淺談玻璃幕墻的設(shè)計(jì)

惠耀武

摘要：本文客觀的闡述了玻璃幕墻的發(fā)展歷史，分析了玻璃幕墻的特點(diǎn)，從設(shè)計(jì)者角度出發(fā)，提出了在玻璃幕墻設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的諸多問(wèn)題及解決方法。為實(shí)際的建筑設(shè)計(jì)提供了一定的借鑒和技術(shù)支持，以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑O(shè)計(jì)態(tài)度促進(jìn)我國(guó)玻璃幕墻的健康可持續(xù)發(fā)展。

關(guān)鍵詞 玻璃幕墻 非結(jié)構(gòu)構(gòu)件 建筑節(jié)能 主體結(jié)構(gòu) 抗震設(shè)計(jì)

一， 前言：玻璃幕墻始于20世紀(jì)50年代，代表建筑有聯(lián)合國(guó)大廈和紐約利華大廈。我國(guó)玻璃幕墻起步較晚，以1983年北京長(zhǎng)城飯店和上海聯(lián)誼大廈為標(biāo)志開(kāi)始，主要是構(gòu)件式明框玻璃幕墻居多，由于無(wú)國(guó)家行業(yè)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，技術(shù)質(zhì)量水平較低，多靠引進(jìn)和模仿國(guó)外技術(shù)。1990～2000年，出現(xiàn)和發(fā)展了隱框幕墻、鋁板及石材幕墻，開(kāi)發(fā)了單元式幕墻，引進(jìn)和創(chuàng)新了點(diǎn)支撐玻璃幕墻，同時(shí)國(guó)家頒布了相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范。2000年至今，雙層幕墻、光電幕墻、智能幕墻、膜結(jié)構(gòu)幕墻等等多元化幕墻的發(fā)展和應(yīng)用，標(biāo)志著玻璃幕墻成為現(xiàn)代建筑的顯著特征。

二、玻璃幕墻的特性

玻璃幕墻是指由支承結(jié)構(gòu)體系可相對(duì)主體結(jié)構(gòu)有一定位移能力、不分擔(dān)主體結(jié)構(gòu)所受作用的建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)或裝飾結(jié)構(gòu)，是一種美觀新穎的建筑墻體裝飾方法。它的材料構(gòu)成是由金屬構(gòu)件和玻璃板材組成。它的施工方法分為現(xiàn)場(chǎng)組裝和預(yù)制裝配。

玻璃幕墻在建筑領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，是因?yàn)樗哂衅渌牧蠠o(wú)法比擬的特點(diǎn)：它能將建筑藝術(shù)、建筑功能、建筑節(jié)能等因素有機(jī)地統(tǒng)一起來(lái)；選材簡(jiǎn)單，構(gòu)件制作工廠化；安裝方便，工期短；更換性、改造性強(qiáng)易維護(hù)；自重輕屬于輕質(zhì)幕墻，價(jià)格便宜等等。同時(shí)玻璃幕墻也存在著一些局限性，例如光污染、能耗較大等問(wèn)題，但這些問(wèn)題隨著新材料、新技術(shù)的不斷出現(xiàn)，正逐步納入到建筑造型、建筑材料、建筑節(jié)能的綜合研究體系中，作為一個(gè)整體的設(shè)計(jì)問(wèn)題加以深入的探討。

三、玻璃幕墻的建筑設(shè)計(jì)

首先是玻璃幕墻的選型問(wèn)題，當(dāng)今玻璃幕墻形式成多元化發(fā)展，種類繁多，建筑師應(yīng)根據(jù)建筑物的藝術(shù)造型、建筑的使用功能、當(dāng)?shù)氐牡匦魏蜌夂驐l件以及經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件選用明框，隱框、半隱框或者是全玻璃幕墻等。其次型式確定后應(yīng)提出幕墻性能等級(jí)要求，玻璃幕墻的性能主要有風(fēng)壓變形、空氣滲透、雨水滲漏、保溫隔熱等，建筑師應(yīng)根據(jù)建筑物所在地區(qū)、氣候條件、建筑物高度和體型、建筑物功能和重要性等明確等級(jí)要求。最后就是玻璃幕墻的構(gòu)造設(shè)計(jì)及安裝工藝，這點(diǎn)對(duì)于玻璃幕墻的整體性和外觀至關(guān)重要，同時(shí)也對(duì)幕墻的使用壽命、日常維護(hù)、工程造價(jià)具有決定性意義。各種類型玻璃幕墻的構(gòu)造設(shè)計(jì)及安裝各不相同，但都應(yīng)處理好以下幾個(gè)方面：1、伸縮縫、溫度縫、沉降縫的處理，使其既美觀又起到變形的要求；2、幕墻構(gòu)件的面板和邊框所形成的空腔應(yīng)采用等壓設(shè)計(jì)，防止室外空氣壓力將雨水壓入腔內(nèi)，以提高幕墻抗?jié)B性；3、對(duì)于可能產(chǎn)生滲水的地方和容易結(jié)露的部位預(yù)留泄水孔道，集水后由管道排出；4、板材與邊框連接處必須用硅酮密封膠進(jìn)行處理，密封材料應(yīng)能在長(zhǎng)期壓力下保持良好的彈性；5、由于幕墻位移和溫度收縮，幕墻某些部位會(huì)發(fā)生摩擦，影響建筑物的使用，所以要考慮在該部位設(shè)置墊片來(lái)減少摩擦；6、各種五金件、連接件、設(shè)計(jì)要防止不同金屬相互接觸所產(chǎn)生的電化腐蝕；7、要考慮擦窗機(jī)的設(shè)置問(wèn)題；8、降低能耗損失，滿足節(jié)能要求應(yīng)重視玻璃幕墻中玻璃的選擇；9、玻璃幕墻還應(yīng)注意防雷電措施。

對(duì)于很多建筑師來(lái)說(shuō)，在設(shè)計(jì)中采用建筑幕墻，往往更加著重的是營(yíng)造建筑立面，而對(duì)不同類型的建筑幕墻帶來(lái)的不同的室內(nèi)空間效果和建筑幕墻的技術(shù)手段缺乏深入的認(rèn)識(shí)。往往是設(shè)計(jì)了一個(gè)新穎的立面，而把這個(gè)立面的技術(shù)細(xì)節(jié)留給幕墻廠家進(jìn)行二次設(shè)計(jì)，廠家的幕墻設(shè)計(jì)在滿足造價(jià)和立面后，要么滿足不了設(shè)計(jì)的技術(shù)要求（如冷橋、隔熱等問(wèn)題，在工程驗(yàn)收時(shí)很難發(fā)現(xiàn)，而在使用過(guò)程中不斷暴露）；要么忽略室內(nèi)空間的效果（如豎向龍骨排布給空間帶來(lái)凌亂的感覺(jué)），或者各種弊病并存。建筑師的幕墻設(shè)計(jì)不能簡(jiǎn)單的只從幾個(gè)方面控制住幕墻廠家，就算完成任務(wù)，而應(yīng)該和廠家的二次設(shè)計(jì)及施工人員密切合作共同完成，這也是建筑幕墻技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的必然要求。二十一世紀(jì)建筑正日益追求綠色建筑，建筑師還應(yīng)該重視新型幕墻設(shè)計(jì)的研究和應(yīng)用。

四、玻璃幕墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

玻璃幕墻作為建筑物的圍護(hù)體系，屬于非結(jié)構(gòu)構(gòu)件。主要承受自重、風(fēng)荷載、地震作用以及溫度效應(yīng)，其支撐條件需有一定的變形能力以適應(yīng)主體結(jié)構(gòu)的變形位移。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)及震害分析，它的破壞形式有：第一、玻璃幕墻自身強(qiáng)度不足產(chǎn)生的破壞。對(duì)于豎向的玻璃幕墻，風(fēng)荷載為主要作用，在風(fēng)壓較大的地區(qū)，玻璃將產(chǎn)生較大的彎曲變形；第二、玻璃幕墻與主體結(jié)構(gòu)的連接破壞。地震作用對(duì)連接件影響很大，以至于玻璃幕墻發(fā)生脫落或倒塌；第三、主體結(jié)構(gòu)的變形導(dǎo)致玻璃幕墻的破壞。主體結(jié)構(gòu)在外力作用下產(chǎn)生位移，通過(guò)連接件使玻璃幕墻產(chǎn)生過(guò)大的應(yīng)力。如何避免這些破壞，結(jié)構(gòu)師應(yīng)把握以下幾個(gè)方面：1、玻璃幕墻設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)計(jì)算地震效應(yīng)（包括自身重力效應(yīng)和支座相對(duì)位移產(chǎn)生的效應(yīng)）和其他荷載效應(yīng)的組合，同時(shí)還應(yīng)考慮地震效應(yīng)與風(fēng)荷載效應(yīng)的組合，摩擦力不作為抵抗地震作用的抗力。2、玻璃幕墻在位移方向上的剛度應(yīng)根據(jù)實(shí)際連接狀態(tài)分別采用剛接、鉸接、彈性連接或滑動(dòng)連接等簡(jiǎn)化模型。3、支撐玻璃幕墻的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，應(yīng)將玻璃幕墻的地震作用效應(yīng)作為附加作用對(duì)待，并滿足連接件的錨固要求，且對(duì)連接部位采取加強(qiáng)措施。4、玻璃幕墻的主要構(gòu)件應(yīng)懸掛或支撐在主體結(jié)構(gòu)上，按非結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)，不承受主體結(jié)構(gòu)的荷載及地震作用。5、玻璃幕墻及連接件應(yīng)有足夠的承載力、剛度和與主體結(jié)構(gòu)相適應(yīng)的變形能力。6、應(yīng)預(yù)估玻璃幕墻設(shè)置位置對(duì)主體結(jié)構(gòu)的不利影響，避免不合理設(shè)置而導(dǎo)致主體結(jié)構(gòu)的破壞。

對(duì)于大多數(shù)結(jié)構(gòu)師而言，玻璃幕墻與主體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是分開(kāi)進(jìn)行的，玻璃幕墻設(shè)計(jì)時(shí)，其與主體結(jié)構(gòu)的連接點(diǎn)假定為支座；主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，則將幕墻以荷載的形式作用于主體結(jié)構(gòu)上；對(duì)于一般的工程結(jié)構(gòu)而言，這樣的假定和分析是合理的，但是如果幕墻結(jié)構(gòu)的自身剛度加大且不能忽略時(shí)，就應(yīng)對(duì)上述方法進(jìn)行修正。最好的辦法是將玻璃幕墻結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起，整體來(lái)考慮結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性能，并通過(guò)調(diào)整幕墻結(jié)構(gòu)體系的相對(duì)約束度來(lái)改變整體結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度以及總荷載作用在玻璃幕墻和主體結(jié)構(gòu)之間的受力分配，從而得到一個(gè)最為安全、經(jīng)濟(jì)、合理的設(shè)計(jì)方案。

五、結(jié)語(yǔ)

為實(shí)現(xiàn)建筑幕墻的可持續(xù)發(fā)展，建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的技術(shù)理念要從傳統(tǒng)的的高耗能型轉(zhuǎn)向低碳、環(huán)保、生態(tài)的發(fā)展模式。技術(shù)理念不是某種固定的結(jié)論或方法，而是所蘊(yùn)含的設(shè)計(jì)原則，即追求健康舒適以人為本的原則、因地制宜和安全可靠的原則。

參考文獻(xiàn)

1.《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》 JGJ102-2013

2.《玻璃幕墻工程質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》JGJ139/T-2001

3..《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》 GB50011-2010

4.趙西安 /幕墻工程手冊(cè)/ 中國(guó)建工出版社/2002

5.趙西安/對(duì)汶川地震中玻璃和玻璃幕墻抗震性能的初步分析/中華玻璃網(wǎng)/2008

6.張其林/玻璃幕墻結(jié)構(gòu)/山東科技技術(shù)出版社/2006

7.曹輝/玻璃幕墻的光污染控制分析/建筑技術(shù)/2009

8.王俊/玻璃幕墻的設(shè)計(jì)研究/北京交通大學(xué)碩士論文/2008

9.田敬博/玻璃幕墻和填充墻對(duì)高層隔震鋼框架結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性能影響/中國(guó)地震工程力學(xué)研究所碩士論文/2014