建筑幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化探究

王俊彪 旭輝集團股份有限公司

1 前言

為了增強城市的美感，確保建筑的不同特點，幕墻的應用和發(fā)展起著重要的作用。根據(jù)建筑幕墻在結(jié)構(gòu)、材料、受力等方面，展開相應的設(shè)計方法。建筑幕墻作為一個完整的結(jié)構(gòu)體系，其主體具有一定的獨立性，不承擔相應的荷載，它由面板和支承結(jié)構(gòu)組成，具有一定的抗震、隔熱和氣密性，為了延長其使用壽命，保證使用的穩(wěn)定性，本文圍繞幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計展開分析研究。

2 建筑幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計的要點

2.1 構(gòu)件式幕墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計

結(jié)構(gòu)幕墻是一種新型的結(jié)構(gòu)形式，有隱框、半隱框、明框等多種形式。需在工廠開展設(shè)計和制造，并將其運送到工地進行裝配。在構(gòu)件型幕墻的設(shè)計中應充分重視整體，使其與主體建筑有機地融合，并注重各個工藝環(huán)節(jié)的高效銜接，從而確保在使用過程中構(gòu)件的穩(wěn)定。

首先，設(shè)計師要開展幕墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計，獲得有關(guān)技術(shù)指標和數(shù)據(jù)，并詳細說明工程項目的高度、龍骨截面積等，選取明框式、半隱式等建筑結(jié)構(gòu)，以決定構(gòu)件數(shù)量、規(guī)格等。

在開展結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程中，還要注意安裝與維修，確保按實際工程的要求予以合理的安裝。分析建筑物的桿件和預制件的布置條件，在預埋件的設(shè)計中，應確保錨筋、螺紋鋼等部件均符合相關(guān)規(guī)范要求，并按工程要求進行。

2.2 單元式幕墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計

在單元式幕墻中，它的作用是將外墻的面材、構(gòu)件支承體系和金屬裝飾線作為一個整體，并結(jié)合掛件位置、玻璃、金屬分格等各方面因素，決定了柱子和孔的位置，并采用工藝和焊接的方式，構(gòu)成了一體化龍骨體系。在完成接頭處理和接收工作后，要將接頭和柱子之間的連接用不銹鋼螺栓固定，然后再通過移動吊車和電吊車實現(xiàn)整個吊裝；安裝完畢后，幕墻接頭應該用螺釘固定。

在安裝時，本體預制和接頭必須采用焊接或螺絲固定，以實現(xiàn)構(gòu)件的連接。二樓的上部和下部采用公、母相結(jié)合作為主體，在各單元的裝配和檢驗通過后，即可實施整體裝配，從而實現(xiàn)整體式玻璃幕墻的施工。在施工項目中，板塊調(diào)節(jié)是單體幕墻施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它在單體幕墻的施工中占有舉足輕重的地位。在調(diào)整單元板底不貫通的橫向構(gòu)件（見圖1）時，施工人員應理解并把握板塊的基本原理，板塊的整理工作應該遵循“橫平豎直”的調(diào)整原則。

圖1 單元板塊底部非通長橫梁示意圖

單元式幕墻具有其獨特的特點，具體包括以下幾點。

（1）節(jié)約能源和環(huán)境保護。采用單元式幕墻具有節(jié)約能源、環(huán)境友好等優(yōu)點，可降低現(xiàn)場施工噪聲，實現(xiàn)防雨水滲漏，并具有防風等作用。

（2）使用方便。不管是裝配還是安裝，都很簡單，可以在大樓里完成，降低了起重機和大型腳手架的使用率。

（3）具有很高的工業(yè)水平。無論是單體幕墻的設(shè)計與制造，還是選用材質(zhì)與構(gòu)造，抑或是經(jīng)營及維修單位，都需要在廠房內(nèi)完成；而且，這些廠房都是專業(yè)化的，可以保證每一個生產(chǎn)過程的品質(zhì)，同時也可以對其嚴格管理，如此，玻璃幕墻在工程上達到很高的工業(yè)水平。

2.3 全玻璃幕墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計

玻璃幕墻是一種以玻璃加強筋與玻璃片構(gòu)成的建筑系統(tǒng)。在實際工程中，能夠確保玻璃幕墻的整體和透氣性，在一些辦公樓、商業(yè)櫥窗中都被大量使用。通過將其分割為幾個部分，使其達到充分的透光度，同時減小了墻體的豎向和橫向間距，從而增強了景觀的觀感。

首先，在玻璃結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，幕墻設(shè)計師必須對玻璃面板展開結(jié)構(gòu)設(shè)計，明確玻璃的類型、受力體系，從抗震級別和周圍的環(huán)境條件出發(fā)，對玻璃的表面結(jié)構(gòu)、強度和防污性進行研究。按照不同的特性，合理使用玻璃板材，并從其力學性能、密封性能和材料性能等方面加以分析，并開展工藝設(shè)計。

另外，在整體玻璃幕墻的設(shè)計中，還必須考慮到其材料、工作原理、密封條件等方面問題，如采用鋼、鋁合金等材料，可以增加其承載力，并將其運用于工程實踐中，確保整個幕墻的安全性和穩(wěn)定性。

3 建筑幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化的具體措施

為進一步優(yōu)化建筑幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計效果，不斷優(yōu)化設(shè)計質(zhì)量，針對建筑幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計特點，分別從結(jié)構(gòu)材料、結(jié)構(gòu)計算方法、結(jié)構(gòu)設(shè)計方法和設(shè)計人員等角度探討優(yōu)化思路。

3.1 結(jié)構(gòu)材料的優(yōu)化

首先，支撐體系以鋼材為主。在開展結(jié)構(gòu)設(shè)計時，要明確其主要的物理特性，確定其密度、膨脹系數(shù)等技術(shù)指標的變動幅度，以保證其強度設(shè)計、標準值和限制值，并對鋼的焊接工藝也進行了最優(yōu)設(shè)計，規(guī)范其厚度、焊條類型等。抗剪強度、抗拉強度等指標均滿足設(shè)計規(guī)范的要求。

另外玻璃是幕墻中最常用的一種材料。員工必須具備鋼化玻璃、鍍膜玻璃和膠質(zhì)玻璃的綜合知識，并能根據(jù)其重量、應力和性能作出合理的選用。通過專家厘清其強度的界限，以確保其在幕墻結(jié)構(gòu)中的合理使用。

3.2 結(jié)構(gòu)計算設(shè)計的優(yōu)化

首先，在對建筑物面板進行分析時，針對不同的結(jié)構(gòu)形式和面板分析板受載荷時的受力情況，從線性和非線性等不同的方面加以分析，以確保結(jié)構(gòu)的均衡，進而求出板的應力等，并進行相關(guān)的計算。另外，還要開展幕墻的支承系統(tǒng)的設(shè)計。結(jié)合施工現(xiàn)場，分別展開橫向和縱向載荷的分析，并采用影響效果因子進行計算。在此基礎(chǔ)上，建立相關(guān)的數(shù)學建模，以確保計算中的邏輯聯(lián)系。

3.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計方法的優(yōu)化

首先，有必要對BIM技術(shù)開展工程設(shè)計。BIM技術(shù)是一種三維可視性技術(shù)，它可以與各種計算機軟件的功能相融合，為工程的開發(fā)工作搭建一個合適的平臺，從而達到信息交換和分享的目的。結(jié)合工程場地條件，對其進行優(yōu)化。此外，利用機器學習、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能技術(shù)對數(shù)據(jù)進行有效的處理，實現(xiàn)對各種數(shù)據(jù)的快速運算，以確保精度。

3.4 設(shè)計人員的優(yōu)化

在進行幕墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化時，應強化工程設(shè)計者的整體素質(zhì)和能力，使其具備一定的技術(shù)與實際工作經(jīng)歷，同時，在工程施工之前，必須開展系統(tǒng)性訓練，以加強設(shè)計師的完整性。只有經(jīng)過相應的考核，方可進行施工幕墻的施工，確保施工工作的有條不紊，并能對施工中的問題及時加以解決。

4 實例分析

4.1 工程概況

某建筑幕墻工程項目，幕墻系統(tǒng)有以下幾種：100系統(tǒng)單元式玻璃幕墻、200系統(tǒng)框架式玻璃幕墻系統(tǒng)、300系統(tǒng)豎明橫隱框架式幕墻系統(tǒng)、800系統(tǒng)金屬網(wǎng)吊頂系統(tǒng)。

4.2 整體設(shè)計理念

整體結(jié)構(gòu)龐大，內(nèi)部結(jié)構(gòu)錯綜復雜。從設(shè)計到施工，再到完工和使用，環(huán)環(huán)相扣。因此，在這種情況下，必須建立起一套方法合理、系統(tǒng)完備、組織高效的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，并在各個環(huán)節(jié)之間進行高效的協(xié)同與協(xié)作。

從設(shè)計之初，設(shè)計師就系統(tǒng)地整理了所需設(shè)計問題，采用創(chuàng)新的設(shè)計思想，將設(shè)計目標、技術(shù)標準、技術(shù)難點等問題整合到整體技術(shù)架構(gòu)中，以BIM技術(shù)為基礎(chǔ)的數(shù)字管理和控制體系，形成整體的系統(tǒng)化、一體化的設(shè)計思路。從工程的整體規(guī)劃到建設(shè)，保證工程的品質(zhì)和工期。

4.3 建筑表皮設(shè)計技術(shù)

該建筑外墻是一套綜合了主動與無源技術(shù)的智能化幕墻體系。寫字樓室外使用了兩種通風復合遮陽幕，集圍護、觀景、遮陽于一體，節(jié)能智能集成肌膚體系。單片幕墻是一種將幕墻結(jié)構(gòu)、遮陽系統(tǒng)和通風系統(tǒng)整合為一個工廠型的結(jié)構(gòu)體系，并在現(xiàn)場進行裝配。100系統(tǒng)的外墻采用了內(nèi)、外兩種玻璃結(jié)構(gòu)的內(nèi)通風型雙層幕墻。在此過程中，還設(shè)有感知光、熱、照度等外界環(huán)境。能夠根據(jù)外界環(huán)境的不同，自主地打開或關(guān)掉智能的遮光裝置，調(diào)整辦公環(huán)境中的光、熱環(huán)境，營造出舒適的辦公環(huán)境。

4.4 外幕墻設(shè)計體系

中庭空間的外側(cè)幕墻是由大型吊頂與支承組合而成，最大限度地分割出最大面積的玻璃窗和最大的透明幕墻，確保了整個幕墻的透明，與室內(nèi)的空間模數(shù)和室外的大面積的都市空間形成一致。300號幕墻系統(tǒng)窗戶的玻璃板為雙層空心特級鋼結(jié)構(gòu)，該系統(tǒng)主受力龍骨采用350mm×80mm×12mm鍍鋅鋼立柱，深暖灰色（Q235B，氟碳噴涂），橫向設(shè)有不銹鋼鋼索（高釩索Φ12mm），鋼索與鋼立柱之間通過定制鎖具（V形鋼索夾扣和索夾扣套筒）固定，鋼索張拉完成后擰緊鎖具不銹鋼螺釘，以保證幕墻結(jié)構(gòu)體系側(cè)向穩(wěn)定性。

在垂直鋼龍骨架的前部，安裝了10mm厚度的碳纖維板，用于承受垂直地震時的重力，以及在垂直方向受力的情況下，玻璃與玻璃板之間的連接部，使用了耐候膠，確保其密封性。

4.5 吊頂設(shè)計體系

創(chuàng)新的室內(nèi)和室外天花板使用了干式金屬張力網(wǎng)片。張力網(wǎng)上的花紋方向各不相同，一邊是鱗片，一邊是平整的，從四面八方都能看到不同的畫面。

4.6 玻璃幕墻設(shè)計的主要技術(shù)措施

由于該工程中的幕墻體系占據(jù)了工程的絕大部分，因此為了進一步提升設(shè)計的有效性，打造精細化的管理方案，本項目采用BIM技術(shù)，將BIM技術(shù)應用到項目中，以提高其施工效率和項目的質(zhì)量。BIM技術(shù)最大的優(yōu)點就是可進行3D可視化轉(zhuǎn)換，能夠檢測出施工期間有無撞擊現(xiàn)象，進而對項目展開更好的規(guī)劃，降低在施工中出現(xiàn)的差錯和返工的概率，并顯著降低施工過程中的風險。

4.6.1 落實設(shè)計思路的優(yōu)化

一般來說，在施工中，玻璃幕墻的制作周期較長，在最初的設(shè)計階段，要經(jīng)過多次的修改和調(diào)整，方能達到后期的使用要求。但使用傳統(tǒng)的手工修正和調(diào)節(jié)方法，不僅效果不佳，而且還很難控制細節(jié)?；诮ㄖO(shè)計的高效性，運用BIM技術(shù)建立可視化的系統(tǒng)，使設(shè)計者可更好地展示出具體的建筑材料選擇、分析相關(guān)節(jié)點、確認螺栓型號等，使原本的設(shè)計方案更為精確，從而為后續(xù)的幕墻工程建設(shè)打下堅實的理論依據(jù)。

4.6.2 實現(xiàn)設(shè)計方案的優(yōu)化

在以往的建筑系統(tǒng)中，工程的計劃和修改必須與建筑設(shè)計部門共同努力，并根據(jù)工程的具體施工條件，對工程的各種細節(jié)加以論證，并綜合考慮其功能、投資價值和外觀美感。通過BIM技術(shù)進行立體建模，使設(shè)計者和施工人員能更好地理解目前存在的問題和解決問題的狀況；同時展開相應的改進，既方便了招標文件的編制，又為幕墻工程的后續(xù)安裝提供了高效的保證。

4.6.3 優(yōu)化幕墻設(shè)計工作，提升綜合性能

BIM技術(shù)在幕墻設(shè)計中的運用，既可優(yōu)化工程前期和后期的各方面，又可以利用6D建模評價整體的性能，從而提高整體的設(shè)計效果。BIM模型不僅能顯示出單位幕墻部分的具體情況，還能進行撞擊探測，并依據(jù)設(shè)計結(jié)果做出相應的修改，大大降低了以后工程建設(shè)中出現(xiàn)的問題；減少了不必要的調(diào)試和施工。

在這一基礎(chǔ)上，運用6D建模方法，分析了幕墻工程的整體表現(xiàn)，具體包括：分析、探究幕墻的抗風性；仿真測試幕墻的地震性能；仿真幕墻施工后室內(nèi)的通風狀況；檢查幕墻工程的設(shè)計結(jié)果是否符合有關(guān)標準；實施多種性能檢測，確保幕墻的整體經(jīng)濟效益最優(yōu)。

5 結(jié)束語

綜上所述，隨著我國經(jīng)濟的高效發(fā)展，為了進一步推動城市化的發(fā)展，建設(shè)一個高質(zhì)量的建筑業(yè)管理體系和設(shè)計體系已成為關(guān)注的焦點。在建筑幕墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，對于單元幕墻、構(gòu)件幕墻和全玻璃幕墻等不同的結(jié)構(gòu)體系，相關(guān)人員需具體研究幕墻的設(shè)計要點，了解設(shè)計中存在的問題，包括計算等，以便找到結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化的主要思路。其中，BIM技術(shù)能有效提高建筑玻璃幕墻施工的科學性和合理性，三維模型和6D模型可準確檢測建筑幕墻本身的功能和細節(jié)，同時提高其綜合效益，延長幕墻的使用壽命。