1.概述
20世紀對幕墻的要求在很多方面都有了提高，從而確立了新的建筑、生產、安裝及功能原則。這方面的發展與幕墻防火、隔音、防水、密封性、防潮、
隔熱、防雷、防雷達、
遮陽、自然采光及通風等功能的改進攜手同步。現在，幕墻設計和施工關注的焦點已經轉向了重視客戶的長期滿意度。因此，對質量、功能性及資本成本的要求逐漸提高。一方面是我們現在設計和開發的出發點及建筑師、設計師、承包商及系統提供商的“風險因素”，另一方面是客戶的期望和要求得不到滿足。施工中的物理學及建造和使用建筑所需的資源方面的內容在立法中會越來越重要。客戶對建筑外墻的安全性（防火、防止攻擊等）及質量的要求會越來越嚴格。通過保證按計劃設計、施工、質量減少所需的資金和相關風險，從而優化整個施工順序也日益重要。這意味著通過優化功能、成本和效率要提供令客戶滿意、復雜性可控的產品和服務。
2. 優化功能和運行成本
因為建筑物在整個生命周期所需的運行成本甚至會逐漸超過建設成本，所以運行成本同樣十分重要。能源優化必須考慮到建筑物的供熱、制冷、通風和采光的能源消耗。還要注意保證各個房間高度的舒適性，眾所周知，這樣有利于提高效率從而最終減少勞動成本，而勞動成本甚至遠遠高于建筑的運行成本和維護成本。
因此，系統提供商和幕墻制造商的另一個目標是進一步提高幕墻的保護功能和益處（如利用自然光和
太陽能），并重新使用窗戶通風。因此，人們期待能夠優化建筑外墻的整體功能。從今天的觀點來看，當務之急是意識到真正優化的幕墻應該既能反應用戶對舒適性的需要，又能改變戶外環境。在極端情況下，他們必須只使用建筑物自身的設備構件，應該能夠保證利用最少的能耗取得舒適的室內環境。這就需要不斷對幕墻構件進行調整。這一點現在已經在技術上實現了可行。包括利用機械化構件的幕墻電氣化發展。
雙層幕墻的發展反應了不斷變化的使用要求，外部環境會產生小氣候，成為緩沖區及內部環境和外部環境交界面。各個構件的受控、優化且相互配合運轉會影響很多參數，如幕墻的總能量透過程度及
熱傳導性，并發展成為“零能源狀態”
在辦公建筑中——內部熱負荷高、大面積使用玻璃——太陽輻射會導致夏季室內溫度過高，以至于必須采取其他手段。如果室外氣溫足夠低，多余的熱量才能通過通風散發出去。然而，采用外部遮陽系統會更有效，并且不受室外空氣溫度的影響。不過，風力太大的情況下無法使用。這一事實導致了70年代排氣通風幕墻的開發。這種幕墻在傳統幕墻的內部多加了一層玻璃窗。它們之間的緩沖層中安裝了遮陽系統。從而免受天氣變化的侵擾。緩沖層與空調系統連在一起，這樣，室內排除的部分空氣可以流過幕墻。因為這部分的空氣溫度與室溫基本相同，內層玻璃窗可以減少外層幕墻、遮陽系統和室內之間長波輻射的交換，所以遮陽系統可以不受氣候的影響，像外層幕墻一樣有效，因為玻璃內部表面常年保持室溫，所以舒適度可以大大提高，另外也提高了房間的利用率。雙層排氣
通風系統還使得能源在建筑內部的重新分配成為可能，非常有趣。例如，如果早晨東邊幕墻中的空氣因為太陽輻射溫度升高，西邊的幕墻就可以利用產生多余的熱量，由透明玻璃和緩沖層中的遮陽系統構成的排氣通風雙層幕墻與陽光控制玻璃制成的幕墻相比具有很大優越性。雙層幕墻在春秋兩季能夠獲得較高的太陽能效能，陰天也能夠常年改善室內照明。排氣通風系統還可以保證有效隔絕外部噪音。其缺點是空調系統必須常年運轉。
對空調系統的限制在80年代末出現了——那時人們發現了病態建筑癥候群并導致了對它的研究。排氣通風的雙層幕墻和坐落于喧鬧的接街道兩旁帶有開放式窗戶建筑的單層幕墻，或者由于其位置或高度原因處于風口的建筑，只能有限考慮使用這種做法。簡單的雙層幕墻更適合這種情況。這種幕墻的特點是在傳統幕墻的外面多加一層
玻璃幕墻。將內層設計為建筑物實際的邊緣，利用
隔熱材料或
絕緣材料。外層玻璃窗可以通風的保護性外墻，可以讓空氣透近來，還能保護室內免受惡劣天氣的影響。外層幕墻和緩沖層的敝口以及流動阻力減少了房間的自然通風。除了能夠進行能源的再分配外，簡單的雙層幕墻具有排氣通風幕墻的所有優點。將緩沖層分割成與樓層或窗戶等高的間隔并以水平軸為界，優化了雙層幕墻的作用。有利于阻止異味、火災及濃煙通過緩沖層傳播，并且還降低了臨近房間之間的噪音傳遞。70年代在住宅項目中被動使用太陽能和夜間冷卻得來經驗如今在一些辦公建筑中得到了運用。例如，在不
供暖而天氣尚寒的時候，可以使用簡單雙層幕墻緩沖層獲得太陽能熱。天氣炎熱的時候，關緊窗戶，熱空氣排到室外。夜間窗戶打開，讓新鮮的空氣進來，冷卻樓板的著熱層。施工和這種樓板的使用是一個重要因素。建筑物的使用，及其特殊的開放時間，對舒適程度的要求以及業主的行為習慣都會影響太陽能及夜間冷卻被動使用的可能性和效率。
積極使用太陽能取暖和發電是進一步減少建筑的主要能耗的最好途徑。這就要求在幕墻間額外添加一些設備，包括特殊的蓄熱器和/或蓄電池，它們的動力學特征會影響效率。太陽輻射可以轉換成能量，利用不同的媒介和原理提高房間溫度或建筑的供水系統。這方面的例子包括：
太陽能集熱器和/或太陽能熱水器，或者吸熱器和
熱泵系統。它們可以使效率提高80%。在辦公樓中，供水系統的加熱只扮演一個次要角色。尤其是對這類建筑來說，可能出現的有趣事情是：利用太陽能熱水器和冷卻器的太陽能冷卻系統靠熱水運轉。這樣做排除了使用太陽能時經常會遇到的存儲問題。陽光越強烈，建筑內部就越涼快。供求實現了平衡。太陽能
光伏組件可以直接將太陽能轉化成電能，效率在5-15%左右。如今
太陽能光伏的開發已經經過了實驗階段，時常突破指日可待。如今已經在幕墻面板和屋頂結構以及遮陽設施中得到廣泛應用。
3. 優化質量和資本成本
先進的
幕墻技術顯然必須能夠減少新的設計、施工和操作解決方案的復雜性。另外，建筑物外墻構件的開發不但受功能標準和
設計標準的控制，而且將來還要受加工和安裝標準的影響。如果設計與建筑物的實用性不符，就會大大增加額外成本。這種情況是能夠避免的。還要注意技術而后設計的局限性。如果建筑的設計與施工盡量嚴格遵循具體的作業標準（系統技術），如果在必要時才使用具體的項目標準（平臺策略），并且盡量避免不按標準操作。這樣還會顯著減少建筑問題。
從建筑的角度來看，當前主要有兩種外墻類型：承重外墻和非承重外墻。對于承重外墻來說，窗戶安裝在承重外墻中或承重外墻融為一體。可以將窗戶設計成單獨的
沖壓式敝口（punched openings）也可以設計成橫條形窗或豎（長度超過有一層樓高）條形窗。但是，在外墻上的這類窗戶長度是有限制的。這一點與幕墻組與房間等高的
框架結構形成了對比（與半木制結構滾板極其相似）。幕墻組只是一個外部的界限，不是建筑物承重結構的組成部分。在這兩種情況下，在窗戶或幕墻組周圍結構上的附加部分對于傳熱、減少濕氣及噪音從外部的傳入都屬于危險區域（熱量和噪音的橋梁）。可以在窗戶與幕墻組之間的承重外墻加一層金屬板或不透明的玻璃窗，這樣即使窗戶完全不同，也能保證幕墻外觀的整齊劃一。它們的建筑完全是在承重結構（一般是混凝土或
鋼結構）外部。這樣它們就形成了一個額外的、封閉的保護層，能夠抵御惡劣天氣的侵擾，可以在其中安裝嵌入式的單獨的窗戶或條形窗。這種結構存在的弱點是它們通常位于天花板與隔音墻的連接處。如果與絕緣有關的連接處設計安裝不當，就會在臨近樓層或房間之間產生隔音、防火、防煙問題。
4. 優化設計流程
如今，個性化設計在建筑藝術中趨勢日益明顯。在闡明具體的項目要求和條件的時候，建筑物的客戶和用戶真正關心的是建筑外墻，規劃者清楚相關技術的可能性，徹底評估了他們的工作，項目規劃者和負責施工的公司恰當地執行了既定目標。然而，必須牢記的一點是，在規劃過程剛剛開始進行修改的成本遠遠低于規劃活動過程中進行修改的成本。在施工階段做出改動要付出巨大的代價。因此，在規劃的各個階段，必須明確設計方案的哪些部分對最終結果會產生重大影響，哪些方面以后無法輕易變動，一定要當機立斷。這就是現代規劃過程要將概念階段和隨后的（實際）設計階段區分開來的原因。鑒于上述原因，必須對后者加以劃分成7個次級階段——至少對于創新性建筑概念來說如此，其中每個階段都是一個獨立的迭代過程。
在對建筑外墻進行設計和規劃前明確進行分工是有意義的。首先，客戶必須在早期階段明確目標， 投資預算、運行和維護成本。在規劃階段越早對建筑外墻問題進行研究，就越有可能創造出創新性的建筑維護結構；這項工作進行越晚，受到的限制就越多，反過來又會限制創造性在建筑設計中的施展，但是，即使這項工作難度不是更大，至少也不相上下，在規劃階段，如果太多限制因素長時間不能確定尤為如此。
建筑的用途（如，游泳池、帶空調的辦公樓）類型（如，
高層建筑）會影響制約因素（如室內空氣溫度和濕度、風速），這些方面反過來又會影響對建筑外墻的要求。建筑用途有關的影響因素有運行時間、內部熱負荷（在運行時間及運行時間以外）、室內舒適性要求及用戶的行為習慣。在這方面，適合特定幕墻設計的決定還取決于該建筑是行政大樓、公司總部、酒店、購物中心、電影院、文化或教育建筑、博物館或展覽館、劇場、醫院、生產性設施還是機場或火車站等。該項決定還受空間利用和空間功能，以及建筑物的基本形狀和高度的影響。當前的設計方案包括單獨的房間和敞開式房間（辦公室、會議室、接待室、銷售區）或者空間可以靈活安排嗎？有沒有休息廳、（多層的）中庭以及連接建筑物不同區域的通道？樓梯和走廊——尤其是那些承擔逃生通道功能的樓梯和走廊——分別位于何處？但是同樣重要的還有建筑物將要建在哪里的問題。當地對建筑外墻影響最大的外部條件常見的有外部的空氣溫度和太陽輻射水平。風速和風向同樣起著重要作用。建筑物的位置還決定了噪音和濕度水平，建筑外墻設計的自由程度還受到此項目是新建筑還是改造或翻新項目的影響。
對于下列各個設計標準的優先程度取決于從誰的角度出發考慮。例如，立法者強調安全性，而客戶或投資者主要關注成本效率、工期及不要超出預算。那些眼光長遠的客戶和投資人可能更關注設計能否滿足未來經營者或租戶的需要（運行成本、形象、靈活性等），以及最終用戶的需要（舒適性、安全性）。
因為我們的社會制度、品位以及生活和工作的方式變化越來越快，建筑的靈活性必定會越來越重要。這一點千真萬確，特別是，如果我們想到對于一棟建筑來說，具有長期的成本效益、限制期間必須盡可能短，建筑維護成本、改裝（如果新用戶有不同的要求）和改造（如，增加新的節能設施或提高舒適性的設施）成本要低廉的話尤為如此。具有成本效益的建筑是那些配置僅滿足但前要求。在要求改變后能夠很容易地迅速做出相應變化，并且盡可能不會產生破壞的建筑。建筑師、項目經理及規劃專家還要從規劃之上的角度進行考慮，其中包括，公司在開展工作（總承包商和行業專家）期間要密切關注自己的趁本和工作量。所有的施工專業人員都要盡最大努力減少自身的風險，即使是在他們突然有了靈感要表明自己的最好想法時。這個階段最終會形成一套詳細而富有約束力的設計規范。它保證每一名相關人員都能做到心中有數，不但可以避免誤解，還能降低風險和成本。
在最初的概念階段，規劃團隊會考慮多個可能的解決方案，這些解決方案滿足設計規范中規定的具體項目條件和要求，利用了最新的施工及功能方面的可能性，還包括不同的設計觀念。堅持的理念就是綜合各方看法，制定出最佳方案。面對規劃、制造、安裝和委托階段，及建筑維護（包括保證期后）改裝、改造期間的成本和風險，如何讓好處盡可能的發揮出來？毫無疑問，再考慮各行各業的工作時，只能采用當前的選擇。關鍵是不要只注重改善單個的部分，而是要優化建筑結構、建筑外墻、內墻、樓面、天花板、蓄熱體、技術設備及建筑管理技術的整體成本效率。影響建筑結構的重要因素有幾何學（包括投影和凹進）、輕型或重型結構（有用的蓄熱體）問題以及建筑內部的空氣流動。這方面更重要的因素是建筑外墻中透明及不透明骨架式構件的大小和分布（如窗戶的最大可能面積），以及這些構件的角度和方向。建筑內部及設備的設計標準和施工標準也會影響能源消耗及室內的舒適性。這方面的重要因素是室內空間的高度、寬度和進深，室內表面的設計施工（如，物料、反射度和結構），蓄熱體的可獲性及質量、大小、形狀、室內墻面的敞開類型以敞開處的流阻（如，內部門）。確保建筑物的機構和建筑外墻的設計與氣候及建筑物的用途相符,利用適當的建筑和控制技術,并選擇適合建筑物用途的控制策略,這樣通常就能夠取得最佳效果.
在復雜的建筑項目中,實際設計活動可以分成四個階段,設計選擇階段,綜合設計階段,模塊設計階段及構件設計階段.在這個階段,以項目為基礎的解決方案應該對以下因素逐步進行詳細分析:成本效率(投資,運營及維護成本),設計需要考慮的因素,能源要求(取暖,制冷,通風,照明等),環境影響,室內舒適性(溫度,視覺效果,聽覺效果等),使用,操作簡便,維護的成本及簡便性,以及改變通知途及升級設施的靈活性.對于幕墻建筑者來說,還要在各階段進行組合和裝配.
在設計選擇階段,設計團隊要確定和評估備選設計概念,并將其提供給客戶.在這一過程中,設計者要考慮下列問題:什么程度的分散化(技術建筑設備和安全)和模塊化(建筑外墻可能成為擬議的解決方案的組成部分?建筑外墻和建筑技術能提供的何種程度的操作和自動化?什么時候樣的被動,主動,部分及整體構件會適合這一套特殊要求?建筑外墻,建筑技術,建筑結構或內部,或者是這此元素的組合,應該提供什么防護,安全和有益的功能?這此方面包括通風,取暖,制冷,照明,電力(至少是緊急代電)及供暖,產生冷若冰霜氣,發電(傳統方法的替代方法,如太陽能光伏,風力發電).什么時候樣的運營模式適合建筑類型,正在考慮中的建筑設計方案及該建筑的用途? 在更復雜的項目中,常常需要進行其它研究-----一些更加廣泛的研究-----為該設計階段提供支持保證其
可靠性.此類研究包括,模擬分析特定建筑中預期的自然通風水平.著行有必要確定該項建筑物的結構及其周圍環境的空氣動力學情況,然后確定建筑外墻之內及建筑內部的熱力學和熱力學情況.設計專家可以同研究所,大學及制造商等組織機構合作進行電腦模擬(模擬”物理過程”)及風洞實驗(建筑的比例模型),或者為了獲得更準確的結果,在原始尺寸的樣本幕墻或建筑部分進行室外實驗.這種方法同樣適用于
建筑構件及建筑物的取暖,采光等方面.如今,獲得可靠結果的關鍵不再是相關物理公式和運算法則的可用性(如今差不多已經成了種規范),而僅僅是輸入的實際數據及樣本和實驗結構的可用性. 在綜合設計階段,要對選定的概念進行研究,在工程專家,政府有關部門,咨詢機構,承包商及產品制造商的幫助下,制定出一份綜合的解決方案.為了盡可能取得最佳效果,通盤考慮整個系統非常重要.這此系統各部分之間彼此聯系,相互影響.如果一些單獨的部分或系統的藍本些部分對其他建筑構件沒有明顯影響,可以只關注這些部分.所以,我們的目的不是優化各個建筑構件或標準,而是將該建筑物作為一個整體加以考慮,包括相關的各行業以及在幾何上或功能上有關聯的模塊間的所有界面.與現在相比,系統整合問題(外墻,蓄熱體storage mass,建筑技術及建筑管理技術)和建筑外墻中的分散建筑技術問題將來會發揮的作用會更加重要.但是只有在配套技術設備廠及建筑工地外墻的構件易于控制,且與智能控制系統相連接時,才能探究創新性建筑概念的好處.建筑管理技術建筑外墻和建筑技術裝置與系統能夠利用傳統的輸電線路,通過建筑總線(如EIB或LON),或通過電腦網絡(如以太網)連接起來,從而可以在它們之間建立通信.配套技術設備只在特殊情況下使用.如建筑外墻內部的其他選擇已經用盡時.只有在綜合規劃結果與目標完全一致,且澄清了要求標準以后,才能開始進行模塊設計.這個階段包括所以化并實施模塊內部已設計的界面.對于相關的幕墻來說.這意味著要考慮諸如沖壓式敞口(punched openings)幕墻或架構填充板(skeleton infill panels),豎框和橫梁或統一的幕墻以及一些細節,如幕墻安裝支架和附壁配置.必須越來越注意事項一些特殊方面,如”交互式”外墻建筑(功能性,響應性,靈活性)以及外墻的控制技術(建筑自動化和流程優化).應該在盡最大努力減少投資和運行的成本,復雜性和風險,靈活性和功能性實現最大化的基礎上做出決定.在模塊設計結束前,設計團隊要確定各個模塊的功能要求以及模塊之間的界面—之后在
招標計劃書中反應出來的信息,一旦拿到合同,建筑師,專業工程師承包商和產品制造商就需要在構件設計階段進行合作,檢查完整的設計方案,該方案應該包括建筑師同意的工程計劃和建設時間表.這一階段包括對模塊設計階段確定的功能要求和設計進行優化和轉化. 然而,不存在單一的解決方案!我們在此提倡的不是優化的個別的特殊構件或標準,而是對整個建筑進行全面的跨學科的檢查.更確切地說,在各個情況下都應該進行成本/益處優化,以核實在考慮空調和利用要求時,什么結構,終飾,幕墻設計和工廠理念能夠體現最佳成本效益和最恰當的解決方案.這意味著對于那些其構件在建筑流程中相互影響或者在運行中最終會相互影響的系統,要通盤考慮整個系統.各方在施工過程中按照計劃如期完工對整個建筑的完工日期同樣重要.【完】
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