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1．节能规范对幕墙设计的要求
近些年来，整个地球因为能耗过快而出现了暖冬，气候变化幅度加大，为了减低能耗，更好的保护地球，给大家一个绿色的生态生活环境，国家和地方新颁布了多本规范来要求公共与民用建筑的节能标准。这就催生了一个新的建筑型材即隔热型材的使用。在国外，尤其是那些欧洲国家，因为冬季寒冷，隔热型材已经很广泛的在幕墙门窗中使用。
2．隔热型材的材料组成和工艺
隔熱铝型材由铝型材和尼龙隔热条构成。利用隔热条将铝合金型材分隔成两个部分。
如下图所示：
目前常用的隔热条为带强化玻璃纤维的聚酰胺尼龙66。聚酰胺尼龙66是一种人工合成的热塑胶树脂，由碳酸氢硅酸和双胺化合物聚合，再经过一系列的缩聚作用，再加入25%玻璃纤维达到强化作用，这种隔热条称为“PA66KF25”或简称“PA66”、“隔热强化尼龙条”。
表1 尼龙隔热条性能参数
材料名称 技术参数 尼龙66树脂
拉伸强度MPa 110
线性膨胀系数（1/℃） 3.08×10－5
弹性模量MPa 7420
导热系数W／m2．k 2.50
隔热材料不是金属如果热膨胀系数和铝材膨胀系数差距很大,就会在二者之间产生较大的应力，同时，隔热材料和铝型材组合成为一体，在幕墙结构中，同样和铝材一样受力，因此要求，隔热材料还必须有和铝合金型材相接近的抗拉强度，抗弯强度，膨胀系数和弹性模量，否则就会使隔热断桥遭到断开和破坏。因此用什么材料做隔热材料是非常重要的。由于材料使用不当（有的采用线膨胀系数与铝合金的线膨胀系数相差甚远的PVC断热条替代尼龙66断热条）、产品质量不稳定、工程管理不到位等各种现实因素，导致断热铝型材在实际工程安装长期使用后仍然存在由于热胀冷缩、衔接不牢的原因会造成断热条在铝型材内出现松动问题，轻则导致松动、变形，从而破坏气密性和水密性，重则导致整体松散、脱离。
隔热铝型材按生产工艺可分成两大类：一类是穿条式，一类是注胶式。穿条式隔热铝型材是采用带强化玻璃纤维的聚酰胺尼龙制成的断热条，插入两根铝型材专门的槽口内，经过专用机床滚压、连成一体。目前国内市场超过86％采用的是穿条式隔热铝型材。不论穿条式还是注胶式断热铝型材，工艺要求均很严格，如断桥在二种铝材间衔接不牢，也将会造成严重的后果。
3．隔热型材截面结构设计的要求
下面举个例子来进行隔热型材的计算.
例1:江苏省常州市某工程立柱,采用如下图所示隔热型材,计算跨度L=3500mm,计算宽度B=1200mm,幕墙所处立面高度54米,墙面区域,采用简支梁力学模型.
解:高度变化系数μZC=0.616(Z/10)0.44=0.616×(54/10)0.44=1.29
脉动系数μfC=0.734(Z/10) - 0.22=0.734×(54/10)- 0.22=0.506
阵风系数βgz=0.85×(1+2ufC)=0.85×(1+2×0.506)=1.71
支承结构从属面积 1.2m×3.2m =3.84m2log3.84=0.584
体型系数 μS1（3.84）= -1.0+[0.8×（-1.0）-（-1.0）]×0.584= -0.88
μS1= -0.88+（-0.2）= -1.08
风荷载标准值WK=βgzμZ1μS1W0=1.71×1.08×1.29×0.4=0.96kN/m2
因为Wk=0.96kN/m2 < 1.0 kN/m2 (建筑幕墙GBT21086-2007要求)
所以取Wk=1.00kN/m2进行下面的计算.
风荷载设计值 W=1.4WK=1.4×1.0=1.4 kN/m2
风荷载线荷载设计值 q=BWK =1.0×1.2=1.2 kN/m=1.2 N/mm
风荷载线荷载设计值 qW=BW=1.4×1.2=1.68 kN/m=1.68 N/mm
立柱截面特性如下：（6063-T5铝）
由上图可知：A1=908mm^2A2=156mm^2
Ix1=1592940mm^4 Ix2=6230mm^4
Wx1=22343mm^3 Wx2=573mm^3
a1=15mm a2=89mm
L=3500mm
c=60N/mm^2(注明:组合弹性值由铝材厂通过试验给出)
计算组合截面的惯性矩
Is= Ix1+Ix2+A1*a1^2+A2*a2^2
= 1592940+6230+908*15^2+156*89^2
= 3039146 mm^4
ν= (A1*a1^2+A2*a2^2)/Is
= (908*15^2+156*89^2)/3039146
= 0.474
λ^2= c*a^2*L^2/(E.Is)*ν*(1-ν)
= 60*(15+89)^2*3500^2/((70000*3039146)*0.474*(1-0.474))
= 149.879
C= λ^2/(π^2+λ^2)
= 149.879/(3.14^2+149.879)
= 0.938
Ief= Is*(1-ν)/(1-ν*C)
= 3039146*(1-0.474)/(1-0.474*0.938)
= 2878332 mm^4
综合得出立柱的截面特性
A= 1064mm^4
Ief= 2878332 mm^4
Wx= 2878332/98= 29371 mm^3
幕墙立柱的强度校核:N/A+M/γ/Wx ≤ｆa= 90 N/mm^2
立柱的弯矩设计值 M=qW*l^2/8 = 1.68*3500^2/8= 2572500 N.mm
立柱的轴力设计值 (幕墙自重取Gak=0.5 kN/m^2)
N= 1.2*L*Gak*B
= 1.2*0.5*3500*1.2
= 2520 N
立柱的最大承载力
σ= N / A + M / 1.05 / Wx
= 2520/1064 + 2572500/1.05/29371
= 83.21 N/mm^2 < 90 N/mm^2 强度满足要求.
幕墙立柱的挠度校核Umax≤L/180 = 19.44 mm
立柱的最大变形
Umax= 5*qk*L^4/(384*E*Ief)
= 5*1.2*3500^4/(384*70000*2878332)
= 11.64 mm < 19.44 mm挠度满足要求.
通过上面的例子可以看到在变形还有很大余量的时候,应力已经接近6063-T5的允许值了。 在断热幕墙结构中，隔热材料和铝材一样受力，要求隔热材料必须有和铝合金型材相接近的抗拉强度，抗弯强度，膨胀系数和弹性模量，虽然通过特殊的偶联剂配方，可最大限度地提高玻璃纤维与尼龙基体树脂间的作用力，赋予断热条一定的力学性能，但其拉伸强度低于铝型材，两者组合后削弱了铝型材的力学性能，导致不能充分利用铝型材的受力能力而浪费铝材料。如果你在设计隔热铝型材的时候为了充分利用资源,譬如使用6063-T6的铝型材且应力超过了110MPa,就会导致幕墙铝料还没有用到极致的时候,已经出现了损坏,这就是隔热条已经到了它的使用极限.所以在隔热型材的结构计算工程中要谨记隔热条的使用范围,不要因大失小.且隔热条的抗剪性能很差,在设计中要避免隔热条承受很大的剪力,发生剪切破坏.
4．隔热型材对节能设计的影响
下面对无锡某工程单元式玻璃幕墙采用隔热型材和非隔热型材的传热系数进行比较。
此工程玻璃采用8+1.52PVB+6+12A+8mm夹胶中空双银Low-e玻璃，利用美国劳伦斯伯克利实验室的WINDOW5.2 模拟计算软件，可以得到玻璃配置中心处的传热系数如下。
Name: 玻璃
Tilt: 90.0
Glazings: 2
KEFF: 0.0310
Width : 35.447
Uvalue: 1.64
SHGCc : 0.29
SCc : 0.34
Vtc : 0.11
RHG : 227.46
Glass and Gas Data for Glazing System '2 玻璃'
ID NameD(mm) Tsol1 Rsol 2 Tvis1 Rvis 2Tir1 Emis 2 Keff
------ --------------- ----- ---- ---- ---- ---- ---- ---- ---- ---- ---- ----
Outside
35535 8CTL145S/1.52PV# 15.4 .331 .119 .171 .448 .158 .200 .000 .840 .100 .731
1 Air12.0.031
43838 CTL540_08.prn#8.0 .161 .092 .252 .246 .116 .216 .000 .834 .630 1.00
Inside
窗框的传热系数可以在THERM5.2中建模计算得到。取如下图所示的计算单元，将单元分为金属框区域Af、靠近金属框的玻璃区域Ae(距框边缘63.5mm内的玻璃区域)以及玻璃中心处区域Ag，然后用THERM5.2模拟并计算出各区域的传热系数，再通过加权平均得出整体玻璃单元的传热系数。
a．采用普通铝合金框6Low+9A+6，模拟结果:
节点1：
節点2：
节点模拟计算结果
单元编号 节点编号 框传热Uf
W/(m2•K) 框面积Af (mm2) 玻璃边缘区域传热UegW/(m2•K) 玻璃边缘区域面积Aeg(mm2)
计算单元 节点1 12.7491 310000 2.1184 393700
节点2 10.7710 125000 1.6525 158750
玻璃幕墙单元的整体传热系数可由以下公式得到:
U=(ΣAg•Ug+ΣAf•Uf+ΣAeg•Ueg)/A
对计算单元统计可得:
Ug=1.64W/(m2•K)；Ag=2887550mm2；A=3875000mm2
由此可得计算单元的传热系数为U=2.9W/(m2K)。
b．采用断桥铝合金10Low+12A+8，模拟结果:
节点1：
节点2：
节点模拟计算结果
单元编号 节点编号 框传热Uf
W/(m2•K) 框面积Af (mm2) 玻璃边缘区域传热UegW/(m2•K) 玻璃边缘区域面积Aeg(mm2)
计算单元 节点1 9.7713 310000 1.6055 393700
节点2 7.2866 125000 1.5367 158750
玻璃幕墙单元的整体传热系数可由以下公式得到:
U=(ΣAg•Ug+ΣAf•Uf+ΣAeg•Ueg)/A
对计算单元统计可得:
Ug=1.64W/(m2•K)；Ag=2887550mm2；A=3875000mm2
由此可得计算单元的传热系数为U=2.47W/(m2K)。
从上述结果可以看出在其它条件相同的情况下，使用隔热型材其传热系数可以降低17%，在实际的幕墙工程中大家可以根据具体情况具体分析，选择最经济合适的系统进行设计，为社会创造更多的利益。
参考文献
《民用建筑热工设计规范》GB50176-93
《公共建筑节能设计标准》 GB50189-2005
《玻璃幕墙光学性能》 GB/T18091-2000
《建筑幕墙》 GB/T21086-2007
《建筑玻璃可见光、透射比等以及有关窗玻璃参数的测定GB/T 2680-94
《建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程》 JGJ/T151-2008
《民用建筑隔声设计规范》GBJ118-88
《建筑节能工程施工质量验收规范》 GB50411-2007
《国务院办公厅关于严格执行公共建筑空调温度控制标准的通知》国办发2007-42号文]
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
近些年来，整个地球因为能耗过快而出现了暖冬，气候变化幅度加大，为了减低能耗，更好的保护地球，给大家一个绿色的生态生活环境，国家和地方新颁布了多本规范来要求公共与民用建筑的节能标准。这就催生了一个新的建筑型材即隔热型材的使用。在国外，尤其是那些欧洲国家，因为冬季寒冷，隔热型材已经很广泛的在幕墙门窗中使用。
2．隔热型材的材料组成和工艺
隔熱铝型材由铝型材和尼龙隔热条构成。利用隔热条将铝合金型材分隔成两个部分。
如下图所示：
目前常用的隔热条为带强化玻璃纤维的聚酰胺尼龙66。聚酰胺尼龙66是一种人工合成的热塑胶树脂，由碳酸氢硅酸和双胺化合物聚合，再经过一系列的缩聚作用，再加入25%玻璃纤维达到强化作用，这种隔热条称为“PA66KF25”或简称“PA66”、“隔热强化尼龙条”。
表1 尼龙隔热条性能参数
材料名称 技术参数 尼龙66树脂
拉伸强度MPa 110
线性膨胀系数（1/℃） 3.08×10－5
弹性模量MPa 7420
导热系数W／m2．k 2.50
隔热材料不是金属如果热膨胀系数和铝材膨胀系数差距很大,就会在二者之间产生较大的应力，同时，隔热材料和铝型材组合成为一体，在幕墙结构中，同样和铝材一样受力，因此要求，隔热材料还必须有和铝合金型材相接近的抗拉强度，抗弯强度，膨胀系数和弹性模量，否则就会使隔热断桥遭到断开和破坏。因此用什么材料做隔热材料是非常重要的。由于材料使用不当（有的采用线膨胀系数与铝合金的线膨胀系数相差甚远的PVC断热条替代尼龙66断热条）、产品质量不稳定、工程管理不到位等各种现实因素，导致断热铝型材在实际工程安装长期使用后仍然存在由于热胀冷缩、衔接不牢的原因会造成断热条在铝型材内出现松动问题，轻则导致松动、变形，从而破坏气密性和水密性，重则导致整体松散、脱离。
隔热铝型材按生产工艺可分成两大类：一类是穿条式，一类是注胶式。穿条式隔热铝型材是采用带强化玻璃纤维的聚酰胺尼龙制成的断热条，插入两根铝型材专门的槽口内，经过专用机床滚压、连成一体。目前国内市场超过86％采用的是穿条式隔热铝型材。不论穿条式还是注胶式断热铝型材，工艺要求均很严格，如断桥在二种铝材间衔接不牢，也将会造成严重的后果。
3．隔热型材截面结构设计的要求
下面举个例子来进行隔热型材的计算.
例1:江苏省常州市某工程立柱,采用如下图所示隔热型材,计算跨度L=3500mm,计算宽度B=1200mm,幕墙所处立面高度54米,墙面区域,采用简支梁力学模型.
解:高度变化系数μZC=0.616(Z/10)0.44=0.616×(54/10)0.44=1.29
脉动系数μfC=0.734(Z/10) - 0.22=0.734×(54/10)- 0.22=0.506
阵风系数βgz=0.85×(1+2ufC)=0.85×(1+2×0.506)=1.71
支承结构从属面积 1.2m×3.2m =3.84m2log3.84=0.584
体型系数 μS1（3.84）= -1.0+[0.8×（-1.0）-（-1.0）]×0.584= -0.88
μS1= -0.88+（-0.2）= -1.08
风荷载标准值WK=βgzμZ1μS1W0=1.71×1.08×1.29×0.4=0.96kN/m2
因为Wk=0.96kN/m2 < 1.0 kN/m2 (建筑幕墙GBT21086-2007要求)
所以取Wk=1.00kN/m2进行下面的计算.
风荷载设计值 W=1.4WK=1.4×1.0=1.4 kN/m2
风荷载线荷载设计值 q=BWK =1.0×1.2=1.2 kN/m=1.2 N/mm
风荷载线荷载设计值 qW=BW=1.4×1.2=1.68 kN/m=1.68 N/mm
立柱截面特性如下：（6063-T5铝）
由上图可知：A1=908mm^2A2=156mm^2
Ix1=1592940mm^4 Ix2=6230mm^4
Wx1=22343mm^3 Wx2=573mm^3
a1=15mm a2=89mm
L=3500mm
c=60N/mm^2(注明:组合弹性值由铝材厂通过试验给出)
计算组合截面的惯性矩
Is= Ix1+Ix2+A1*a1^2+A2*a2^2
= 1592940+6230+908*15^2+156*89^2
= 3039146 mm^4
ν= (A1*a1^2+A2*a2^2)/Is
= (908*15^2+156*89^2)/3039146
= 0.474
λ^2= c*a^2*L^2/(E.Is)*ν*(1-ν)
= 60*(15+89)^2*3500^2/((70000*3039146)*0.474*(1-0.474))
= 149.879
C= λ^2/(π^2+λ^2)
= 149.879/(3.14^2+149.879)
= 0.938
Ief= Is*(1-ν)/(1-ν*C)
= 3039146*(1-0.474)/(1-0.474*0.938)
= 2878332 mm^4
综合得出立柱的截面特性
A= 1064mm^4
Ief= 2878332 mm^4
Wx= 2878332/98= 29371 mm^3
幕墙立柱的强度校核:N/A+M/γ/Wx ≤ｆa= 90 N/mm^2
立柱的弯矩设计值 M=qW*l^2/8 = 1.68*3500^2/8= 2572500 N.mm
立柱的轴力设计值 (幕墙自重取Gak=0.5 kN/m^2)
N= 1.2*L*Gak*B
= 1.2*0.5*3500*1.2
= 2520 N
立柱的最大承载力
σ= N / A + M / 1.05 / Wx
= 2520/1064 + 2572500/1.05/29371
= 83.21 N/mm^2 < 90 N/mm^2 强度满足要求.
幕墙立柱的挠度校核Umax≤L/180 = 19.44 mm
立柱的最大变形
Umax= 5*qk*L^4/(384*E*Ief)
= 5*1.2*3500^4/(384*70000*2878332)
= 11.64 mm < 19.44 mm挠度满足要求.
通过上面的例子可以看到在变形还有很大余量的时候,应力已经接近6063-T5的允许值了。 在断热幕墙结构中，隔热材料和铝材一样受力，要求隔热材料必须有和铝合金型材相接近的抗拉强度，抗弯强度，膨胀系数和弹性模量，虽然通过特殊的偶联剂配方，可最大限度地提高玻璃纤维与尼龙基体树脂间的作用力，赋予断热条一定的力学性能，但其拉伸强度低于铝型材，两者组合后削弱了铝型材的力学性能，导致不能充分利用铝型材的受力能力而浪费铝材料。如果你在设计隔热铝型材的时候为了充分利用资源,譬如使用6063-T6的铝型材且应力超过了110MPa,就会导致幕墙铝料还没有用到极致的时候,已经出现了损坏,这就是隔热条已经到了它的使用极限.所以在隔热型材的结构计算工程中要谨记隔热条的使用范围,不要因大失小.且隔热条的抗剪性能很差,在设计中要避免隔热条承受很大的剪力,发生剪切破坏.
4．隔热型材对节能设计的影响
下面对无锡某工程单元式玻璃幕墙采用隔热型材和非隔热型材的传热系数进行比较。
此工程玻璃采用8+1.52PVB+6+12A+8mm夹胶中空双银Low-e玻璃，利用美国劳伦斯伯克利实验室的WINDOW5.2 模拟计算软件，可以得到玻璃配置中心处的传热系数如下。
Name: 玻璃
Tilt: 90.0
Glazings: 2
KEFF: 0.0310
Width : 35.447
Uvalue: 1.64
SHGCc : 0.29
SCc : 0.34
Vtc : 0.11
RHG : 227.46
Glass and Gas Data for Glazing System '2 玻璃'
ID NameD(mm) Tsol1 Rsol 2 Tvis1 Rvis 2Tir1 Emis 2 Keff
------ --------------- ----- ---- ---- ---- ---- ---- ---- ---- ---- ---- ----
Outside
35535 8CTL145S/1.52PV# 15.4 .331 .119 .171 .448 .158 .200 .000 .840 .100 .731
1 Air12.0.031
43838 CTL540_08.prn#8.0 .161 .092 .252 .246 .116 .216 .000 .834 .630 1.00
Inside
窗框的传热系数可以在THERM5.2中建模计算得到。取如下图所示的计算单元，将单元分为金属框区域Af、靠近金属框的玻璃区域Ae(距框边缘63.5mm内的玻璃区域)以及玻璃中心处区域Ag，然后用THERM5.2模拟并计算出各区域的传热系数，再通过加权平均得出整体玻璃单元的传热系数。
a．采用普通铝合金框6Low+9A+6，模拟结果:
节点1：
節点2：
节点模拟计算结果
单元编号 节点编号 框传热Uf
W/(m2•K) 框面积Af (mm2) 玻璃边缘区域传热UegW/(m2•K) 玻璃边缘区域面积Aeg(mm2)
计算单元 节点1 12.7491 310000 2.1184 393700
节点2 10.7710 125000 1.6525 158750
玻璃幕墙单元的整体传热系数可由以下公式得到:
U=(ΣAg•Ug+ΣAf•Uf+ΣAeg•Ueg)/A
对计算单元统计可得:
Ug=1.64W/(m2•K)；Ag=2887550mm2；A=3875000mm2
由此可得计算单元的传热系数为U=2.9W/(m2K)。
b．采用断桥铝合金10Low+12A+8，模拟结果:
节点1：
节点2：
节点模拟计算结果
单元编号 节点编号 框传热Uf
W/(m2•K) 框面积Af (mm2) 玻璃边缘区域传热UegW/(m2•K) 玻璃边缘区域面积Aeg(mm2)
计算单元 节点1 9.7713 310000 1.6055 393700
节点2 7.2866 125000 1.5367 158750
玻璃幕墙单元的整体传热系数可由以下公式得到:
U=(ΣAg•Ug+ΣAf•Uf+ΣAeg•Ueg)/A
对计算单元统计可得:
Ug=1.64W/(m2•K)；Ag=2887550mm2；A=3875000mm2
由此可得计算单元的传热系数为U=2.47W/(m2K)。
从上述结果可以看出在其它条件相同的情况下，使用隔热型材其传热系数可以降低17%，在实际的幕墙工程中大家可以根据具体情况具体分析，选择最经济合适的系统进行设计，为社会创造更多的利益。
参考文献
《民用建筑热工设计规范》GB50176-93
《公共建筑节能设计标准》 GB50189-2005
《玻璃幕墙光学性能》 GB/T18091-2000
《建筑幕墙》 GB/T21086-2007
《建筑玻璃可见光、透射比等以及有关窗玻璃参数的测定GB/T 2680-94
《建筑门窗玻璃幕墙热工计算规程》 JGJ/T151-2008
《民用建筑隔声设计规范》GBJ118-88
《建筑节能工程施工质量验收规范》 GB50411-2007
《国务院办公厅关于严格执行公共建筑空调温度控制标准的通知》国办发2007-42号文]
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。