玻璃幕墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和安全評(píng)估研究

孫世界

(山西南方裝飾藝術(shù)設(shè)計(jì)院(有限公司)，山西太原 030006)

0 引言

建筑幕墻在我國(guó)已有35年的發(fā)展歷史，我國(guó)是世界上生產(chǎn)和使用幕墻結(jié)構(gòu)最多的國(guó)家。建筑幕墻主要用于建筑外圍的圍護(hù)，并兼具裝飾的效果。其主要組成材料是質(zhì)量較輕的金屬構(gòu)件和玻璃、鋁板、塑料、石材等的組合。玻璃幕墻因其構(gòu)造形式較多、裝飾效果好、施工簡(jiǎn)單迅速、自重小等優(yōu)點(diǎn)使其成為現(xiàn)代建筑最主要的幕墻形式。玻璃幕墻主要受到自重和外部風(fēng)荷載的作用，因此在玻璃幕墻安裝施工時(shí)要著重的考慮這兩方面的因素，保證其安全性，減少因幕墻設(shè)計(jì)施工的問題引發(fā)的安全事故。

1 玻璃幕墻的主要設(shè)計(jì)形式

玻璃幕墻按照玻璃和鋁邊框的結(jié)合形式分為四種不同的類型:

1)明框玻璃幕墻:明框玻璃幕墻主要是指幕墻中四周的鋁框固定結(jié)構(gòu)裸露在玻璃外，這種結(jié)構(gòu)，玻璃鑲嵌在鋁框內(nèi)部，整個(gè)幕墻依靠橫梁承擔(dān)荷載，橫梁和立柱裸露在外，玻璃墻面被鋁框明顯的分割成塊狀，整體觀賞性較差，裝飾效果不好。明框玻璃幕墻是一種傳統(tǒng)的幕墻形式，其施工比較簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好，應(yīng)用比較廣泛［1］。

2)隱框玻璃幕墻:隱框玻璃幕墻是現(xiàn)如今使用最廣泛的玻璃幕墻形式，其發(fā)展與硅酮結(jié)構(gòu)密封膠的發(fā)明使用不可分割，硅酮結(jié)構(gòu)密封膠將玻璃和鋁框固定在一起，在一般情況下，不需要在外側(cè)設(shè)置金屬構(gòu)件，就可以滿足玻璃的安全穩(wěn)定性，由于玻璃安裝在鋁框之上，可以較好的遮擋墻后的鋁框，且玻璃幕墻的玻璃采用的是鍍膜玻璃，這種玻璃具有單向透像的特性，在不透像的一側(cè)看不到玻璃墻背后的鋁框構(gòu)架，因此隱框玻璃幕墻從外觀上看，形成了一個(gè)完整的玻璃平面，裝飾效果良好。硅酮結(jié)構(gòu)密封膠的膠結(jié)性能強(qiáng)，可以承受玻璃幕墻的自重、風(fēng)荷載和地震作用。隱框玻璃幕墻是一種綜合了建筑結(jié)構(gòu)、藝術(shù)、材料于一體的新型幕墻形式。硅酮結(jié)構(gòu)密封膠的使用，使鋁框結(jié)構(gòu)隱藏在室內(nèi)，提高了美觀性和神秘感，如果玻璃幕墻采用中空玻璃，還能使幕墻具有隔熱保溫的作用［2］。

3)半隱框玻璃幕墻:半隱框玻璃幕墻是明框、隱框玻璃幕墻的結(jié)合，兼具兩者的優(yōu)點(diǎn)。其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是將玻璃的其中一對(duì)對(duì)邊用明框玻璃幕墻的手法進(jìn)行鑲嵌，另一對(duì)對(duì)邊采用隱框玻璃幕墻的方法進(jìn)行粘結(jié)。此種幕墻根據(jù)立柱與橫梁的隱蔽情況分為豎框橫隱玻璃幕墻和豎隱橫框玻璃幕墻兩種，半隱框玻璃幕墻的力學(xué)性能更加穩(wěn)定，在審美上具有多變的特性。

4)全玻璃幕墻:隨著玻璃生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，各種質(zhì)量輕、高強(qiáng)度、透明度高的玻璃不斷誕生，其為全玻璃幕墻形式的出現(xiàn)創(chuàng)造了可能?，F(xiàn)如今，全玻璃幕墻主要用于游覽裝飾，不僅設(shè)置在建筑物的外圍，也同樣設(shè)置于建筑物的地面或者頂層。其受力結(jié)構(gòu)采用玻璃梁(肋)代替了傳統(tǒng)的鋁框結(jié)構(gòu)，更多的利用玻璃的透明特征去追求建筑物與自然的連接，使建筑物結(jié)構(gòu)清晰透明，美學(xué)性能達(dá)到極致。全玻璃幕墻的支撐形式有兩種，幕墻高度低于4．5 m時(shí)采用下部支撐的方式，幕墻高度超過4．5 m時(shí)主要采用上部錨定的形式防止幕墻的失穩(wěn)。

2 玻璃幕墻的設(shè)計(jì)計(jì)算方法

玻璃幕墻是建筑物的靚麗外衣，增添了城市的魅力。作為建筑設(shè)計(jì)的一種表現(xiàn)形式，其經(jīng)過我國(guó)幾十年的發(fā)展，各項(xiàng)技術(shù)措施基本可以滿足當(dāng)代人們的需要［3］。玻璃幕墻雖然只是一種建筑物的裝飾結(jié)構(gòu)，不承受主體建筑的荷載，但其在外界作用下也會(huì)存在安全隱患，我國(guó)因玻璃幕墻的損壞造成的安全事故頻繁發(fā)生，使其安全性能受到了人們的廣泛關(guān)注。因此在玻璃幕墻的施工之前要做好其各種受力分析。

2．1 幕墻的設(shè)計(jì)要求

玻璃幕墻的主要設(shè)計(jì)形式是框格結(jié)構(gòu)，其設(shè)計(jì)要求是指對(duì)其框格的組成、受力的組成進(jìn)行分析。對(duì)于隱框玻璃幕墻和半隱框玻璃幕墻還要對(duì)其使用的硅酮結(jié)構(gòu)膠的粘結(jié)性能進(jìn)行分析，保證粘結(jié)力能將玻璃牢固的粘結(jié)在附框上，滿足承載力的需求。玻璃幕墻的設(shè)計(jì)要滿足以下五條:

1)玻璃幕墻是一種建筑物的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)，其主要功能是圍護(hù)和裝飾，對(duì)建筑物的主體基本沒有大的影響，因此其只需按照圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算設(shè)計(jì)，承載力滿足幕墻自重、風(fēng)荷載和地震的要求，不必考慮對(duì)建筑主體的承載和作用。

2)玻璃幕墻應(yīng)具有一定的位移能力，使其有足夠的空間去減緩?fù)饬Φ钠茐淖饔?，減少幕墻因變形而造成的損害。

3)幕墻墻體和連接構(gòu)件的剛度、承載力要好，當(dāng)幕墻受到大的不可抗力的摧毀時(shí)，也要保證玻璃不可破碎，幕墻整體結(jié)構(gòu)不脫落。

4)在地震多發(fā)區(qū)，要做好幕墻的防震設(shè)計(jì)，幕墻玻璃采用具有不破碎特征的纖維玻璃，幕墻骨架不能脫落，在受到地震作用后還可以進(jìn)行修補(bǔ)使用。

5)影響玻璃幕墻安全性能的因素較多，在設(shè)計(jì)時(shí)要綜合考慮地震荷載、風(fēng)荷載、溫度作用、玻璃幕墻自身特點(diǎn)、橫梁和立柱的受力方式、結(jié)構(gòu)膠性能等［4］。

2．2 玻璃幕墻的受力設(shè)計(jì)

1)幕墻結(jié)構(gòu)安全度:幕墻的安全度與荷載的大小和材料的強(qiáng)度有關(guān)，在兩者設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)所采用的規(guī)范必須相同，否則就會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)的安全度偏低。

2)承載力設(shè)計(jì):承載力設(shè)計(jì)的表達(dá)方式主要分兩種:內(nèi)力表達(dá)方式和應(yīng)力表達(dá)方式。由于玻璃幕墻所受外力復(fù)雜，設(shè)計(jì)中多采用應(yīng)力表達(dá)式法。

3)荷載與作用效應(yīng)的組合:幕墻同時(shí)會(huì)受到多種荷載的作用，必須考慮幕墻在綜合荷載下的受力情況，其承載力設(shè)計(jì)值要小于材料的強(qiáng)度實(shí)際值，并運(yùn)用彈性計(jì)算方法對(duì)各種荷載進(jìn)行組合計(jì)算。

4)風(fēng)荷載設(shè)計(jì):風(fēng)荷載是幕墻的主要受力形式，其是一種直接作用在幕墻上的垂直力，按照規(guī)范要求，風(fēng)的作用力在2．0 kN/m～5．0 kN/m之間，幕墻在其作用下會(huì)產(chǎn)生較大的彎矩，因此要著重防止幕墻的彎曲。

5)地震作用:地震的最大特性是突發(fā)性和破壞性，幕墻會(huì)受到地震波的嚴(yán)重影響，受力情況復(fù)雜，具體設(shè)計(jì)按照GB 50011-2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行計(jì)算。

6)溫度作用:玻璃在溫度的變化中，體積會(huì)相應(yīng)的有所變化，這種變化的解決方法比較簡(jiǎn)單，因此如今基本不需要對(duì)溫度的影響進(jìn)行計(jì)算。

3 安全質(zhì)量評(píng)估

玻璃幕墻是一種新型的建筑結(jié)構(gòu)，因其具有較好的裝飾性能，被廣泛使用。玻璃幕墻的使用壽命比較短，隨著時(shí)間的推移，其安全性能嚴(yán)重影響著人們的生命財(cái)產(chǎn)安全，1996年廣東湛江市玻璃幕墻的損壞就是一個(gè)很好的反面例子，因此要對(duì)其安全質(zhì)量的評(píng)估方法進(jìn)行研究和探索。

由于玻璃幕墻安全質(zhì)量受到較多因素的影響，每個(gè)因素的影響程度和確定都比較模糊，因此學(xué)者們發(fā)明了模糊綜合評(píng)判方法，這種方法建立在區(qū)間數(shù)模糊綜合評(píng)判方法的數(shù)學(xué)模型之上，較好的解決了各種不確定因素對(duì)玻璃幕墻造成的影響，使玻璃幕墻的安全質(zhì)量問題有據(jù)可依。

4 結(jié)語

21世紀(jì)，隨著科學(xué)技術(shù)迅速發(fā)展和人們對(duì)美的要求，玻璃幕墻的結(jié)構(gòu)形式、使用范圍也逐漸擴(kuò)大，隨著玻璃幕墻事故的頻繁發(fā)生，對(duì)其結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和安全性能的要求日益增加，特別要注意的是高層建筑中玻璃幕墻的安全性能。綜合考慮幕墻的材料、結(jié)構(gòu)、所受荷載，建造具有地區(qū)特點(diǎn)的玻璃幕墻。

如今，對(duì)于玻璃幕墻安全質(zhì)量的評(píng)估，還沒有一個(gè)官方的規(guī)范，其很大程度上依靠多年來幕墻工程中總結(jié)出來的經(jīng)驗(yàn)，因此，在以后的發(fā)展中不僅要借助經(jīng)驗(yàn)，還要通過各種實(shí)驗(yàn)和實(shí)測(cè)，做出一個(gè)具有指導(dǎo)意義的規(guī)范。

［1］張 芹．新編建筑幕墻技術(shù)手冊(cè)［M］．濟(jì)南:山東科學(xué)技術(shù)出版社，2004．

［2］丁 鷗．高層建筑玻璃幕墻結(jié)構(gòu)分析及其計(jì)算機(jī)模擬應(yīng)用［D］．廣州:中山大學(xué)，2002:4-6．

［3］劉小根，包亦望．基于固有頻率變化的框支承玻璃幕墻安全評(píng)估［J］．沈陽大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，33(5):595-600．

［4］張 芹．建筑幕墻與采光頂設(shè)計(jì)施工手冊(cè)［M］．北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2002．