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(shè)有進風(fēng)和排風(fēng)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(fēng)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(yīng)，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(shè)計成敞開式，內(nèi)側(cè)幕墻設(shè)計成開啟式，使空氣緩沖區(qū)域內(nèi)上下兩端進、排風(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)口，由吊頂內(nèi)的風(fēng)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(fēng)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(shè)備有較高的要求。與內(nèi)通風(fēng)雙層幕墻相反，敞開式外通風(fēng)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(shè)有進風(fēng)口和排風(fēng)口，由室外進入空氣，從上部排風(fēng)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(shè)備，完全靠自然通風(fēng)，維護和運行費用低，是目前應(yīng)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(shè)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(guān)服務(wù)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(gòu)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(shè)計的好處是使這兩個單體的平面比重相同。這座大樓的設(shè)計亮點為其設(shè)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(jié)構(gòu)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(gòu)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(shè)計依據(jù)

設(shè)計依據(jù)為聯(lián)創(chuàng)國際無界工作室建筑設(shè)計理念及建筑施工圖。設(shè)計依據(jù)及規(guī)范如下：《建筑設(shè)計防火規(guī)范》（GB50016-2006）、《高層民用建筑設(shè)計防火規(guī)范》（GB50045-95[2005]）、《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》（GB50057-94[2000]）、《公共建筑節(jié)能設(shè)計標準》（GB50189-2005）、《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009-2006）、《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB50017-2003）、《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50011-2001）、《建筑幕墻》（GB/T21086-2007）、《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》（JGJ102-2003）、《金屬與石材幕墻工程技術(shù)規(guī)范》（JGJ133-2001）、《建筑玻璃應(yīng)用技術(shù)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(jié)構(gòu)密封膠》（GB/T16776-2005）。

3.1.3 技術(shù)數(shù)據(jù)

寧波市北侖 50 年一遇的基本風(fēng)壓 W0= 0.50 kPa；主體結(jié)構(gòu)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(shè)防烈度：7 度；設(shè)計基本地震加速度值0.10g；年溫差最大值：80° C；幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限：25 年。

3.1.4 幕墻的物理性能指標

（1）抗風(fēng)壓性能：雙層幕墻內(nèi)層應(yīng)符合國標 GB/T15227-2005建筑幕墻抗風(fēng)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(yīng)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(yīng)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(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，γ=3/550，因此，設(shè)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(guān)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(shè)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(shè)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(shè)計應(yīng)形成自身的防雷體系，并與主體結(jié)構(gòu)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(dǎo)線與扁鐵連接，使幕墻防雷體系與主體防雷體系導(dǎo)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(yīng)符合生產(chǎn)安裝的技術(shù)規(guī)程及相關(guān)的行業(yè)規(guī)范標準。

3.1.9 其他

幕墻設(shè)計未盡之處按照相關(guān)規(guī)范執(zhí)行。所有構(gòu)件加工按照相關(guān)規(guī)范的規(guī)定進行。

3.2 呼吸幕墻設(shè)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(jié)構(gòu)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(gòu)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(shè)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(fēng)口和排風(fēng)口可以呈開啟和關(guān)閉狀態(tài)。冬季的時候，關(guān)閉進風(fēng)口和排風(fēng)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(dāng)打開空氣通道上下兩端的進排風(fēng)口，由于煙囪效應(yīng)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(fēng)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(fēng)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(shè)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(fēng)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(shè)在層間的通風(fēng)百葉兼作幕墻的出風(fēng)通道，百葉后設(shè)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(shè)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(yīng)與屏蔽效應(yīng)，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(shè)計理念。外層幕墻為明框設(shè)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(shè)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(shè)計示意圖

內(nèi)外層幕墻設(shè)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(shè)置了聯(lián)動控制的遮陽百葉簾，百葉簾通過明框結(jié)構(gòu)進行安裝固定，維護檢修便捷，運營高效。

3.2.2 通風(fēng)設(shè)計

樓層間的防雨通風(fēng)百葉是幕墻的進出風(fēng)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(yīng)及熱壓差與室內(nèi)空氣進行交換，引進新風(fēng)，帶走熱能（圖11）。

圖11 防雨通風(fēng)百葉設(shè)計示意圖

3.2.3 遮陽設(shè)計

熱通道設(shè)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(shè)計示意圖

3.2.4 隔聲設(shè)計

系統(tǒng)自身為雙層玻璃結(jié)構(gòu)，幕墻本身的構(gòu)造設(shè)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(shè)計

在層間出氣口部位的百葉窗背后設(shè)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(shè)計

所有層間設(shè)置了防火封堵，并按建筑防火分區(qū)設(shè)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(shè)，并用 1.5mm 鍍鋅鋼板包覆，所有防火材料與幕墻及結(jié)構(gòu)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(shè)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(shè)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(shè)計

在出氣口的百葉內(nèi)側(cè)設(shè)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(shè)計

通風(fēng)百葉兼作防雨百葉，間距設(shè)計滿足了在臺風(fēng)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(jié)構(gòu)設(shè)計

呼吸式幕墻的鋼掛件采用單元式設(shè)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(gòu)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(shè)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(shè)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(fēng)口設(shè)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(dāng)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(shè)計理念和藝術(shù)效果（圖13）。

圖13 江邊透視圖

4 結(jié)語

呼吸式幕墻技術(shù)的應(yīng)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(gòu)造特點決定其建設(shè)造價較其他種類幕墻高不少，因此其應(yīng)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，