通风器在建筑幕墙中的应用研究—以上海古北国际财富中心外幕墙工程为例

通风器在建筑幕墙中的应用研究—以上海古北国际财富中心外幕墙工程为例

蔡秉烈

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摘 要：超高层幕墙通风措施是一栋建筑设计的要点，本文对比了通风器与开启扇两种通风措施的优劣，介绍了通风器的特点，并根据通风器的安装位置和状态进行了分类；以上海古北国际财富中心项目为例，介绍了通风器的构造特点，阐述了该项目通风器的拆换性能、清洗维护方法，并对该通风器系统的通风量进行了数字模拟计算，获得了准确的通风量数据。

关键词：幕墙、通风器、超高层、上海古北财富中心

1 超高层建筑幕墙通风器的产生的背景

1.1 超高层建筑幕墙应用广泛

自人类开始学会建造房屋开始，建筑物的通风和采光一直是人们孜孜不倦的最求。20世纪初开始，人类建造的房屋高度开始越来越高，据不完全统计，我国是世界上拥有超过250米的摩天大楼最多的国家，多达超过120座，且多采用了新型的材料作为建筑的外维护结构，如玻璃、铝板、石材等等，建筑幕墙以其独特的美观性能、安全性能和抗震性能受到越来越多的开发商和建筑师的青睐。我国现行行业标准《高层建筑混凝土结构技术规范》(JGJ3-2002)第4.9.5条明确指出：150m以上的高层建筑外墙宜采用各类建筑幕墙，这就表明从建筑结构的角度，高层建筑也需要幕墙。

1.2 幕墙通风器产生的背景

如何保证采用幕墙的建筑内的通风换气性能，除了采用价格高昂的室内新风系统外，传统的幕墙开启扇通风由于其操作方便，造价经济等原因也是最主要的方式，然而超高层建筑所受的风压与其建筑高度成正比，在超高层建筑上使用开启扇就存在一定的风险。近年来，超高层建筑的开启扇坠落等不安全因素也引起了国内外幕墙专家的高度重视，建筑幕墙开启扇掉落的原因是多样的，首先是开启扇上部防止其在地震等竖向荷载影响下产生向上滑动的限位块安装不到位或脱落，其次是连接开启扇与幕墙主框架的风撑长时间受较大风压的影响产生松动或破坏，第三，建筑上部其他重物突然掉落砸到处于开启状态下开启扇导致其脱落，第四，其他设计不合理或施工不规范导致的原因脱落等。如何规避这种风险而又使建筑的通风不受影响，建筑幕墙通风器也就在这种背景下产生了。

表1 传统开启扇与通风器优缺点对比

2 商业办公类建筑用通风器的特点

通风器一般隐藏在幕墙的龙骨内部，呈长条形，可以实现在不设置开启窗的情况下通风换气，让室内的空气持续不断的循环，从而保证了室内空气的新鲜。首先，在通风器的帮助下，建筑幕墙外立面无需设置开启窗，采光部位建筑分格为完整的一块玻璃，实现建筑外立面整洁、通透的效果。另外，通风器在通风时能有效防止雨雪、昆虫、噪音、沙粒进入室内。尤其是在睡眠情况下，偏转向上的空气流动方式使进入室内的风吹不到人体。再有，现代建筑LEED、绿色建筑要求愈发严格，传统开启扇的传热性能远低于通风器。与开窗通风相比，通风器能降低室内热能损失，具有节能的特点。

结构安全方面，通风器的气密、水密及抗风压变形能力需与建筑幕墙相匹配，其自身结构构造还需与幕墙相同。一般通风器采用铝合金型材，材质为6063-T5型材，表面可做喷涂处理，提高其自身的耐腐蚀、耐候性能。而且可以根据通风量的大小，选择不同尺寸、不同规格的通风器，以满足功能需要。

3 通风器的分类

建筑幕墙通风器（以下简称通风器）的原理主要是通过在建筑幕墙的内外设置一道通风管道，在保证通风管道内水密性能的情况下，通过室内外的风压差达到建筑物内部通风换气的要求。可以根据其安装位置或通风状态进行划分。

3.1 通风器按其安装位置分可分为横向通风器和竖向通风器

3.1.1 横向通风器

横向通风器就是安装在幕墙横向龙骨上的通风器。根据其安装部位不同又可以分为窗台式通风器和吊顶式通风器。窗台式通风器高度在人可以触及的范围内，易拆换清洗，且可设置手动开启，缺点是如果安装高度过低，则在通风时容易卷起室内地坪上的扬尘，反而污染了室内空气。吊顶式通风器安装高度一般在吊顶位置，一般人难以触及，故无法设置手动开启，且清洗拆换需要登高设备。优点是室外新风通过通风器可直接送至人体头部位置，相对于窗台板通风器，无需因通风器而设置较大的窗台面板，从而减少了对室内房间面积的占用。

3.1.2 竖向通风器

竖向通风器一般是安装在竖向有较宽的非透明装饰构件中。竖向通风器安装高度可根据室内的具体情况而定，相对于横向通风器而言，竖向通风器安装位置较隐蔽，其室外进风口可与外装饰构件一体化设计，缺点是应用有局限性，在成片的透明玻璃幕墙建筑中，由于幕墙的竖向龙骨较窄，一般都不适用。

3.2

通风器按其通风状态可分为机械通风器和自然通风器

3.2.1 机械通风器

机械通风器就是指在通风器内部有一部静音的横流风机，可通过调节横流风机的转速来控制进风效率。机械通风器的特点是进风效率高且风速稳定，房间使用者可根据需要调节通风效率的快慢。此外，电动风通风器需要与强弱电及消防系统进行联通，在发生火灾时，横流风机的叶片转动可与建筑的消防控制器联动，叶片转动与平时送风方向相反，起到排烟的作用。

3.2.2 自然通风器

自然通风器就是通过建筑室内外的风压差达到空气自然流动的通风器。自然通风器构造简单，安装、维护方便，无需与强弱电及消防等系统联通。房间使用者可根据实际需要在室内手动开启、关闭即可。因此自然通风器造价经济，通风效率尚能满足一般建筑物通风换气的要求。

3.2.3 通风器的选择

机械通风器和自然通风器的选择应当与建筑物所处的地理位置和功能相结合。在建筑处于地面粗糙度为A类或B类的空旷地带时，由于风力较大，实际通风量充足，可优先考虑自然通风器。而建筑处于C类或D类等相对建筑密集的位置时，由于风力较小，通风量不足，则可采用机械通风器保证充足的通风量。此外在一些医院、酒店等通风要求较高的建筑物上，也可采用机械通风器。

4 通风器在现代住宅中的应用前景

传统住宅中，一般均设置开启窗作为建筑通风方案，然而由于平开窗或推拉窗的开启面积较大，对室内人员（特别是儿童）或宠物是一个极大的安全隐患。如现代住宅中使用固定扇加通风器的方案，在无需设置开启窗的前提下，既能满足采光的要求，也能满足通风的要求，可以有效的杜绝此类隐患。其次，在日益注重私密性的现代社会，如何实现建筑通风和私密性，遮阳等的有效协调。例如在建筑窗台板位置或窗侧板位置安装通风器，即使使用窗帘等遮阳装置，也不影响室内外的通风。

5 上海古北国际财富中心外幕墙工程通风器应用实例

5.1 项目概况

古北国际财富金融中心位于长宁区古北地块，建筑主体高140.5m。整个建筑采用了多种形式的幕墙组合。主楼大面采用明框式单元玻璃幕墙，配以竖向石材装饰条及局部石材单元幕墙；裙楼采用陶砖幕墙、透明玻璃幕墙及彩釉玻璃幕墙。

5.2古北国际财富金融中心外幕墙通风器的构造特点

该项目通风器主要安装于塔楼主体的单元幕墙位置，通风器形式采用整体式横向通风器，其特点是通风器整体隐藏在窗台板下，窗台板与通风器面板整体构成，采用穿孔窗台板来达到通风目的，通过内嵌在窗台上的阀门控制开关来控制通风器的开闭。

图1 通风器室内效果图                  图2 通风器节点效果图

图3 通风器的构造

该项目外幕墙通风器的构造特点：

1）通风器同铝横框连接采用周圈包覆式胶条设计，提高风道气密性，避免金属挤压噪音

2）通风器采用断热材料，避免室内外产生传热桥，保障幕墙节能性能。

3）通风器内部大量填充保温材料，提高关闭时的节能效果。

4）窗台板后侧采用调解螺栓，可调整窗台板水平度。

5）窗台板与内部通风器连接采用硬质橡胶与型材配合扣接，方便窗台板拆换。

5.3古北国际财富金融中心外幕墙通风器的拆换性能

该项目的通风器安装于室内窗台板的下侧，通过卸下可拆卸的窗台板，可对通风器进行维修或整个取下。如下图：

图4 通风器拆换示意图

5.4 古北国际财富金融中心外幕墙通风器的清洗维护

该项目外幕墙通风器拆除窗台板后可直接清洗通风器，清洗污水通过风道排入横框专用排水槽内，排入竖框前腔排走，避免了清洗污水直接排出室外，污损玻璃表面。

图5 通风器清洗示意图

图6 通风器清洗三维示意图

5.5 古北国际财富金融中心外幕墙通风器的通风量计算

5.5.1 计算模型与计算网格

计算模型如下图1所示，图中绿色部分对应于进风口，顶部的红色方条对应的是出风口，出口附近的紫色部分为开关挡板。对计算域生成由四面体组成的非结构计算网格如图2示。

图7 计算模型

图8 计算网格

5.5.2 流场计算结果

针对上述网格进行流场计算，给定进出口压差2 Pa，此时计算出的流场中的速度矢量图如图2所示，z方向中截面（z=0.6m）内的截面流线如图3示。从图中可以看到，进出口的压差带动了通风器内的气流流动，在流场中形成了复杂的流场结构。图4给出了该截面内的压力等值线云图。

图9 计算出流场中的速度矢量图

图10 z方向中截面内流线图

图11 z方向中截面内压力等值线云图

5.5.3 通风量计算

对上述流场的进出风口的速度进行面积分，可得出通风量为：0.064kg/s， 亦即：190.4立方米/小时。即通风量完全满足室内新风的要求。

6 通风器在未来智能楼宇中应用前景

在未来的智能楼宇中，可以设想应用通风器可实现以下几种方案。首先，如采用机械通风器，则通风器内部可设置横流风机，在发生火灾时，横流风机的叶片转动可与建筑的消防控制器联动，叶片转动与平时送风方向相反，起到防火排烟的作用。其次，在通风器出风口位置可安装空气防尘防霾装置，如内置可更换的活性炭滤网等，与空气净化功能相结合，达到既通风又净化空气的作用。第三，通风器的开启器可与建筑的温度、风雨感应装置联动，可根据室内外温差或气候条件自动开启或关闭，起到自动调节室内环境的作用。

7 结论与建议

随着建筑幕墙行业的不断进步，超高层建筑幕墙通风问题也愈发凸显。本文通过分析对比，发现以往的建筑通风大多采用开启窗的方式，但有着诸多的弊端和隐患，因此通风器就在这种环境中应运而生。通风器安全性好，能够实现隐藏设置、对建筑幕墙外立面影响小。其次，通风器几乎不占用任何室内空间，能适应绝大多数室内的通风换气的需要，大幅度的改善了室内人居环境。而且可以根据建筑的特点灵活选择通风器的安装位置及通风状态。此外机械通风器还能够与智能楼宇系统想连接，实现消防联动排烟等功能。

上海古北财富中心项目的幕墙通风器设计之初就考虑了与幕墙底部横梁相结合，通过内嵌阀门进行开闭状态控制。同时充分考虑了气密、降噪、节能保温、清洗更换便捷性等问题。利用软件对该项目通风器进行了流体计算，并最终获得该系统通风器的实际通风量。作者希望通过本文，分享通风器的设计理念和实施经验，抛砖引玉，能够为通风器的推广和使用贡献微薄之力。

参考文献：

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