光伏建筑一體化中的幕墻加固設(shè)計(jì)

楊 濤

(國(guó)核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司,北京 100095)

光伏建筑一體化中的幕墻加固設(shè)計(jì)

楊 濤

(國(guó)核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司,北京 100095)

光伏建筑一體化(BIPV)是目前大規(guī)模利用光伏技術(shù)發(fā)電的研發(fā)熱點(diǎn)。既有建筑幕墻加固改造是推動(dòng)光伏技術(shù)在建筑領(lǐng)域應(yīng)用的新課題。結(jié)合具體的幕墻改造工程，通過結(jié)構(gòu)整體安全性、幕墻構(gòu)件安全性分析和幕墻構(gòu)件加固方案的研究，選取合理的加固方式，為建筑幕墻改造與BIPV技術(shù)的有機(jī)結(jié)合提供了工程經(jīng)驗(yàn)。

BIPV，光伏幕墻，加固改造

從1978年我國(guó)建筑幕墻工業(yè)開始起步，在30多年間不斷的發(fā)展和創(chuàng)新過程中，目前我國(guó)以建成的各式建筑幕墻(包括采光頂)超過了1.5億m2，占世界總量的50%。

玻璃幕墻建筑在既有公共建筑中占有相當(dāng)一部分比例，但能耗高一直是我國(guó)既有玻璃幕墻存在的突出問題。數(shù)據(jù)顯示，目前我國(guó)約有50%的既有玻璃幕墻需要加以改造。因此玻璃幕墻的升級(jí)改造已經(jīng)成為建筑節(jié)能比較突出薄弱環(huán)節(jié)，相對(duì)也成為我國(guó)建筑節(jié)能中最有潛力的重要領(lǐng)域。

BIPV，即光伏建筑一體化(Building Integrated Photovoltaic)。BIPV技術(shù)是將太陽能發(fā)電(光伏)產(chǎn)品集成到建筑上的技術(shù)。BIPV光伏幕墻是將普通幕墻玻璃替換為可以進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換并具備節(jié)能隔熱效果的復(fù)合型光伏組件，兼具發(fā)電與建筑構(gòu)件的功能，提升建筑社會(huì)價(jià)值，帶來綠色概念的效果。BIPV光伏幕墻因此成為21世紀(jì)建筑及光伏技術(shù)市場(chǎng)的熱點(diǎn)[1,2]。

1 項(xiàng)目概況

項(xiàng)目工程建筑的外墻采用全幕墻形式，幕墻分為明框玻璃幕墻和干掛石材幕墻，建筑的南、北立面4.8 m以下為干掛石材墻面，4.8 m以上為玻璃幕墻。

幕墻面積為3 900 m2，工程擬將建筑物南側(cè)4層～15層、西側(cè)4層～15層和東側(cè)3層～14層幕墻中的玻璃進(jìn)行替換，在人視點(diǎn)的采光主要區(qū)域采用普通玻璃，其他區(qū)域采用不透光型薄膜復(fù)合型光伏組件，起到降溫降耗功能，同時(shí)兼具光伏發(fā)電功能。

2 大樓結(jié)構(gòu)整體安全性核算

建筑整體結(jié)構(gòu)的安全可靠是幕墻加固方案得以實(shí)施的先決條件。項(xiàng)目工程原玻璃幕墻更換為復(fù)合型光伏組件，玻璃自重及附屬措施材料重量由原來54 kg/m2增加為87 kg/m2，增加了33 kg/m2,玻璃厚度由普通雙銀Low-E玻璃的24 mm增加為36 mm。幕墻體系施加在主體結(jié)構(gòu)的荷載增加，需要對(duì)建筑整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全性復(fù)核。項(xiàng)目工程原設(shè)計(jì)單位進(jìn)行了復(fù)核，認(rèn)為幕墻加固方案可行，滿足原結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力要求，不影響整體結(jié)構(gòu)的安全性。

3 幕墻體系結(jié)構(gòu)安全性核算

幕墻龍骨主要承受水平風(fēng)荷載、地震荷載、幕墻玻璃及附屬措施重量的豎向荷載。由于幕墻體系自重增加，高層建筑風(fēng)荷載較大，依據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[3]驗(yàn)算，在單面幕墻兩側(cè)總寬度1/10的邊角部位，立柱強(qiáng)度超出規(guī)范允許值10%；在建筑樓層12層～14層，立柱強(qiáng)度達(dá)到規(guī)范允許值92%，需要對(duì)立柱進(jìn)行加固處理；其他位置立柱強(qiáng)度、撓度滿足規(guī)范要求。幕墻橫梁在各區(qū)域均滿足規(guī)范要求，但支撐構(gòu)造需重新設(shè)計(jì)。幕墻加固范圍如圖1,圖2所示(云線內(nèi)范圍為加固范圍)。

4 幕墻體系加固方案

4.1加固方案計(jì)算

為了最大限度節(jié)約資源，項(xiàng)目工程幕墻龍骨整體不需更換，原有鋁合金龍骨需在隱蔽部位進(jìn)行局部加固改造。幕墻立柱在層高范圍受力體系為簡(jiǎn)支梁，通過在混凝土結(jié)構(gòu)梁上增加支座節(jié)點(diǎn)，使立柱在層高范圍內(nèi)變?yōu)閮煽邕B續(xù)梁，減小計(jì)算長(zhǎng)度，可有效地提高立柱的承載能力。橫梁在水平跨度范圍內(nèi)為單跨簡(jiǎn)支梁。經(jīng)驗(yàn)算，根據(jù)《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》[4]，立柱、橫梁抗彎強(qiáng)度和撓度滿足要求。

4.2加固方案

立柱是幕墻體系中的主要受力構(gòu)件，其安全性直接決定整個(gè)幕墻的結(jié)構(gòu)安全性。通過在龍骨立柱高度范圍內(nèi)增加節(jié)點(diǎn)，使立柱的計(jì)算長(zhǎng)度減小，使強(qiáng)度、撓度滿足規(guī)范要求。加固轉(zhuǎn)接件通過化學(xué)螺栓與主體結(jié)構(gòu)混凝土梁連接?；瘜W(xué)螺栓的優(yōu)點(diǎn)主要有：1)錨固力強(qiáng)；2)在基孔內(nèi)不產(chǎn)生由于膨脹引起的應(yīng)力，盡量減小對(duì)原結(jié)構(gòu)混凝土梁的破壞；3)可以做到精準(zhǔn)定位，并與結(jié)構(gòu)體完全聯(lián)結(jié)，具有抗老化、抗風(fēng)化、抗酸堿的優(yōu)良性能；4)抗震性能良好。幕墻立柱加固節(jié)點(diǎn)形式見圖3。龍骨橫梁不需加固，但由于安裝光伏組件，玻璃厚度增加，橫梁構(gòu)造中需重新設(shè)計(jì)鋼承托件支撐復(fù)合型光伏組件，如圖4所示。

5 結(jié)語

項(xiàng)目工程幕墻改造方案，經(jīng)過原設(shè)計(jì)單位驗(yàn)算分析，幕墻改造不影響整體結(jié)構(gòu)的安全性。通過計(jì)算分析了幕墻體系薄弱環(huán)節(jié)，結(jié)合改造后幕墻的受力特點(diǎn)，采取合理的加固方式，通過在原有幕墻立柱層高范圍增加支撐節(jié)點(diǎn)和改造橫梁支撐構(gòu)造，使幕墻結(jié)構(gòu)安全性滿足規(guī)范要求。

項(xiàng)目工程不整體更換幕墻龍骨，只在局部薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行加固，采用BIPV技術(shù)替代傳統(tǒng)玻璃幕墻，既節(jié)約利用現(xiàn)有資源，又發(fā)展清潔能源產(chǎn)生新的經(jīng)濟(jì)效益，具有一定的推廣意義，為光伏項(xiàng)目與建筑幕墻改造工程的結(jié)合提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

[1] 龍文志.太陽能光伏建筑一體化[J].建筑節(jié)能,2009(7):1-9.

[2] 謝士濤.光伏建筑一體化技術(shù)與應(yīng)用[J].門窗,2007(9):42-45.

[3] GB 5009—2012，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].

[4] JGJ 102—2003,玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范[S].

CurtainwallstrengtheningdesignofBuildingIntegratedPhotovoltaic

YangTao

(StateNuclearElectricPowerPlanningDesign&ResearchInstituteCo.,Ltd,Beijing100095,China)

Building Integrated Photovoltaic (BIPV) is a research hotspot of large-scale utilization of photovoltaic technology. The strengthening of existing building curtain wall is a new subject to promote the application of photovoltaic technology in the field of building construction. Combining with the concrete curtain wall strengthening project, through the analysis of the building structure safety, curtain wall structure safety, and reasonable strengthening scheme and way of curtain wall, the engineering experience is provided for the combination of curtain wall strengthening and BIPV.

BIPV, photovoltaic curtain wall, strengthening

1009-6825(2017)28-0057-02

2017-07-24

楊 濤(1983- )，男，工程師

TU318

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