浅谈玻璃采光顶的发展与设计

浅谈玻璃采光顶的发展与设计本文出自:能源世界网作者:lanyu1981点击率:858玻璃采光顶它最早是以房屋采光为目的，主要是为了解决室内的采光，后来逐渐发展成为现在的以装饰和采光为目的的一种新的建筑形式。玻璃采光顶的设计形式也愈来愈新颖，如宾馆、车站的网架式玻璃雨蓬，建筑物大堂不同形式的采光顶，游泳池的玻璃采光顶等。1．玻璃采光顶建筑的发展秦汉时代我国劳动人民创造出粘土砖、粘土小青瓦（即秦砖汉瓦），用于建筑房屋，用砖垒墙，用瓦做屋盖。以后随着玻璃的出现，人们感到侧窗采光难以满足大进深房屋采光需要，逐渐采用屋面采光，一种做法是用玻璃热压成型如小青瓦的玻璃弧瓦，在屋盖需要采光的部位，用玻璃弧瓦代替小青瓦，这个部位就出现一个屋盖采光口。机制粘土平瓦屋盖的使用，出现了粘土平瓦屋面采光板和锥形采光罩。追溯起世界上最早采用玻璃面积最大的建筑应该是：1851年伦敦博览会时建的，世称“水晶宫”的大厦。这个有十层楼高，占地7.3万平方米的“水晶宫”，全部采用玻璃预制件和钢铁，仅用4个月时间就建成，给世界各国建筑大师以新的启迪。特别是设计建筑的明暗变化时应用越来越多，人们不断追求阳光下绿色空间的舒适生活条件，也越来越需要，于是造型各异丰富多彩的玻璃采光顶应运而生。19世纪后期随着世界工业化进程，一批大型工业厂房兴起，这些厂房跨度有的多达30m以上，单靠侧窗采光不能满足厂房内采光需要，因此采光天窗就应运而生。常用的有采光罩、采光板、采光带、三角形天窗。这些天窗主要以采光为主，也带有装饰的意义。20世纪铝合金型材用于建筑门窗、幕墙，也就有了铝合金玻璃采光顶。这种新型的采光顶在建筑中的地位有了一个大的飞跃，它是建筑艺术的体现。它的表现手法随建筑风格不同而各异。它的几何形状有单坡、双坡、半圆、1/4圆、折线、锥体、圆穹等，还有由这些基本几何形状组成的群体、联体，及与幕墙组成的联体等。20世纪80年代随着结构性玻璃装配技术的广泛应用，玻璃采光顶建筑也采用结构性玻璃装配技术制作，出现了铝合金隐框玻璃采光顶，这种采光顶由于玻璃上表面没有夹持玻璃的压板，玻璃顶上表面形成平坦的表面，使雨水畅通无阻下泄。在玻璃框架玻璃幕墙诞生的同时，出现了玻璃框架玻璃采光顶。这种支撑系统（框架）与采光板全部采用玻璃的新型采光顶，由于它无遮拦的全视野的特性，给人们一种特有的艺术享受，在很多公共建筑上开始应用。20世纪70年代中期，美国建筑师波特曼设计的亚特兰大海特摄政大厦，在回字形平面建筑中将中央天井加上玻璃顶盖，称之为波特曼共享空间。环绕天井的客房组成的多层回廊，栏杆上种植花草，天井中种树栽花，并配有喷水水池、山石等小品，在透过玻璃顶盖的阳光照射下显得极为生动和自然，这就给玻璃采光顶在艺术、技术、功能上赋予全新的意义。2．玻璃采光顶的造型20世纪中后期，随着经济不断发展，人们对生产环境的要求越来越多样化，在这些环境中需要建筑自然采光，于是建筑师把目光投向了玻璃采光顶，要求玻璃采光顶造型不能单一，要与丰富多彩的建筑造型相匹配，要求外形有带坡的、圆形的、锥形的，以符合建筑造型的需要。玻璃采光顶可分为：单体－即单个玻璃采光顶；群体－在一个屋盖系统上，有若干单体玻璃采光顶在钢结构（钢筋混凝土结构）支撑体系上组合成一个玻璃采光顶群；联体－由几种玻璃采光顶和玻璃幕墙以共用杆件连成一个整体的玻璃顶和墙面系统。3．玻璃采光顶的种类玻璃采光顶按其支架杆件用料可分为钢玻璃采光顶、铝合金玻璃采光顶、玻璃框架玻璃采光顶。玻璃采光顶按其设置地点有敞开式和封闭式。敞开式是指通廊或雨蓬上的采光顶；封闭式是位于封闭空间的顶盖或屋盖上的采光顶。玻璃采光顶按功能分为密闭型和非密闭型两种。密闭型是用于封闭空间的玻璃采光顶；非密闭型是用于敞开空间的玻璃采光顶。4．玻璃采光顶设计应注意的问题（1）玻璃采光顶最大的问题是保温隔热性能较差，如果室内外温差较大，容易产生冷凝水的滴落。解决冷凝水的问题有三种办法：首先是可以考虑采用双层玻璃，改善保温隔热的性能；其次是将玻璃顶设计成一定的坡度和弧度，并组织好完善的排水系统，一般的说，玻璃采光顶坡面与水平的夹角以不小于18度，不大于45度为宜；还有一种办法是将玻璃顶下面的墙体上留风缝或孔，让外面的冷空气渗入室内，使玻璃顶的内外侧温差减小，这种玻璃顶的下面难以形成凝结水，而且可以改善室内的空气质量，但要稍微损失一些能源。（2）由于屋顶覆盖在建筑物的最上面，因此玻璃顶的防水问题就特别突出。玻璃采光顶的防水和排水是靠玻璃和杆件经过构造处理而形成的，防水性能的好坏与构造组织的好坏有很大关系。玻璃采光顶屋面防水基本方法，归纳起来有两种：导即利用玻璃采光顶的坡度，将顶面雨水因势利导的迅速排除，使渗漏的可能性缩到最小范围。堵即利用防水材料，堵塞玻璃与杆件间的缝隙，要求无缝、无孔，以防止雨水渗漏。导与堵二者，导是主要方面，防水效果好，省工、省料，因此综合处理玻璃采光顶防水时，应以导为主，以堵为辅，导堵结合。不管什么形式的采光顶，排水都是十分重要的，因为如果玻璃采光顶排水系统设计紊乱或排水的细部处理不当，造成排水不畅或积水，都是产生渗漏的因素，长期积水会使密封胶老化，所以对玻璃采光顶的排水问题应予足够的重视。玻璃采光顶排水设计主要解决以下两个问题：1.决定适宜的排水坡度为了排除雨水，玻璃采光顶需要一定的排水坡度，坡度越大，排水就越畅快。但当坡度相当大时，会给施工和结构布置造成不利条件，因此根据具体要求确定一个合适的坡度是很重要的。玻璃采光顶的坡度是由多方面因素决定的，其中地区降水量，玻璃采光顶得的体形、尺寸和结构构造形式对玻璃采光顶坡度影响最大，玻璃采光顶内侧冷凝水的排泄和玻璃采光顶的自净也是必须考虑的重要因素，一般的说，玻璃采光顶坡面与水平的夹角以不小于18度，不大于45度为宜。2.合理组织排水系统合理组织排水系统，主要是确定玻璃采光顶的排水方向和檐口排水方式。为了使雨水迅速排除，玻璃采光顶的排水方向应该直接明确，减少转折。雨水渗漏的机理解释水的渗漏机理，最清楚的方法是利用火焰这一简单的对比，为了产生火焰，必须要有三个必要的组成部分：即必须有燃料、热和氧气。如果三项缺一则则无火可言。依照完全相同的思路，水的渗漏也必须具有三个要素：即必须有水、开口面积、某种将水穿过开口的力。同样如果这三要素去其一，则渗漏就不可能发生，这是阻止雨水渗漏的关键所在。等压密封原理等压原理，实际是雨幕和压力平衡体系共同作用的密封原理。如图所示，外侧的雨幕主要是阻止雨水的重力、表面张力和毛细渗漏。在风雨天气里，当风雨同时吹来时，外侧雨幕将风和水分开，风通过开口进入空气间层，使空气间层里的空气压力与外面风压相等。即使开口部位有雨水，这雨水在自身重力作用下只能向下淌，而不会流进室内。这就是等压密封原理。隐框的采光顶包括雨蓬，面板无论是玻璃、单铝板、铝塑板都容易密封，只要用硅酮耐候密封胶将板块与板块间的缝隙涂好，就可以保证不漏。明框的铝合金玻璃采光顶的密封十分棘手，因铝型材与玻璃两种材料线膨胀系数差的太多。采光顶的造型越来越复杂，产生的结构缝隙有平缝、角缝、对接缝、搭接缝、插接缝，种类繁多。设计结构时每根杆件都不能产生热应力，涂胶设计又不允许造成胶三面粘接，还要考虑内部结露水易于排放。这是用普通型材包括用幕墙系列型材也做不到的事情，必须着手研制开发铝合金采光顶专用型材。（1）玻璃采光顶的玻璃。玻璃采光顶的玻璃应采用安全玻璃，如钢化玻璃、热反射夹层玻璃、中空玻璃、夹胶玻璃、LOW-E玻璃。热反射夹层玻璃——夹层节能玻璃是在两片PVB之间加入一张透明的热反射薄膜，再与两片玻璃热合而成的一种新型夹层节能玻璃。夹层节能玻璃优异特性：安全节能，降低能源：可见光透过率高达75%，可见光反射率低至8%，同时反射超过50%的可见光热量，阳光得热系数仅为0.41或0.47，冬日保温、夏日隔热，有效降低能源消耗，从而减少成本支出。屏蔽电磁辐射：特殊制作的夹层节能玻璃，可有效降低电磁波辐射强度，具备电磁屏蔽功能。高效屏蔽紫外线：夹层玻璃可以阻挡高达99.8%的紫外线，完全减少室内饰物退色，阻隔紫外线对人体和物品的侵害。显著隔音：基于夹层玻璃特殊的夹层结构，可以有效降低噪声干扰。安全性提高：由于夹层玻璃结构特殊，使其安全性较普通夹层玻璃有了进一步的提高。增加建筑装饰美感：中间膜PVB有多种颜色供选择，同时可夹层多种丝、绢、纸等装饰图案。(聚乙烯醇缩醛（PolyVinylgutyralresin）简称P.V.B。P.V.B树脂，本身含有很多的羟基，（OH）基，可以与一些热固型树脂（thermalserringresin）产生架桥反应（Crosslinkingreaction）以提升耐化学药品性及涂膜硬度等性能。并具有优异涂膜高透明性（Transparent）、弹性(elastic)、韧性（TouBHness）、耐强碱、耐油性及可挠性与低温耐冲击性。由于其有特殊之化学结构，所以对玻璃、金属、陶瓷、塑料、皮革及木材等皆有很强之结合性。此外对颜料与染料有良好的分散性，与其它树脂也具有良好的互溶性。)夹胶玻璃——夹胶玻璃具有高透光度，不变色，使用安全，抗冲击性好，夹胶玻璃采用高强度、高透明度、高聚物胶粘剂将两面无机玻璃牢牢粘接在一起，万一受外力破裂后，碎片被胶层牢固粘合，不会飞溅伤人，根据有关资料报道，目前国外夹胶玻璃用量占建筑玻璃总需求量的60～70%，而我国用量还不到1%，预计夹胶玻璃在我国将会有较大的发展。（售价约180元／米2）LOW-E玻璃——（低辐射镀膜玻璃）是利用真空沉积技术在优质浮法玻璃表面均匀沉积一层低辐射涂料，一般由若干金属或金属氧化物薄层和衬底层组成。与普通玻璃相比玻璃表面辐射率降低且具有光谱选择性。通过改变镀层的种类、层数和各层厚度，可以得到不同性能的LOW一E玻璃。性能：太阳辐射能量的97％集中在波长为0.3－2.5um范围内，这部分能量来自室外；100度以下物体的辐射能量集中在2.5um以上的长波段，这部分能量主要来自室内。若以室窗为界的话，冬季或者高纬度地区我们希望室外的辐射能进来，而室内的辐射能量不要外泄，若以辐射的波长为界的话，室内外辐射能的分界点就在2.5um这个波长处。所以，选择具有一定功能的室窗就成为关键。3MM厚的普通玻璃对太阳辐射能具有87％的透射率，白天来自室外的辐射能可大部分透过，但夜晚和阴雨天气，来自室内物体的热辐射能的89％都被其吸收，使玻璃温度升高，然后通过向室内外辐射和对流交换散发其热量，故无法有效地室内热量向室外散失。LOE-E中空玻璃对0.3－2.5UM的太阳能辐射具有60%以上的透过率，白天来自室外的辐射能量可大部分透过，但在夜晚或者阴雨天气，来自室内的热辐射约有50％以上被其反射回室内，仅有少于15％的热辐射被吸收后通过再辐射和对流交换散失，有效组织室内的热量向室外散失，极大的改善了窗玻璃的绝热性能。（4）玻璃采光顶的眩光、过热问题。当采用普通夹层玻璃时，太阳光透射率及传热系数均较大，且直射的太阳光使人眩目；而采用热反射夹层玻璃，由于单向透像性能，能防止眩目，且传热系数较低。另外采用在采光顶的内侧加遮阳膜、适当的增加室内的绿化也可以有效的避免眩光、过热问题。参考文献1．韩建新：建筑装饰构造中国建筑工业出版社1996年12月2．陈建东：金属与石材幕墙工程技术规范应用手册中国建筑工业出版社2001年4月3．陈建东：玻璃幕墙工程技术规范应用手册中国建筑工业出版社