼吸幕墻，本文針對敞開式外循環(huán)呼吸式幕墻設計作如下敘述（圖7）,。

圖7 寧波保稅大廈

3.2.1 敞開式外循環(huán)呼吸幕墻工作原理

敞開式外循環(huán)呼吸式幕墻的進風口和排風口可以呈開啟和關閉狀態(tài),。冬季的時候，關閉進風口和排風口,，內(nèi)外兩層幕墻中間的空氣在陽光的照射下升溫,，像一個溫室。這樣等于提高了內(nèi)側(cè)幕墻的外表面溫度,，減少了室內(nèi)熱量的散失,，從而可以降低建筑物采暖的運行費用。夏季的時候,，內(nèi)外兩層幕墻之間的空氣溫度很高,，當打開空氣通道上下兩端的進排風口，由于煙囪效應產(chǎn)生氣流,，運動的氣流帶走通道內(nèi)的熱量,，這樣可以降低內(nèi)層幕墻的外表面溫度，減弱室外熱量對室內(nèi)的影響,，從而減少空調(diào)負荷,。通過通道內(nèi)上下兩端進排風口的調(diào)節(jié)，在通道內(nèi)形成負壓,，利用室內(nèi)兩側(cè)幕墻的壓差和開啟扇就可以在建筑物的外墻系統(tǒng)內(nèi)形成氣流,，進行通風換氣。這樣,，通過對太陽輻射能量的有效利用,，就可以顯著地節(jié)省能源。有分析資料顯示,，這種雙層玻璃幕墻與單層玻璃幕墻相比,，采暖時可以節(jié)約能源 42% ～ 52%，制冷時可以節(jié)約能源 38% ～ 60%,。因此,，敞開式外循環(huán)呼吸式幕墻是呼吸式幕墻發(fā)展的主流（圖8）。

圖8 敞開式外循環(huán)呼吸幕墻工作原理

本項目雙層幕墻的氣流組織模式將按照夏季,、冬季,、春秋季三個季節(jié)及有陽光、無陽光共六種工況進行設計,，并采用智能控制系統(tǒng)進行聯(lián)動控制（圖9）,。

圖9 氣流組織示意圖

注：玻璃盒子內(nèi)檢修窗可根據(jù)室內(nèi)通風要求進行選擇性開啟。

呼吸式幕墻由內(nèi)外層玻璃幕墻組成,，中間是氣流通道,。按氣流流通的循環(huán)方式分為封閉式內(nèi)循環(huán)和敞開式外循環(huán)兩種形式,，根據(jù)寧波地區(qū)夏季高溫持續(xù)時間長的氣候特點，宜采用敞開式外循環(huán)幕墻系統(tǒng),。設在層間的通風百葉兼作幕墻的出風通道,，百葉后設置有披水板排水系統(tǒng)，以防雨水滲透進入熱通道,，同時百葉后方層間部位設有防火巖棉和防火鋼板,。通道內(nèi)的頂?shù)锥瞬坎捎脹_孔鋁封板，以增大通道內(nèi)空氣流量,，達到了很好的換氣和節(jié)能的功效,。

外層幕墻采用的是明框玻璃幕墻，面板玻璃采用 10+1.52（PVB）+8mm 鋼化夾膠超白透明玻璃,，超白透明玻璃緩解了使用其他種類玻璃對建筑外立面的不利影響,，增進了建筑立面的通透,，視野開闊,，降低了光污染影響程度。由于陽光的透過率提高了,，能更好地利用煙囪效應與屏蔽效應,，滿足呼吸式幕墻的工作條件，實現(xiàn)了既節(jié)能環(huán)保又舒適安寧的設計理念,。外層幕墻為明框設計,，采用氟碳噴涂的鋁合金型材，安全可靠,，在保證使用功能的條件下,，達到了良好的視覺效果。

內(nèi)層幕墻采用斷熱鋁合金型材制作的大分格體系,，采用6（low-E）+12（A）+5mm 中空鋼化透明玻璃,，氣密性、水密性高,，開啟方式為手動內(nèi)開,，內(nèi)窗部配件選用德國優(yōu)質(zhì)四點鎖五金配件，開啟靈活,，操作方便,，不占用檢修通道空間，換氣效率高,，大分格設計有益于增強雙層幕墻的通透感,，提高了采光效果（圖10）。

圖10 呼吸幕墻橫剖設計示意圖

內(nèi)外層幕墻設計時,，玻璃均采用不等厚,，減少了玻璃的共振,，提高了隔音性能，增進了室內(nèi)工作的舒適度,。

外層幕墻與內(nèi)層幕墻之間凈尺寸為 530mm, 方便幕墻的清潔和維護檢修,，在通道間還設置了聯(lián)動控制的遮陽百葉簾，百葉簾通過明框結構進行安裝固定,，維護檢修便捷,，運營高效。

3.2.2 通風設計

樓層間的防雨通風百葉是幕墻的進出風口部位,，通道內(nèi)的頂?shù)锥巳坎捎脹_孔鋁封板,，根據(jù)室內(nèi)需要，內(nèi)窗按需啟閉調(diào)整,，使室外空氣通過煙囪效應及熱壓差與室內(nèi)空氣進行交換,，引進新風，帶走熱能（圖11）,。

圖11 防雨通風百葉設計示意圖

3.2.3 遮陽設計

熱通道設計,，考慮了裝置可控制自如的聯(lián)動遮陽百葉簾，百葉的角度可調(diào),，達到良好的遮陽和采光效果（圖12）,。

圖12 遮陽百葉設計示意圖

3.2.4 隔聲設計

系統(tǒng)自身為雙層玻璃結構，幕墻本身的構造設計和材料選擇就達到較高的隔聲效果,，隔聲性能可達45dB 以上,，提高了室內(nèi)的舒適性。

3.2.5 防水設計

在層間出氣口部位的百葉窗背后設置了有組織排水系統(tǒng),，一旦有雨水滲入時,，可有組織地順暢排出。

3.2.6 防火設計

所有層間設置了防火封堵,，并按建筑防火分區(qū)設計了防火幕墻及側(cè)向防火封堵,。防火封堵采用100mm 厚防火巖棉，密度不低于120kg/m3的防火巖棉連續(xù)鋪設,，并用 1.5mm 鍍鋅鋼板包覆,，所有防火材料與幕墻及結構體之間的填縫均采用防火密封膠，起到較好的防火防煙作用,。呼吸式幕墻凡在建筑平面防火分區(qū)的分界部位,，通道豎向設置了12mm 銫鉀防火玻璃和防火鋼板予以隔斷，滿足消防要求,。

3.2.7 防塵設計

在進氣口后側(cè)襯有可拆卸不銹鋼防塵網(wǎng),，網(wǎng)孔規(guī)格 20 目 /25.4mm，可方便清掃。

3.2.8 防蟲設計

在出氣口的百葉內(nèi)側(cè)設置不銹鋼防蟲網(wǎng),，網(wǎng)孔規(guī)格 4 目 /25.4mm,，以防止昆蟲或鳥類等進入空氣通道。

3.2.9 百葉設計

通風百葉兼作防雨百葉,，間距設計滿足了在臺風狀況下具有阻擋雨水和防止?jié)B透的能力,，從而有效保證了通道內(nèi)的防水功效。

3.2.10 鋼結構設計

呼吸式幕墻的鋼掛件采用單元式設計,，工廠化制作,，便于現(xiàn)場工業(yè)化安裝，提高了現(xiàn)場安裝進度,，縮短工期且確保板塊安裝時可作三維調(diào)整,，確保定位安裝精準，強度高,，安全可靠,。鋼構件表面進行熱浸鍍鋅處理并現(xiàn)場作必要防腐處理。

3.2.11 防電化腐蝕設計

不同金屬部件之間的接觸部位均作必要的防腐措施,，如涂絕緣漆或防腐隔離墊片進行隔離,。

3.2.12 清潔與維護設計

本工程所處區(qū)域環(huán)境的空氣污染指數(shù)不高，且在進出風口設置了防塵網(wǎng),，所以進入通道內(nèi)的灰塵量可控,，無需經(jīng)常清潔。按照規(guī)定定期清潔時,，人員只需通過內(nèi)層幕墻內(nèi)開窗進入通道內(nèi)即可。當外層玻璃發(fā)生意外時,，可直接在室內(nèi)進行更換,，操作安全又簡便。

本幕墻系統(tǒng)集中體現(xiàn)了開放與交流,、舒適與自然的人文氣息,，同時也展現(xiàn)了節(jié)能環(huán)保的建筑設計理念和藝術效果（圖13）。

圖13 江邊透視圖

4 結語

呼吸式幕墻技術的應用目前主要在歐美等國展開,，我國尚處于開始實踐階段,。由于呼吸式幕墻自身的構造特點決定其建設造價較其他種類幕墻高不少，因此其應用受到限制,。但從運營角度考慮,，建筑被動節(jié)能的效率遠高于主動節(jié)能，因此成本遠遠低于主動節(jié)能成本,。從長遠來看,，經(jīng)濟效益較明顯，所以在我國有一定的可行性。全面優(yōu)化,、鞏固節(jié)能環(huán)保幕墻是我國建筑節(jié)能的重要途徑,。

作者簡介：樊文，