建筑幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化措施論述

程志毅

摘? ? 要：當(dāng)今建筑幕墻作為建筑類的一種產(chǎn)品已被廣泛應(yīng)用。為切實(shí)優(yōu)化和提升建筑幕墻的應(yīng)用價(jià)值，必須首先切實(shí)做好幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作，確保設(shè)計(jì)方案合理可行，才能日后精準(zhǔn)指導(dǎo)幕墻工程施工階段安裝以及使用中維修與保養(yǎng)。本文以建筑幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)作為研究對(duì)象，首先介紹幾種常見的建筑幕墻結(jié)構(gòu)體系，然后具體從安全性、承載能力、經(jīng)濟(jì)性以及功能性等方面探討優(yōu)化設(shè)計(jì)措施，以供參考。

關(guān)鍵詞：建筑幕墻;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);優(yōu)化措施

1? 引言

在現(xiàn)階段我國(guó)建筑行業(yè)發(fā)展中，建筑幕墻已經(jīng)作為一種建筑類產(chǎn)品被廣泛普遍應(yīng)用。幕墻結(jié)構(gòu)體系種類豐富，造型獨(dú)特精致，對(duì)提升建筑物的品質(zhì)與價(jià)值具有積極的作用。因此建筑幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)顯得尤其重要，從幕墻結(jié)構(gòu)體系的選擇、設(shè)計(jì)以及優(yōu)化措施等環(huán)環(huán)相扣，充分考慮其合理性、安全性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性將決定建筑物的品質(zhì)、形象與市場(chǎng)價(jià)值。如果建筑幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和構(gòu)造的不合理存在缺陷，不僅會(huì)影響建筑幕墻使用中的功能性，還可能會(huì)造成其結(jié)構(gòu)與構(gòu)造的安全隱患?；诖?，針對(duì)建筑幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)予以重點(diǎn)關(guān)注，切實(shí)提高設(shè)計(jì)水平和水準(zhǔn)，成為當(dāng)今建筑幕墻的應(yīng)用關(guān)鍵環(huán)節(jié)，應(yīng)該引起高度重視和關(guān)注。

2? 建筑幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概述

隨著我國(guó)的國(guó)民經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，如今建筑幕墻已被廣泛應(yīng)用于建筑設(shè)計(jì)中，從廣義上可稱之為：“建筑外皮”，它也是一幢建筑物自身的、獨(dú)有的名片，其獨(dú)特的藝術(shù)造型甚至也是一座城市的標(biāo)志和象征。

伴隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，建筑幕墻結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的種類和構(gòu)造體系也日新月異，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與構(gòu)造設(shè)計(jì)不僅僅要注重與建筑物形體的協(xié)調(diào)性和美觀性，還必須保證建筑幕墻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的安全性、穩(wěn)定性、可靠性，同時(shí)應(yīng)當(dāng)具備良好的使用功能性（例如：抗風(fēng)壓性能、氣密性能、水密性能、熱工性能、光學(xué)性能、空氣隔聲性能、平面變形性能、耐沖擊性能、承重性能），從而提升建筑物整體的品質(zhì)與形象。結(jié)合目前建筑幕墻結(jié)構(gòu)體系的實(shí)際應(yīng)用狀況，列舉以下幾種比較常見的幕墻結(jié)構(gòu)體系。

2.1? 構(gòu)件式幕墻系統(tǒng)

最基本和最常見的幕墻結(jié)構(gòu)體系，通常首先在加工廠完成支撐框架（立柱與橫梁）和各類外飾墻面板（含組件）的制作，然后再運(yùn)送至施工現(xiàn)場(chǎng)，按照安裝工藝的順序先將支撐框架的立柱通過連接件固定在建筑主體結(jié)構(gòu)上，再將橫梁安裝在立柱上，之后將外飾面板（含組件）固定在支撐框架上。這種幕墻結(jié)構(gòu)體系具備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)承載力計(jì)算相對(duì)較為簡(jiǎn)易，并能夠承受較大的現(xiàn)場(chǎng)安裝誤差，因此被廣泛用于一般建筑物或高層/超高層建筑物的裙房部位。

2.2? 單元式幕墻系統(tǒng)

一種高性能的幕墻結(jié)構(gòu)體系，具有模塊化、裝配化、集成化等特點(diǎn)。通常是將支撐框架與外飾墻面板在加工廠完成制作和組裝，形成幕墻單元板塊，再將單元板塊運(yùn)送至施工現(xiàn)場(chǎng)，在施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行機(jī)械吊裝，單元板塊通過鋁合金或鋼質(zhì)的轉(zhuǎn)接件安裝在建筑主體結(jié)構(gòu)上。單元式幕墻系統(tǒng)具備較高的水密性能和氣密性能，其原理是采用“雨幕原理”，結(jié)合鋁合金型材的等壓腔設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)單元式幕墻結(jié)構(gòu)體系內(nèi)有組織與有導(dǎo)向性的排水，具有優(yōu)良的幕墻防雨水功能。單元式幕墻的模塊化和裝配化特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)與建筑主體同步施工，故被廣泛應(yīng)用于高層和超高層建筑物。

2.3? 點(diǎn)支式幕墻系統(tǒng)

一種主要采用金屬材料作為龍骨（鋼型材、不銹鋼等）與玻璃相結(jié)合的結(jié)構(gòu)體系。利用現(xiàn)代化計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和力學(xué)模型分析，并伴隨著建筑玻璃制造技術(shù)與工藝的提升，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)代化建筑大空間的風(fēng)格。該結(jié)構(gòu)體系支撐結(jié)構(gòu)布置靈活多變，適用于建筑物大空間、大尺度部位，該幕墻結(jié)構(gòu)體系的安全性、穩(wěn)定性尤為重要，對(duì)構(gòu)件的技術(shù)要求較高，設(shè)計(jì)需要精巧實(shí)用。

2.4? 全玻璃幕墻系統(tǒng)

隨著玻璃制造技術(shù)提升而衍生出的一種新型幕墻結(jié)構(gòu)體系。它為建筑物實(shí)現(xiàn)晶瑩剔透、獨(dú)特別致的外觀效果創(chuàng)造了一個(gè)全新的空間。在全玻幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)充分處理好建筑外立面分格與玻璃制造工藝和造價(jià)成本之間的矛盾，保證其幕墻結(jié)構(gòu)體系的安全性與穩(wěn)定性，同時(shí)兼?zhèn)淠粔こ淘靸r(jià)的性價(jià)比。

3? 建筑幕墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)措施

3.1? 安全優(yōu)化設(shè)計(jì)

建筑幕墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)以結(jié)構(gòu)的安全性、穩(wěn)定性為前提，幕墻結(jié)構(gòu)與構(gòu)造在使用過程中安全、可靠為原則，避免出現(xiàn)較嚴(yán)重的安全事故。基于建筑幕墻結(jié)構(gòu)安全性的保障工作而言，設(shè)計(jì)人員首先應(yīng)考慮幕墻結(jié)構(gòu)體系的選擇，構(gòu)造合理，以及滿足建筑的美觀，其次應(yīng)注重幕墻消防角度考慮，設(shè)計(jì)方案必須滿足規(guī)范的要求，使得幕墻具備良好的耐火性能，避免因火災(zāi)造成的安全事故。另外，對(duì)于高層和超高層建筑物，必須重點(diǎn)考慮玻璃因自爆導(dǎo)致“玻璃雨”安全事故，人造板材或者石材幕墻應(yīng)避免因面板脫落導(dǎo)致的安全事故，對(duì)于這些優(yōu)化設(shè)計(jì)中應(yīng)從幕墻材料的技術(shù)要求和材料選擇以及設(shè)置防脫落構(gòu)造設(shè)計(jì)等方面著重考慮。

建筑幕墻結(jié)構(gòu)整體的抗震性能也尤其重要。在地震作用下，幕墻應(yīng)保持整體結(jié)構(gòu)的安全性，避免因地震作用下的位移使得幕墻結(jié)構(gòu)整體較大破壞和損壞，應(yīng)當(dāng)以“小震不壞，中震可修，大震不倒”為設(shè)計(jì)原則，因此除了建筑幕墻結(jié)構(gòu)支撐構(gòu)件與外飾墻面板的強(qiáng)度和剛度應(yīng)滿足規(guī)范要求，還應(yīng)當(dāng)在相鄰幕墻單元板塊之間（例如：公母豎框之間、上下橫框之間）以及幕墻單元板塊與建筑主體結(jié)構(gòu)連接處設(shè)計(jì)預(yù)留有效的變形縫和伸縮縫，從而提高幕墻結(jié)構(gòu)整體的強(qiáng)抗震性能。

3.2? 承載能力優(yōu)化設(shè)計(jì)

首先，建筑幕墻所有支撐構(gòu)件與外飾墻面板的承載力設(shè)計(jì)必須滿足相應(yīng)的規(guī)范要求。計(jì)算參數(shù)的選擇（例如：基本風(fēng)壓、基本雪壓、地面粗糙度類型、抗震設(shè)防等級(jí)等參數(shù)）應(yīng)該與建筑主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)保持一致。設(shè)計(jì)人員應(yīng)合理地分析幕墻支撐構(gòu)件的力學(xué)模型，對(duì)支撐構(gòu)件進(jìn)行力學(xué)計(jì)算，確保支撐構(gòu)件的強(qiáng)度與剛度滿足規(guī)范和技術(shù)的要求。幕墻構(gòu)件承載能力應(yīng)具備安全性、穩(wěn)定性、可靠性，同時(shí)應(yīng)當(dāng)與經(jīng)濟(jì)性相匹配，不能因考慮支撐構(gòu)件的承載能力，而忽視幕墻工程造價(jià)的性價(jià)比。

幕墻結(jié)構(gòu)承載能力優(yōu)化設(shè)計(jì)，首先應(yīng)當(dāng)考慮基本風(fēng)壓的取值，應(yīng)結(jié)合項(xiàng)目的具體情況而定（例如：規(guī)范要求取值或者風(fēng)洞試驗(yàn)報(bào)告取值），還應(yīng)考慮幕墻系統(tǒng)位于建筑物不同部位體型系數(shù)的取值，結(jié)合支撐構(gòu)件合理的力學(xué)模型分析，支撐構(gòu)件是安全、穩(wěn)定、可靠的，并為幕墻支撐構(gòu)件和外墻面板的材料選擇提供數(shù)據(jù)支撐。

承載能力優(yōu)化設(shè)計(jì)中，建筑幕墻各類材料的優(yōu)化應(yīng)當(dāng)科學(xué)與合理，尤其是對(duì)于各類支撐材料的選擇，需重點(diǎn)關(guān)注材料的強(qiáng)度、剛度性能，了解其對(duì)于建筑幕墻結(jié)構(gòu)承載力的貢獻(xiàn)，避免因采用劣質(zhì)材料或者是型號(hào)/牌號(hào)不匹配的材料參與建筑幕墻的構(gòu)建。針對(duì)建筑幕墻結(jié)構(gòu)中的各受力構(gòu)件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，既保證幕墻構(gòu)件的支撐性能的安全與穩(wěn)定，同時(shí)具有良好的經(jīng)濟(jì)性。

3.3? 經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化設(shè)計(jì)

對(duì)于建筑幕墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)而言，往往還需要幕墻設(shè)計(jì)人員重點(diǎn)考慮到經(jīng)濟(jì)性的要求，能夠在業(yè)主投資范圍內(nèi)進(jìn)行幕墻方案設(shè)計(jì)，避免因?yàn)樵O(shè)計(jì)方案不合理，產(chǎn)生較為嚴(yán)重的超預(yù)算的問題。因此在建筑幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該致力于平衡美觀性與經(jīng)濟(jì)性之間的矛盾，以確保建筑幕墻結(jié)構(gòu)安全、穩(wěn)定、可靠為前提，避免過度追求美觀性或藝術(shù)性而造成建筑幕墻造價(jià)過高。設(shè)計(jì)人員首先需要關(guān)注于幕墻材料的選擇，所選擇的材料均符合技術(shù)、造價(jià)的要求，在保證材料技術(shù)要求的基礎(chǔ)上，優(yōu)先選擇性價(jià)比相對(duì)較高的幕墻材料。從建筑幕墻結(jié)構(gòu)類型優(yōu)化設(shè)計(jì)著手進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性控制同樣極為重要，需要設(shè)計(jì)人員針對(duì)不同建筑幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行綜合評(píng)估，精準(zhǔn)判定幕墻工程造價(jià)，從而在條件允許的情況下，優(yōu)先選擇最為適宜的設(shè)計(jì)方案。

3.4? 功能性優(yōu)化設(shè)計(jì)

建筑幕墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中還應(yīng)重點(diǎn)考慮其功能性的要求，使得建筑幕墻產(chǎn)品在使用中發(fā)揮出應(yīng)有的功能與價(jià)值。在功能性優(yōu)化設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員首先考慮幕墻的基本功能，例如：抗風(fēng)壓性能、水密性能、氣密性能、熱工性能、光學(xué)性能、空氣隔音性能、平面變形性能等，另外應(yīng)考慮設(shè)計(jì)的集成化，例如：遮陽、燈光亮化、BMU等因素。除此之外，優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)具備維護(hù)更換的方案，保證建筑幕墻產(chǎn)品在使用過程中的可維修與更換。

4? 結(jié)束語

建筑幕墻在建筑設(shè)計(jì)中被廣泛應(yīng)用，建筑師對(duì)建筑物的造型更加藝術(shù)性，為提升建筑幕墻的應(yīng)用，必須首先考慮幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，基于安全性、承載能力、經(jīng)濟(jì)性以及功能性進(jìn)行設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化，從而使得建筑幕墻既美觀，又實(shí)用，展現(xiàn)建筑物的造型藝術(shù)。

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