摘要：智能办公建筑是未来办公建筑的发展方向,智能玻璃幕墙是欧洲现代建筑高科技科研与实践的杰出成果。本文从智能办公建筑与智能玻璃幕墙的发展、设计原则和工作原理、工程实例分析、发展前景与研究动态4个方面系统具体地阐述了智能玻璃幕墙的设计原理与技术构造。
要害词：双层玻璃幕墙，智能玻璃幕墙，智能建筑
一、 智能办公建筑与智能玻璃幕墙的发展
智能办公建筑（Intelligent office buildings）广义上讲通常包含高效能源系统，安全保障系统，高效信息通讯系统和办公自动化系统这4个方面。国内目前谈到智能建筑，有一个较大的片面性，即往往只是在建筑设计完成以后通过弱电系统布线达到所谓3A级或5A级，过多地强调电子技术自身。欧洲的智能建筑，更强调的是建筑节能，降低运营成本，保护环境并提供舒适健康的办公环境。建筑物的高效能源系统主要是指在保护环境的前提下，建筑能够根据外界气候环境的变化（即阳光、温度、风速等）而自动控制调整自身，以达到最大限度地利用自然的、可再生的资源，如太阳辐射能、空气自然流通以及地热、地冷等，减少建筑物在运营过程中所需的不可再生能源的消耗。国外也有人把具有这种特点的建筑称为智能生态建筑，图1～3为德国波恩邮政大厦，该建筑采用了智能双层玻璃幕墙，混凝土楼板制冷供暖系统、水源热泵、置换式新风系统与小型外墙新风装置等一系列生态智能设计，是德国大型生态智能办公建筑的代表之一。
智能玻璃幕墙（Intelligent glass facade）是指幕墙以一种动态的形式，根据外界气候环境的变化，自动调节幕墙的保温、遮阳通风设备系统，以达到最大限度降低建筑物所需的一次性能源，同时又能最大限度地创造出健康、舒适的室内环境。
美国有研究表明，一幢15 000m2的未采用节能措施的建筑，其年耗电费达78.5万美元，即12年内的能耗将等于大楼的全部投资（900万美元），含土建、设备和防火装置。近年来，国外大量研究结果表明这种全封闭式空调建筑不利于人体健康，降低办公效率，并导致一种"病态建筑综合症"（Sick-Building-Syndrom, SBS）。图4是德国科学技术部一项官方研究结果，从图中可以看出，封闭式空调办公空间对人的健康有相当不利的影响：感冒、呼吸道病症、风湿病、浑身乏力，头脑不清等病症，发病率比自然通风采光办公室发病率高约1倍。
1980年代初，欧洲开始开发建造智能玻璃幕墙办公建筑。目前的智能玻璃幕墙建筑，技术上主要是通过双层玻璃幕墙来实现。虽然双层玻璃幕墙本身一次性建设投资较大，但它一方面可以降低建筑能耗，保护生态环境；另一方面，由于建筑物所需能耗降低，可以减少建筑设备的一次性投入，非凡是大量节约建筑运营成本。欧洲能源成本高，环保意识强，双层玻璃幕墙已成为现代化大型生态办公建筑的发展方向。
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二、 智能玻璃幕墙设计原则和工作原理
智能玻璃幕墙的设计不是一种独立的纯外墙构造性设计，而是先进的整体建筑能耗平衡设计的重要组成部分，通过外墙构造的调节机制，配合整个建筑技术设备之间的互动，达到一种能源优化的效果。智能玻璃幕墙的设计原则概括起来有以下几点：1.利用太阳辐射热，节约冬季采暖所需能源；2.最大限度利用自然采光以减少人工照明；3. 精心组织自然通风与排风系统，以减少机械通风能耗；4.利用建筑楼板、墙体的蓄热性和昼夜温差，减少夏季制冷需求量。配合楼板采暖制冷系统创造舒适健康的室内环境；5.各种幕墙机制、通风、遮阳、蓄热和建筑空调供暖通风等相互之间智能配合，以达到最高效率。
智能玻璃幕墙主要通过双层幕墙的形式得以实现。其内层幕墙相当于传统的玻璃幕墙，是室内外的分界线，通常由中空保温玻璃构成，并设可开启窗扇；外侧玻璃通常由单层钢化玻璃构成（也有外侧玻璃采用中空保温玻璃的实例，属于机械通风式双层幕墙系统）。外侧玻璃主要功能是承受风载，防雨水、风沙，噪声以及形成两层玻璃之间一个相对稳定的、可以调节的空气缓冲层。外侧玻璃幕墙上有精心设计的可调节的进风口和出风口。
两层玻璃之间距离根据功能构造不同可为20～100cm以上。在这一空间里，通常设置遮阳百叶等装置。假如宽度在60cm以上，可在楼板高度上设置金属格栅作为检修走廊。
双层玻璃幕墙的工作原理：（图４）
双层幕墙从构造形式上可分为：封闭式通风双层幕墙、窗箱式双层幕墙和外廊式双层幕墙。在这三种基本构造形式的基础上，近年来又出现了许多新的技术构造与不同形式的构造组合。不同构造形式的双层幕墙有不同的优缺点，适用不同的建筑需求，在此以外廊式幕墙为例，简述双层幕墙的工作原理。
·严寒季节，玻璃幕墙可以最大限度地吸收太阳辐射热，通过调节进出风口的大小，可以控制适当的新风换气量，而进入两层玻璃幕墙之间缓冲空间的空气，已被阳光初步加热，再送入室内时可减少送暖量。
·夏季炎热时期，位于两层玻璃空间的遮阳设施被放下来，绝大部分太阳辐射能量在这里被挡住，并通过精心组织的自然通风排到建筑之外（图5）。由于外层玻璃具有遮风避雨及防盗作用，夜间室外冷空气可以通过开启的内侧窗户冷却楼板等高蓄热体，次日上午气温上升时，楼板、墙体等将会有效地冷却室内温度（图6）。
·在春秋季节双层幕墙的开启可以使室内达到完全自然通风。
双层玻璃幕墙的通风模式：
双层玻璃幕墙的主要优点之一是建筑在全年大部分时间里可以实行自然通风，包括在刮风下雨的天气里。在组织通风系统时要考虑避免室内排出的浑浊空气被再次吸入室内。在实际工程中有下列4种双层幕墙通风系统。（图7）
1. 楼层水平进出风口对角通风系统
2. 带窗下墙的通风系统
3. 竖向窗框进风，横向排风系统
4. 带竖向风道的箱式外窗排风系统
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 图6 |
 图7 |
 图8  图９ |
德国杜塞尔多夫市、维多利亚保险公司总部大楼（图8）
该建筑及其运营在2000年被德国权威机构授予德国生态环保一等奖。这栋大厦所采用的系统不是欧洲最尖端的科技，但它是一整套相当成熟可靠的技术系统。
幕墙构造：外层幕墙是1 700mm×2 900mm，厚10mm的单层钢化玻璃，内侧幕墙是可斜开和平开的大小为800mm×2 300mm的窗扇。玻璃的导热系统U=1.1，两层幕墙之间约有30cm的空气缓冲层（图9～11）。
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在中间两层玻璃幕墙的空气缓冲层内，设有电动铝合金遮阳百叶，以调控阳光的进入量。塔楼外立面是由约1 800mm×3 500mm大小、在工厂加工完毕的单元式双层幕墙构件组成，在工地上整体吊装，因而能保证施工精度和简短的安装工期。
每个单元构成相对独立的通风系统，垂直方向在楼板高度上完全封闭，单元与单元水平相接处为构造变形缝，相互之间形成6°夹角。通过这一夹角使窗框和玻璃都是平面的双层幕墙单元，能够围合成圆形的建筑体量。
由于大楼接近杜塞尔多夫机场，从机场安全考虑，要求降低大楼玻璃幕墙对雷达波的反射作用。因此在大楼面向机场方向上采用了加入纤细钢丝的20mm厚胶合玻璃。
双层幕墙的设计：由于这种双层幕墙没有现成资料，在设计过程中为确定双层幕墙的基本构造，如通风形式、进风口大小、开窗形式、遮阳中间空气层宽度等技术数据，首先做出1∶7的模型，委托亚琛大学专家进行了大量的实验。在此基础上完成了幕墙设计。在项目招投标确定了幕墙实施公司以后，由幕墙公司再做出1：1单元实物模型，并对其进行通风、热功、声学等具体测试。测试结果表明1∶1实物模型的指标全部达到并部分超过原设计指标。具体测试结果如下：
隔声：双层玻璃幕墙单元之间隔断49dB
双层幕墙实测隔音数值Rw：
| 一般玻璃幕墙 | 双层玻璃幕墙 | |
| 窗户关闭状态 | 30dB | 43dB |
| 窗户内倾斜开 | 10dB | 22dB |
| 窗户向内平开 | 6dB | 17dB |
保温：双层玻璃幕墙的保温系统 Uw=1.25w/m2·k
隔热：总能量穿透率 g=44%
放下遮阳板倾斜角度，在<45°情况下，g=14%
放下遮阳板倾斜角度，在<30°情况下，g=8%
自然通风换气可达到每小时2.5到3.0倍，全年有70%的时间可以完全放弃采暖和空调机械通风。
双层玻璃幕墙与大楼整体能源系统的配合：
大楼能源系统采用了大楼自己的分组式高效燃气锅炉，能源使用效率达89%，假如使用杜塞尔多夫市的远程热力和中心发电站的能源，由于沿途损失等因素，能源使用效率只有76%。
·混凝土楼板供暖制冷系统
这是一种在德国成熟的技术，它的工作原理是辐射而不是对流。它靠大面积楼板接近人体舒适温度的辐射来调整室内温度，因而使人感觉非常舒适。这套系统的优点是设备负荷小，室内温度均匀，无噪声和风感，室内无管道。缺点是不能做封闭吊顶。因此，吊顶采用自由"风帆"形式居多（图12）。具体构造是在混凝土楼板（无梁楼板，板厚28cm）中埋入合成材料的水管。夏季制冷水温约18℃，并根据室外温度和湿度感应器获得的数据自动调节制冷送水的温度，以避免室内形成冷凝水。
·置换式新风系统
为了满足恶劣天气下窗户不能开启时的通风要求，大楼设有辅助空调系统。空调送风口设在办公室内侧墙面立柜踢脚处，回风口在立柜顶端楼板下，设计为2.5倍的换气量。送入的新鲜空气略低于室内温度。呼出的浑浊气体温度较高，上升到顶部，被排出室外，避免了新鲜气体与浑浊气体的交叉。
双层幕墙与空调采暖制冷系统的配合，使得该建筑全年70%的工作时间完全放弃空调，只在不到30%的时间里（炎热、飓风等）需要送风和供暖制冷。由于房间的位置朝向不同、室内人员对温度的敏感性不同等原因，会出现在采暖或制冷的时期里，部分房间里工作人员仍愿意开窗通气的情况。为了避免浪费能源，所有内侧幕墙上的可开启扇都安装有电磁感应装置，假如某一办公室的窗户打开，该区域的制冷、制热系统就自动关闭。
由于每间办公室的供暖供冷电量都是单独核算的，因而使用者也有动力，尽量少用空调采暖以节约开支。
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四、智能玻璃幕墙的发展前景与研究动态
欧洲智能玻璃幕墙技术的发展主要表现在两个方面：
一是深入广泛的基础理论研究，非凡是在提高舒适度和能量动态研究方面。各方面专业人员从不同角度对已建成的双层幕墙建筑进行大规模长时间的跟踪实测，把握了大量的第一手数据，并提炼到理论高度，对幕墙的设计进行模拟和指导，这项工作还在深入进行。有的研究项目对几十幢已建成的大厦进行5年以上的跟踪研究（图13、14，维多利亚总部大楼的温度与空气实测数据）。这些基础研究为智能幕墙的发展和优化提供了坚实的理论支持。
另一方面是在幕墙与建筑设备、空调系统的配合方面又有新的进展，如采用与外墙或地面结合为一体的小型通风换气装置。这种小型机，具有高效的通风采暖、降噪功能，可有效提高舒适度和使用灵活性（图15、16，应用于德国波恩邮政大厦的小型外墙地面通风换气设备），以及新型幕墙构造的探索。
智能玻璃幕墙在欧洲发展很快，如前所述，能源价格和环保意识是推动这项技术发展的主要动力。创造舒适健康的室内环境，减少员工缺勤率，提高企业效益与竞争力以及独特的建筑形象与表现力也是促进这项技术发展的重要因素。
保险行业和一些大型跨国公司首先采用了这项技术。一方面表现了其保护环境的公益性意识，另一方面建筑形象也代表了最现代先进、精美轻盈、通透民主的公司形象。创造高舒适度的健康办公环境，虽然投资较高，但作为自己的房产，长期使用经营，运营成本可以收回建设资金的投入，经济上也划算。
而作为出租性的办公楼，面对现代中小高科技企业，双层幕墙办公建筑很有吸引力，能代表其新锐的公司形象，加之办公条件舒适，运营成本低，因而市场前景也很好。
与早期镜面玻璃办公楼相反，最大限度争取玻璃幕墙的透明度也是双层幕墙的一个发展趋势。这是由于其构造特长决定的，因其既能满足节能、调节光线强度、保证使用功能的要求，又能最大限度利用玻璃透明性的特长，使其能够达到一种新的晶莹剔透的高科技形象，因此赢得不少建筑师及业主的青睐。
参考文献：
1.Vegla. Technisches Handbuch Glas am Bau, 1999.
2.Schnittich, C. Glasbau Atlas. Birkhaeuser, 1998.
3.Compagno, A.Intelligent Glasfassaden. Birkhaeuser, 2002.
4.Knaack, U. Konstruktiver Glasbɑn, Rudorf Mueller, 1998.
5.Till Pasquay. Energetisches Verhalten Von Doppelfassaden，2002.
6.德国Gartner幕墙公司相关产品设计资料，2002.
7.德国Schueco幕墙公司相关产品设计资料，2002.
8.德国维多利亚保险公司大厦技术资料.
9.德国建筑杂志《Intelligente Architekture》、《AIT》、《Glas》、《Detail》、《Deutsche Bauzeitung》有关文章.
1 德国波恩邮政大厦玻璃幕墙（图片来源：卢求）
2 德国波恩邮政大厦近景（图片来源：卢求）
3 德国波恩邮政大厦玻璃幕墙设计（图片来源：Transsolar）
4 全空调办公空间对人健康的不利影响（图片来源：Gartner）
5～7双层玻璃幕墙通风节能原理分析（图片来源：Gartner）
8 德国维多利亚保险公司总部大楼外景（图片来源：卢求）
9 德国维多利亚保险公司总部大楼双层幕墙略图（图片来源：Gartner）
10 德国维多利亚保险公司总部大楼双层幕墙节点大样（图片来源：Gartner）
11 德国维多利亚保险公司总部大楼双层幕墙内景（图片来源：卢求）
12 德国维多利亚保险公司总部大楼开敞风帆式吊顶（图片来源：卢求）
13 德国维多利亚保险公司总部大楼夏季室内温度实测曲线（图片来源：Till Pasquay）
14 德国维多利亚保险公司总部大楼内窗斜开情况下换气量实测数据（图片来源：Till Pasquay）
15 德国波恩邮政大厦地板内藏式外窗新风装置技术设计（图片来源：LTG AG）
16 德国波恩邮政大厦地板内藏式外窗新风装置照片（图片来源：LTG AG）
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