現(xiàn)代建筑幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化探析

趙晉 楊勇

【摘 要】隨著我國(guó)建筑事業(yè)的快速發(fā)展，幕墻結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代建筑中的應(yīng)用已經(jīng)非常普遍，而且其功能的多樣性也隨著建筑功能的發(fā)展而變化。人們對(duì)建筑幕墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)加強(qiáng)了重視，本文結(jié)合筆者多年的工作經(jīng)驗(yàn)，闡述了建筑幕墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的設(shè)計(jì)原則，并分析建筑幕墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與其功能需求的優(yōu)化思路，提出優(yōu)化建筑幕墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)策略。

【關(guān)鍵詞】建筑幕墻；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

1、前言

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化建設(shè)的快速發(fā)展，城市建筑在實(shí)用性、功能性和節(jié)能環(huán)保等方面的要求越來越突出，建筑幕墻的出現(xiàn)則正好滿足了這些需求。建筑幕墻的形式與功能的多樣性使得建筑具有了更好的實(shí)用性而且又不失外立面的美觀性，因此，建筑幕墻在現(xiàn)代建筑中被越來越廣泛的應(yīng)用。建筑幕墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)幕墻的實(shí)用性、功能性起到了決定性的作用，所以我們不斷加強(qiáng)對(duì)幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的探索

2、建筑幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般原則

作為建筑的外裝飾結(jié)構(gòu)，它是建筑設(shè)計(jì)的風(fēng)格和理念的重要體現(xiàn)，建筑幕墻設(shè)計(jì)的根本是服從于建筑設(shè)計(jì)， 其應(yīng)遵循以下原則。

建筑幕墻作為建筑的外裝飾結(jié)構(gòu)懸掛在主體結(jié)構(gòu)上，根據(jù)GB/T21086—2007，建筑幕墻應(yīng)按照建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，不承受主體結(jié)構(gòu)的荷載。也就是說，幕墻的受力只考慮風(fēng)荷載的作用和建筑幕墻本身的自重。

建筑幕墻設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員除考慮風(fēng)荷載和自重外，還應(yīng)考慮溫度作用、主體結(jié)構(gòu)的位移以及地震作用等對(duì)幕墻的影響。幕墻立柱及其連接件應(yīng)有足夠的剛度和強(qiáng)度以及相對(duì)于主體結(jié)構(gòu)的位移能力。避免在荷載、溫度、地震等作用下使幕墻結(jié)構(gòu)件產(chǎn)生過大的變形或者破壞等。

非抗震設(shè)計(jì)的建筑幕墻，在風(fēng)荷載作用下其面材不應(yīng)破碎或者產(chǎn)生過大的變形，且建筑幕墻有足夠的位移能力來保證其不脫落或者破壞；抗震設(shè)計(jì)的建筑幕墻應(yīng)遵循我國(guó)抗震設(shè)計(jì)基本原則即：小震不壞，中震可修，大震不倒

總的來說，建筑幕墻的一般設(shè)計(jì)原則就是在證建筑幕墻安全、美觀、功能、成本的前提下，設(shè)計(jì)出最為適合該建筑的幕墻結(jié)構(gòu)。

2、建筑幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的內(nèi)容

在建筑幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般原則基礎(chǔ)上，綜合的考慮建筑幕墻的設(shè)計(jì)需求，確定建筑幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容有以下幾點(diǎn)

2.1、建筑幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案初選

建筑幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案初選需要根據(jù)外裝飾效果要求來確定幕墻形式，如明框結(jié)構(gòu)、隱框結(jié)構(gòu)、半隱結(jié)構(gòu)等；根據(jù)室內(nèi)外視要求來確定幕墻的具體形式，常規(guī)上采用鋁合金框架幕墻，而需要開闊的視野的則可以采用點(diǎn)支式幕墻、索結(jié)構(gòu)、單桿結(jié)構(gòu)、桁架結(jié)構(gòu)等；根據(jù)其分格形式和面材來確定幕墻立柱形式，常規(guī)分格可以采用鋁合金立柱，對(duì)于大跨度幕墻需要考慮鋼立柱或者鋼鋁結(jié)合立柱；根據(jù)主體結(jié)構(gòu)可連接支撐點(diǎn)情況確定立柱的受力模型，如單跨簡(jiǎn)支梁、雙跨簡(jiǎn)支梁等；通過建筑幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案初選確定出滿足建筑結(jié)構(gòu)安全可靠、功能完備、裝飾效果美觀的建筑幕墻結(jié)構(gòu)

2.2、建筑幕墻材料的精選

確定初步設(shè)計(jì)方案后，要對(duì)幕墻的材料進(jìn)行選擇設(shè)計(jì)。材料選擇的時(shí)候要充分考慮結(jié)構(gòu)的受力要求、功能要求、加工要求以及施工要求。材料的性能對(duì)幕墻結(jié)構(gòu)是否滿足設(shè)計(jì)要求的決定因素。應(yīng)根據(jù)材料的使用位置合理的選擇材料，例如建筑幕墻與土建結(jié)構(gòu)之間的轉(zhuǎn)接件受力較大，如果選擇和立柱相同的6063-T6鋁型材需要加大截面的材料用量，而在此位置應(yīng)用6061-T6鋁型材則可以大大減少材料用量而6061-T6型材價(jià)格每公斤只比6063-T6型材高出不到人民幣壹元。但是如果用量比較大的立柱也都選用6061-T6型材則會(huì)大大增大成本，同時(shí)對(duì)于加工工序較多的立柱來說也會(huì)增加加工難度。

2.3、建筑幕墻結(jié)構(gòu)受力分析

一個(gè)成功的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)體系必須受力合理、傳力簡(jiǎn)捷。合理的結(jié)構(gòu)受力分析可以使得材料利用率最大化，降低幕墻的成本，減少不必要的浪費(fèi)同時(shí)又可以使外觀美觀大方。合理的結(jié)構(gòu)受力分析是建立在恰當(dāng)?shù)倪x擇結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖的基礎(chǔ)上的。結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖選擇的不恰當(dāng)是導(dǎo)致建筑幕墻結(jié)構(gòu)安全事故的根本原因。由于實(shí)際建筑幕墻節(jié)點(diǎn)只能近似的看做是鉸結(jié)點(diǎn)或者剛結(jié)點(diǎn)，所以結(jié)構(gòu)受力分析時(shí)必須預(yù)留合理的余量將這部分誤差吸收到。結(jié)構(gòu)受力分析最后一個(gè)環(huán)節(jié)也是最關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)就是對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析。現(xiàn)在建筑幕墻的外形花樣百出，所以其受力也是極其復(fù)雜，我們常通過計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)其進(jìn)行受力分析，而又以Ansys 應(yīng)用最廣。結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)該對(duì)計(jì)算機(jī)受力分析結(jié)果認(rèn)真校核、仔細(xì)分析，對(duì)結(jié)果做出合理的正確的判斷。

3、建筑幕墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化的措施

建筑幕墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)往往涉及許多安全設(shè)計(jì)、力學(xué)計(jì)算、以及美學(xué)設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)過程是非常繁瑣的。在保證建筑幕墻安全、美觀、功能、成本的前提下，對(duì)建筑幕墻的結(jié)構(gòu)優(yōu)化也是幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容之一。根據(jù)建筑外觀和功能要求以及現(xiàn)場(chǎng)的施工條件可以進(jìn)行如下優(yōu)化措施

3.1、采用對(duì)比法選擇最優(yōu)結(jié)構(gòu)

根據(jù)以往工程所應(yīng)用的結(jié)構(gòu)或其他成功案例，選取與目標(biāo)設(shè)計(jì)建筑幕墻結(jié)構(gòu)的相似結(jié)構(gòu)進(jìn)行功能性、安全性、經(jīng)濟(jì)性對(duì)比，選取最相似的結(jié)構(gòu)對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)優(yōu)化和改造，使得功能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，價(jià)格更加低廉，從而得到物美價(jià)廉的建筑幕墻。

3.2、采取校驗(yàn)法對(duì)幕墻結(jié)構(gòu)計(jì)算優(yōu)化

對(duì)幕墻結(jié)構(gòu)計(jì)算的優(yōu)化是建筑幕墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化的一個(gè)重要措施。我們應(yīng)對(duì)荷載和作用進(jìn)行二次校驗(yàn)。對(duì)作用在建筑幕墻上的荷載（風(fēng)荷載、自重荷載、雪荷載、溫度作用、地震作用等）使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的變形和內(nèi)力更接近現(xiàn)行建筑幕墻規(guī)范或者招標(biāo)技術(shù)要求對(duì)于幕墻構(gòu)建變形和內(nèi)力的較小值。這樣使幕墻的材料最大限度的發(fā)揮作用，降低材料用量。同時(shí)對(duì)于雪荷載、溫度作用、地震作用等進(jìn)行合理的取值，如果取值過于保守則會(huì)使構(gòu)件截面尺寸過大造成不必要的浪費(fèi)；如果取值過于激進(jìn)則會(huì)降低結(jié)構(gòu)的安全性。

3.3、大膽采用“四新技術(shù)”

四新技術(shù)即新材料、新技術(shù)、新工藝、新設(shè)備，建筑幕墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化是可以大膽的選用新材料、新技術(shù)、新工藝、新設(shè)備為我們的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)服務(wù)。當(dāng)建筑幕墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化遇到瓶頸時(shí)，我們不妨大膽的采用“四新技術(shù)”進(jìn)行相應(yīng)的嘗試。以我司上海中心大廈工程的雙曲面外幕墻設(shè)計(jì)優(yōu)化，我們沒有采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù)，而是采用了建筑信息模型（BIM）技術(shù)，把大樓的整個(gè)外幕墻結(jié)構(gòu)在計(jì)算機(jī)上“虛擬建造”，用可視的數(shù)字模型串聯(lián)起項(xiàng)目設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)營(yíng)全過程。通過BIM軟件虛擬建造，該工程2萬多塊不同尺寸的玻璃幕墻安裝時(shí)無一返工，11萬噸鋼結(jié)構(gòu)拼裝時(shí)浪費(fèi)量不超過2噸，并且提前發(fā)現(xiàn)并解決的“碰撞點(diǎn)”超過10萬個(gè)，按解決一個(gè)“碰撞點(diǎn)”平均花1000元左右計(jì)算，至少可為上海中心大廈工程節(jié)約費(fèi)用超過1億元。可見其應(yīng)用新技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益非同凡響。

結(jié)束語

總而言之，隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，社會(huì)的不斷進(jìn)步以及建筑行業(yè)的技術(shù)水平越來越高，建筑幕墻業(yè)得到了極大發(fā)展，而建筑幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在功能、質(zhì)量以及安全水準(zhǔn)方面也是蒸蒸日上。與此同時(shí)，建筑幕墻新結(jié)構(gòu)、新材料、新工藝也層出不窮，因此在以后的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，我們應(yīng)根據(jù)實(shí)際工程情況合理的選擇結(jié)構(gòu)形式，保證建筑幕墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足建筑的功能和使用要求。采取合理的措施對(duì)建筑幕墻的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提供幕墻的功能性、安全性等性能同時(shí)最大限度的節(jié)約成本，提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

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