建筑幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

李鑫 楊帥

【摘 要】隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，幕墻結(jié)構(gòu)在建筑工程中得到了廣泛的運(yùn)用。而玻璃幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)新穎獨(dú)特，視覺效果突出，在一定層面上體現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)技術(shù)的發(fā)展水平。所以，為了更好地確保建筑工程幕墻施工質(zhì)量，就需要促進(jìn)建筑工程幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不斷完善?；诖?，文章對(duì)現(xiàn)代建筑幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化進(jìn)行分析，以期能夠提供一個(gè)借鑒。

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

1.幕墻設(shè)計(jì)的作用和原則

1.1幕墻設(shè)計(jì)工作范圍與責(zé)任

對(duì)于建筑幕墻的設(shè)計(jì)范圍，建設(shè)部門已經(jīng)頒布了暫行的《建筑幕墻工程設(shè)計(jì)專項(xiàng)資質(zhì)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》，其中規(guī)定：“本標(biāo)準(zhǔn)適用于建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的玻璃幕墻、金屬幕墻、石材幕墻、組合幕墻以及采光頂建筑幕墻工程，其他類型的建筑幕墻可參照本規(guī)定執(zhí)行”。給出的規(guī)定可以看出幕墻設(shè)計(jì)的范圍是組合幕墻以及采光頂部分。

不過實(shí)際的幕墻設(shè)計(jì)工作中，其范圍已經(jīng)超出了規(guī)定的范圍，還包括如建筑門窗，遮陽系統(tǒng)、金屬墻面、金屬屋面、玻璃屋面、隔斷、各種裝飾架構(gòu)等。

1.2幕墻設(shè)計(jì)的原則

建筑幕墻的設(shè)計(jì)原則與建筑設(shè)計(jì)整體性是保持一致的，作為室內(nèi)向室外的過渡層，建筑幕墻設(shè)計(jì)作為可觀賞的結(jié)構(gòu)，是建筑設(shè)計(jì)的風(fēng)格與理念的重要體現(xiàn)。

因此，在幕墻設(shè)計(jì)的時(shí)候，首先要傳達(dá)建筑設(shè)計(jì)理念。在某種程度上可以這么說，建筑幕墻設(shè)計(jì)與建筑設(shè)計(jì)的成敗是一致的，可以看出建筑幕墻對(duì)于建筑整體質(zhì)量與外觀的影響是有多么的重要。建筑幕墻設(shè)計(jì)的根本是服從于建筑設(shè)計(jì)，但是各類幕墻產(chǎn)品種類那么多，如果在設(shè)計(jì)中生硬的套用各類的幕墻產(chǎn)品，設(shè)計(jì)出來的建筑不能成為建筑精品，因此，設(shè)計(jì)的同時(shí)，要考慮到使用什么樣的產(chǎn)品，既符合質(zhì)量要求，同時(shí)也能提高建筑的藝術(shù)性。

2.建筑幕墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)容

2.1幕墻結(jié)構(gòu)是建筑物外觀結(jié)構(gòu)的一部分，它必須在滿足美觀和實(shí)用功能的同時(shí)，根據(jù)幕墻結(jié)構(gòu)的功能需求，對(duì)其構(gòu)件的設(shè)計(jì)充分考慮使用要求和足夠的強(qiáng)度、剛度，即在外力作用下的變形性的穩(wěn)定范圍。當(dāng)然有時(shí)某些結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需要根據(jù)需求偏向于某一方面的設(shè)計(jì)要求，但必須是在安全的前提下進(jìn)行。

2.2設(shè)計(jì)過程要考慮幕墻所可能承受的各種載荷，根據(jù)建筑物所處環(huán)境與建筑物結(jié)構(gòu)形狀分析可能的風(fēng)載荷、雪載荷、重力載荷，還要根據(jù)當(dāng)期氣候條件分析溫度變化或自然災(zāi)害可能帶來的載荷影響，以及這些載荷變化帶來的幕墻結(jié)構(gòu)外形的變化，充分設(shè)計(jì)幕墻結(jié)構(gòu)的承載能力，保證結(jié)構(gòu)的安全性。

2.3幕墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中還需要根據(jù)結(jié)構(gòu)的功能條件和載荷設(shè)計(jì)能力，合理取值，優(yōu)化結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。避免在設(shè)計(jì)中片面強(qiáng)調(diào)經(jīng)濟(jì)性而忽略了安全性能，也要避免過度浪費(fèi)。

在建筑物的幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，在遵循以上設(shè)計(jì)原則基礎(chǔ)上進(jìn)行幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，全面考慮設(shè)計(jì)需求，確定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容：

1）幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的優(yōu)選。需要根據(jù)幕墻面板的布置及其分格，確定幕墻主體結(jié)構(gòu)的支撐（樓層及梁柱、屋面結(jié)構(gòu)等）、邊界條件、結(jié)構(gòu)形式要求等，設(shè)計(jì)幕墻結(jié)構(gòu)的最佳結(jié)構(gòu)形式，如索結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、單桿結(jié)構(gòu)、玻璃結(jié)構(gòu)、桁架結(jié)構(gòu)、或組合結(jié)構(gòu)等。

2）結(jié)構(gòu)材料的設(shè)計(jì)選擇方案。材料選擇時(shí)要考慮結(jié)構(gòu)的受力要求、施工條件等因素，同時(shí)考慮施工成本的經(jīng)濟(jì)性，以此制定材料類型、型號(hào)、數(shù)量等，并編制施工條件和要求。

3）幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的計(jì)算。設(shè)計(jì)中的計(jì)算是對(duì)結(jié)構(gòu)承載安全系數(shù)、結(jié)構(gòu)外觀尺寸等，根據(jù)構(gòu)造要求來進(jìn)行的，包括節(jié)點(diǎn)極限狀態(tài)的驗(yàn)算、溫度應(yīng)力計(jì)算、結(jié)構(gòu)尺寸校核等。

3.解決問題的方法

3.1設(shè)計(jì)中的問題

（1）材質(zhì)問題

要嚴(yán)格控制玻璃生產(chǎn)源，嚴(yán)格控制整個(gè)生產(chǎn)流程，減少鎳元素材料與玻璃的接觸。在安裝玻璃幕墻結(jié)構(gòu)時(shí)，針對(duì)硫化鎳雜質(zhì)進(jìn)行元素檢測(cè)工作，如果其超出控制范圍，就需要更換玻璃。同時(shí)，還可以變換玻璃形式，采用夾層玻璃，即使出現(xiàn)玻璃破碎的情況，碎片也不會(huì)脫落，會(huì)附于膠片上，避免了安全事故的發(fā)生。

（2）熱應(yīng)力問題

解決這一問題需要對(duì)玻璃結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行精加工，處理玻璃結(jié)構(gòu)的邊部，采用拋光細(xì)磨等工藝減少微小裂紋。將普通玻璃全部更換成鋼化玻璃，用來加強(qiáng)其抗溫、抗?jié)竦哪芰ΑＴ谶\(yùn)輸玻璃時(shí)，要采取適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施，減少碰撞，確保沒有隱疾存在；安裝玻璃時(shí)，要注意玻璃與框架的匹配度，不能裁剪玻璃，只能矯正框架，確保其與玻璃嚴(yán)絲合縫。

（3）火災(zāi)安全隱患

在設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)不同建筑的防火要求，規(guī)劃設(shè)計(jì)玻璃材質(zhì)和結(jié)構(gòu)形式。在材質(zhì)方面，一般使用夾層玻璃、防火中空玻璃、復(fù)合防火玻璃和單片防火玻璃等，被廣泛使用的是復(fù)合防火玻璃。在火災(zāi)發(fā)生時(shí)，如果這種玻璃出現(xiàn)爆裂，碎片會(huì)黏附在膠片上，而膠片本身也有防火作用。

（4）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題

采用明框和半隱框的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，降低因結(jié)構(gòu)膠失效而導(dǎo)致玻璃墜落的概率。同時(shí)，還可以在其周邊加設(shè)圍欄和綠化帶等。在設(shè)計(jì)時(shí)，需要對(duì)結(jié)構(gòu)框架進(jìn)行抗疲勞試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果設(shè)計(jì)適合的幕墻玻璃，減少框架的超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)。

（5）鏈接構(gòu)件

采用特殊的鎖扣螺母作為鏈接構(gòu)件，防止出現(xiàn)螺栓失效的情況。

（6）污染問題

針對(duì)施工可能造成的污染問題，要建設(shè)一定的綠化帶，盡量減少污染面積。

（7）施工規(guī)范問題

很多安裝玻璃幕墻的企業(yè)都是由以前的門窗行業(yè)轉(zhuǎn)型而來的，缺乏專業(yè)技術(shù)支持和對(duì)玻璃幕墻的認(rèn)識(shí)，導(dǎo)致施工中存在很多風(fēng)險(xiǎn)。而且在施工過程中，有些企業(yè)并不按照標(biāo)準(zhǔn)化流程施工，致使安裝過程存在不少安全隱患。

3.2安裝時(shí)的注意事項(xiàng)

在安裝玻璃幕墻時(shí)，要注意以下三點(diǎn)：①需要強(qiáng)化檢驗(yàn)整個(gè)玻璃幕墻，確保每個(gè)環(huán)節(jié)的質(zhì)量。對(duì)材料、構(gòu)件、附件等進(jìn)行性能測(cè)試，及時(shí)更換存在問題的部件；檢測(cè)鑄造的疵點(diǎn)和形位公差；檢查玻璃的尺寸和精度等。②檢測(cè)焊接支點(diǎn)的承載力，不得缺焊和漏焊，更不能出現(xiàn)裂紋和氣孔等焊接缺陷。對(duì)一些埋件、轉(zhuǎn)接件和駁接爪等進(jìn)行不同的焊接處理，減少安全隱患。③在安裝玻璃幕墻時(shí)，需要對(duì)相關(guān)的工作人員進(jìn)行培訓(xùn)，要求他們按圖施工，標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)，不允許違反施工流程，確保工程優(yōu)質(zhì)、高效。

4.高層建筑組合幕墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)舉例分析

4.1單元式設(shè)計(jì)需要注意的問題

高層建筑組合幕墻在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的時(shí)候，幕墻組件最大尺寸225x260cm，這些組合組件包括：由幕墻橫豎框等拼接而成的單元組件框、玻璃或者花崗巖等材質(zhì)的幕墻面板。

每個(gè)組合組件左右或者上下框?qū)Σ逍纬山M合桿，最終在完成組合組件之間的接縫之后形成整幅幕墻。幕墻的功能和構(gòu)造要求在每個(gè)單元組合組件上得到體現(xiàn)，每個(gè)單元組合組件的高度為3.6米，和樓層的標(biāo)準(zhǔn)高度一致。這是為了再將組合組件運(yùn)到施工現(xiàn)場(chǎng)之后，可以直接進(jìn)行安裝，節(jié)省人力和時(shí)間。組合幕墻的這種特點(diǎn)，決定了它可以通過工業(yè)化的方式進(jìn)行流水線生產(chǎn)，這樣就可以節(jié)省后期施工的時(shí)間，大大提高勞動(dòng)力的生產(chǎn)效率；最后，土建主體施工時(shí)可以同步進(jìn)行幕墻單元組件的吊裝安裝，最大程度的縮短工期，為施工企業(yè)節(jié)約施工成本，進(jìn)一步提高施工企業(yè)的事成競(jìng)爭(zhēng)力。

4.2高層建筑組合幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的封口技術(shù)

前文中有提到完成接縫這道工序時(shí)組合幕墻是通過對(duì)插進(jìn)行的，這里就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)不可避免的問題，那就是上下左右四個(gè)單元組件的連接點(diǎn)上，有一個(gè)四個(gè)組件都不能達(dá)到的地方，這就會(huì)使幕墻上出現(xiàn)一個(gè)前后貫穿的洞。

針對(duì)這個(gè)問題的解決措施是：將封口板設(shè)置在下單元組合件上橫框中。這里的封口板不僅僅起著封口的作用，同時(shí)還發(fā)揮著分隔板以及集水槽的功用。鑲嵌在下單元組件上框槽內(nèi)的封口板要比上單元組合件下框的槽大，所以封口板可以上下自由活動(dòng)。這種設(shè)置是為了避免地震出現(xiàn)前后方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，封口板出現(xiàn)不能復(fù)槽的情況而出現(xiàn)互相碰撞。說到這里就可以看出來，建筑幕墻因?yàn)檫@個(gè)結(jié)構(gòu)而對(duì)外界因素的變形產(chǎn)生了較大程度的適應(yīng)能力。

結(jié)束語

建筑幕墻結(jié)構(gòu)將建筑設(shè)計(jì)以及藝術(shù)美學(xué)、環(huán)境等等多方專業(yè)知識(shí)集于一身，學(xué)科綜合性較強(qiáng)。因此，新時(shí)期要注重對(duì)幕墻設(shè)計(jì)人才的培養(yǎng)，設(shè)計(jì)要緊隨時(shí)代發(fā)展的步伐，順應(yīng)社會(huì)發(fā)展變化，與時(shí)俱進(jìn)，不斷的進(jìn)行創(chuàng)新，只有不斷的進(jìn)步，才能促進(jìn)建筑幕墻行業(yè)的長(zhǎng)久發(fā)展。

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