基于建筑幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化探討

李幸清

摘 要：隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化建設(shè)的快速發(fā)展，城市建筑在功能性、實(shí)用性和節(jié)能環(huán)保等方面的要求越來(lái)越突出。建筑幕墻的形式與功能的多樣性使得建筑具有了更多的美觀和實(shí)用效用。在現(xiàn)代化建筑中各種形式和結(jié)構(gòu)的幕墻對(duì)于建筑的整體結(jié)構(gòu)在力學(xué)性能和安全性能等方面，對(duì)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了很高的要求，同時(shí)，在幕墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中還要兼顧經(jīng)濟(jì)性和美觀效果。但在實(shí)際施工設(shè)計(jì)中，由于各種設(shè)計(jì)因素和施工因素的影響，很多幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在著諸多不足，影響著建筑的安全與質(zhì)量，這就需要在建筑幕墻的設(shè)計(jì)過(guò)程中，認(rèn)真研究其結(jié)構(gòu)選型及外在體現(xiàn)的效果，從而滿(mǎn)足建筑幕墻的設(shè)計(jì)需求。本文主要闡述現(xiàn)代我國(guó)建筑結(jié)構(gòu)中幕墻結(jié)構(gòu)的主流設(shè)計(jì)思路，及日后發(fā)展創(chuàng)新的思路，提出現(xiàn)代化建筑幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化策略。

關(guān)鍵詞：建筑；結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)；優(yōu)化

1 前言

近些年，人們的生活水平在不斷提高，對(duì)于建筑物的要求也更高。傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足人們對(duì)建筑外觀和功能等方面的需求。除了傳統(tǒng)的住宅建筑以外，新型的公共建筑、玻璃幕墻建筑等新的建筑涌現(xiàn)，這對(duì)建筑設(shè)計(jì)師提出了更高的要求，設(shè)計(jì)師需要不斷探索建筑、結(jié)構(gòu)，采取科學(xué)措施優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提升建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化水平，從而更好的服務(wù)于施工。筆者根據(jù)相關(guān)工作經(jīng)驗(yàn)，主要探究建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的優(yōu)化策略，供大家參考和借鑒。

2 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化概述

設(shè)計(jì)師對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化是一項(xiàng)專(zhuān)業(yè)性較強(qiáng)的工作。在明確建筑設(shè)計(jì)目的、使用功能的基礎(chǔ)上，用恰當(dāng)?shù)姆椒ㄟM(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，建筑設(shè)計(jì)先制定多種對(duì)比方案，綜合考慮外立面的設(shè)計(jì)，再結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中安全實(shí)用和可行性較強(qiáng)的設(shè)計(jì)方案，對(duì)項(xiàng)目的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行綜合的考慮。因?yàn)榻ㄖこ躺婕暗拿姹容^廣，因此對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)涉及豐富的內(nèi)容，主要包括建筑方案優(yōu)化和結(jié)構(gòu)、成本方案優(yōu)化。如果再進(jìn)一步細(xì)分，建筑方案優(yōu)化包括總圖規(guī)劃方案、戶(hù)型方案、建筑風(fēng)格等方面的優(yōu)化等等； 結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)包括： 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)選型方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)細(xì)部設(shè)計(jì)的優(yōu)化設(shè)計(jì)等等[1]。設(shè)計(jì)師通過(guò)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以合理分配固定資源和有限空間，最大化使用建筑設(shè)備和建筑材料，保證建成的房屋具有美觀，安全和舒適等特點(diǎn)。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化主要是合理分配資源，并且對(duì)資源進(jìn)一步加強(qiáng)固定。在造價(jià)方面，經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)的房屋更加節(jié)省。如果站在長(zhǎng)遠(yuǎn)利益的角度，建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是一種可持續(xù)的理念，可以最大化的利用資源。

3 建筑幕墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要注意的問(wèn)題

其一，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(mǎn)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]。

其二，設(shè)計(jì)過(guò)程中，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(lái)的載荷影響，以及這些載荷變化帶來(lái)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。

其三，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(guò)度浪費(fèi)。

4 建筑幕墻設(shè)計(jì)優(yōu)化思路

建筑幕墻設(shè)計(jì)是一項(xiàng)非常復(fù)雜且專(zhuān)業(yè)的技術(shù)，涉及到傳統(tǒng)的應(yīng)力計(jì)算和安全設(shè)計(jì)學(xué)，設(shè)計(jì)者在保證幕墻結(jié)構(gòu)安全、經(jīng)濟(jì)、美觀的前提條件下，需要對(duì)整個(gè)方案做細(xì)致的優(yōu)化工作[3]。

4.1 結(jié)構(gòu)安全優(yōu)化

幕墻結(jié)構(gòu)的安全設(shè)計(jì)主要包括載荷壓力計(jì)算和幕墻結(jié)構(gòu)安全性?xún)纱髩K，在保證了第一點(diǎn)達(dá)標(biāo)之后，我們還需對(duì)結(jié)構(gòu)的整體安全做一道防護(hù)工序。現(xiàn)實(shí)環(huán)境下，高層建筑不斷受到各種惡劣天氣的沖擊，幕墻結(jié)構(gòu)經(jīng)常會(huì)面臨著雨雪雷電的“腐蝕”，受到火災(zāi)的考驗(yàn)。因此，結(jié)構(gòu)的防火、防雪、防雷、防震等性能，都是在設(shè)計(jì)方案中不得忽略的細(xì)節(jié)。較大型的玻璃采光頂，必須使用耐火極限不低于0.25h的三級(jí)耐火級(jí)的吊頂，同時(shí)滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)防火的要求，其他如防雷、防高空墜物、防冰雹等設(shè)計(jì)要求，在抗震設(shè)計(jì)中，玻璃幕墻的鑲嵌深度要保證可靠固定[4]。重點(diǎn)做好各構(gòu)件連接點(diǎn)的設(shè)計(jì)優(yōu)化，幕墻結(jié)構(gòu)消防安全通道的影響布置也很重要。

4.2 載荷性能優(yōu)化

設(shè)計(jì)師可以根據(jù)結(jié)構(gòu)的選材和形式，來(lái)計(jì)算出幕墻結(jié)構(gòu)的整體載荷極限。如果幕墻載荷極限過(guò)低，則很容易在周遭環(huán)境的變動(dòng)下，發(fā)生安全隱患。設(shè)計(jì)師在考慮清楚這一點(diǎn)后，需要對(duì)整座建筑附近的地理、氣候環(huán)境等因素作出評(píng)估，最后再根據(jù)計(jì)算出來(lái)的幕墻載荷極限，來(lái)選擇耗材，設(shè)計(jì)墻體外觀。

4.3 結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)化

考慮幕墻結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)合理性，是整個(gè)工程項(xiàng)目預(yù)算的組成部分，影響到整個(gè)工程的開(kāi)展進(jìn)度與效率。合理的幕墻設(shè)計(jì)方案，既能滿(mǎn)足基本的美觀與安全性需求，同時(shí)在選材類(lèi)別和量的方面，也能做到經(jīng)濟(jì)適用，不會(huì)造成鋪張浪費(fèi)，或大材小用。

4.4 采光、保溫等功能優(yōu)化

建筑幕墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅僅是對(duì)建筑物的美觀設(shè)計(jì)，同時(shí)，幕墻結(jié)構(gòu)帶來(lái)的采光和保溫等實(shí)用功能才是幕墻結(jié)構(gòu)得以快速發(fā)展的主要功能，而保溫隔熱和采光有時(shí)其功能會(huì)發(fā)生沖突，如玻璃幕墻的采光效果好，但保溫隔熱差，因此，選擇不同傳熱系數(shù)的玻璃，采用隔熱斷橋鋁型材作為框架結(jié)構(gòu)，同時(shí)優(yōu)化密封方式，采用雙層幕墻，相對(duì)于單層傳統(tǒng)幕墻，在采暖時(shí)可以節(jié)省能源約40%到50%，制冷時(shí)可以節(jié)約能源約40%到60%[5]。

4.5 建筑材料優(yōu)化

隨著社會(huì)技術(shù)的發(fā)展，在市場(chǎng)上有很多新型的節(jié)能環(huán)保材料可供選擇。對(duì)設(shè)計(jì)師而言，需要對(duì)新型的材料有敏銳的觸覺(jué)，能夠在設(shè)計(jì)時(shí)考慮采用合適的新型環(huán)保材料，以達(dá)到減少能耗、減少造價(jià)的優(yōu)化要求。如帶保溫、防火性能的外墻仿石材裝飾系統(tǒng)、鋼筋網(wǎng)片等的新型材料，都能對(duì)項(xiàng)目的優(yōu)化設(shè)計(jì)、降低工程造價(jià)、加快工程施工進(jìn)展帶來(lái)明顯的優(yōu)化效果。

4.6 平面設(shè)計(jì)方案優(yōu)化

建筑的平面設(shè)計(jì)方案不同，建筑的合理使用性以及建筑成本的需求量也會(huì)不同。因此在多個(gè)建筑平面設(shè)計(jì)方案中選擇最優(yōu)設(shè)計(jì)方案非常重要，要確定建筑的平面布局、柱網(wǎng)間距到樓層數(shù)、層高、建筑物的高度和房屋的基本類(lèi)型等，同時(shí)房屋開(kāi)間大小和進(jìn)深對(duì)會(huì)對(duì)設(shè)計(jì)方案產(chǎn)生影響。如果建筑房屋的性能相同，一般設(shè)計(jì)方案和最優(yōu)設(shè)計(jì)方案的成本不同。因此在優(yōu)化設(shè)計(jì)方案時(shí)要根據(jù)具體情況選擇側(cè)重點(diǎn)。

5 結(jié)語(yǔ)

總而言之，合理、優(yōu)化的建筑設(shè)計(jì)不但可以節(jié)約項(xiàng)目造價(jià)成本，還可以為社會(huì)創(chuàng)造附加經(jīng)濟(jì)價(jià)值，建設(shè)成本的有效控制與資金節(jié)省、充分高效合理的使用土地資源。為此建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，要優(yōu)化設(shè)計(jì)建筑結(jié)構(gòu)，提高設(shè)計(jì)水平。

文章首先對(duì)建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化進(jìn)行概述，再分析建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的意義，原則和策略，最后提出建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)策略的應(yīng)用。希望通過(guò)本文的研究對(duì)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中優(yōu)化水平的提高有所幫助。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王美倫.參數(shù)化設(shè)計(jì)在復(fù)雜形態(tài)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[D].北京建筑大學(xué)，2016.

[2] 高麗慧.夏熱冬冷地區(qū)雙層玻璃幕墻熱通道內(nèi)氣流組織模擬分析[D].湖南大學(xué)，2015.

[3] 李毅.L型截面高層建筑風(fēng)荷載特性及其優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[D].湖南大學(xué)，2015.

[4] 黃隆旺.簡(jiǎn)析球形幕墻設(shè)計(jì)技術(shù)[J].工程建設(shè)，2014（3）：21～25+31.

[5] 丁力.基于ANSYS的固定式擦窗機(jī)的設(shè)計(jì)與研究[D].安徽理工大學(xué)，2013.