建筑幕墻鋼結(jié)構(gòu)裝飾設(shè)計(jì)要點(diǎn)及其技術(shù)應(yīng)用研究

吳和坤 單宏偉 趙 舉 宋首憲 謝志威

現(xiàn)階段，鋼結(jié)構(gòu)在建筑布置得到了靈活應(yīng)用，且以其為基礎(chǔ)的新型墻體對(duì)于提升建筑的節(jié)能性、環(huán)保性及安全舒適性具有積極的促進(jìn)作用[1]。在城市不斷發(fā)展的背景下，存在大量舊建筑，并針對(duì)該類建筑存在的問(wèn)題，可以對(duì)其進(jìn)行拆除處理[2]，借助鋼結(jié)構(gòu)建筑的高回收利用率及可持續(xù)性的屬性特征，上述問(wèn)題也均可以得到不同程度的解決[3]。但值得注意，以鋼結(jié)構(gòu)幕墻為基礎(chǔ)的建筑雖然在諸多方面均表現(xiàn)出了其顯著的優(yōu)點(diǎn)，但是也存在整體性和抗震性相對(duì)較低的問(wèn)題，特別是作為建筑結(jié)構(gòu)的重要組成部分（幕墻）時(shí)[4]，如何通過(guò)合理的連接方式建立幕墻鋼結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)之間的一體化關(guān)系，成為了建筑幕墻鋼結(jié)構(gòu)裝飾設(shè)計(jì)階段面臨的重點(diǎn)和難點(diǎn)[5]。為此，本文提出建筑幕墻鋼結(jié)構(gòu)裝飾設(shè)計(jì)要點(diǎn)及其技術(shù)應(yīng)用研究。

1 建筑幕墻鋼結(jié)構(gòu)裝飾設(shè)計(jì)

1.1 建筑幕墻剛性構(gòu)件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

建筑幕墻的剛性構(gòu)件是指具有較高剛度和抗變形能力的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，在幕墻系統(tǒng)中起著支撐、連接和穩(wěn)定作用。具體設(shè)計(jì)方式如圖1 所示。

圖1 建筑幕墻剛性構(gòu)件結(jié)構(gòu)（來(lái)源：作者自繪）

在具體的設(shè)計(jì)過(guò)程中需要注意，幕墻支承構(gòu)件[6]承受水平荷載的方式大多以簡(jiǎn)支或連續(xù)的梁式受彎方式進(jìn)行，而對(duì)應(yīng)豎向荷載，其主要是以軸拉或軸壓的方式承受。針對(duì)這一屬性特征，本文在對(duì)該部分構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，按拉彎或壓彎構(gòu)件進(jìn)行。

拉彎和壓彎構(gòu)件形式如圖2 所示。拉彎和壓彎構(gòu)件在建筑幕墻系統(tǒng)中扮演著重要的角色，不僅支持和傳遞荷載，還能夠?qū)崿F(xiàn)幕墻的整體結(jié)構(gòu)性能和功能要求。根據(jù)具體的設(shè)計(jì)要求和施工情況，要合理選擇和使用拉彎和壓彎構(gòu)件，并確保其材料、尺寸和連接方式的可靠性和適應(yīng)性。

圖2 拉彎和壓彎構(gòu)件形式（來(lái)源：作者自繪）

1.1.1 拉彎構(gòu)件

拉彎構(gòu)件主要承受拉力以及柱向荷載，并將這些力傳遞給幕墻的其他部分。常見(jiàn)的拉彎構(gòu)件有螺桿、牽引桿、懸掛桿等。拉彎構(gòu)件通過(guò)端頭連接或固定接頭連接到結(jié)構(gòu)體系，經(jīng)過(guò)拉伸形變，對(duì)幕墻系統(tǒng)進(jìn)行拉伸支撐，同時(shí)還能夠抵抗外部的風(fēng)力和重力荷載。

1.1.2 壓彎構(gòu)件

壓彎構(gòu)件主要承受壓力以及梁向荷載，并將這些力傳遞給幕墻的其他部分[7-8]。常見(jiàn)的壓彎構(gòu)件有鋁合金型材、鋼制型材等。壓彎構(gòu)件通過(guò)連接件連接到結(jié)構(gòu)體系，并通過(guò)受壓形變來(lái)對(duì)幕墻系統(tǒng)進(jìn)行壓縮支撐，以滿足幕墻整體的穩(wěn)定性和剛度要求。

圖2 中，e通常為應(yīng)力狀態(tài)中軸向力作用點(diǎn)與截面幾何形心之間的距離；N為作用在構(gòu)件上的垂直于構(gòu)件軸線的力，可以是壓縮力（負(fù)值）或拉伸力（正值），對(duì)構(gòu)件的承載能力和穩(wěn)定性有重要影響；M為作用在構(gòu)件上的使其發(fā)生彎曲的力矩，通常因外部載荷的施加產(chǎn)生。彎矩會(huì)導(dǎo)致構(gòu)件發(fā)生彎曲應(yīng)變，要考慮構(gòu)件的截面形狀和材料特性來(lái)進(jìn)行彎曲承載能力的計(jì)算。

通過(guò)這樣的方式，最大限度保障幕墻支承結(jié)構(gòu)的剛度能夠滿足建筑的抗震性能要求，對(duì)應(yīng)的整體變形也能穩(wěn)定在相對(duì)較小的水平。在對(duì)立柱和橫梁進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，本文為二者建立了正交關(guān)系，使其組成實(shí)腹構(gòu)件框式結(jié)構(gòu)，這樣做的目的是使建筑在視覺(jué)上具有更加輕巧通透的特點(diǎn)，最大限度體現(xiàn)幕墻的應(yīng)用效果。

1.2 建筑幕墻柔性構(gòu)件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文以單層索網(wǎng)為研究對(duì)象―裝飾性的幕墻構(gòu)件，常用于建筑外立面的裝飾和遮陽(yáng)等功能[9]。它由一組水平和垂直方向的鋼索組成，通過(guò)連接節(jié)點(diǎn)形成網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)。單層索網(wǎng)實(shí)際圖如圖3 所示。

圖3 單層索網(wǎng)實(shí)際圖（來(lái)源：作者自攝）

單層索網(wǎng)采用輕型材料（如不銹鋼或高強(qiáng)度鋼絲繩）制成，具有較高的強(qiáng)度和剛度，同時(shí)重量相對(duì)較輕[10]。其網(wǎng)格結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出透明性，可在保證室內(nèi)采光的同時(shí)提供外界的視覺(jué)連接。單層索網(wǎng)采用一定的網(wǎng)孔間距和索桿的排布方式，通過(guò)節(jié)點(diǎn)的連接形成一個(gè)整體的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。水平方向的鋼索分別負(fù)責(zé)承受水平荷載和自重，垂直方向的鋼索則對(duì)抗豎向荷載。這種結(jié)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)相對(duì)自由的形狀和曲線。單層索網(wǎng)有較高的透光性和通透性，允許室內(nèi)外的光線和空氣交流。其輕質(zhì)化的特點(diǎn)使安裝和維護(hù)變得更加簡(jiǎn)便和經(jīng)濟(jì)高效。此外，單層索網(wǎng)還有一定的自潔性能，能減少污染物的附著。

與其他類型的柔性構(gòu)件相比，單層索網(wǎng)對(duì)于支撐體系所占用空間的要求實(shí)現(xiàn)了最大限度減少，同時(shí)對(duì)于增強(qiáng)整幅幕墻的通透感也有極為重要的促進(jìn)作用。在具體的設(shè)計(jì)過(guò)程中，從拉索應(yīng)力剛度的角度出發(fā)，結(jié)合單層索網(wǎng)施工環(huán)境的實(shí)際工況，為其施加了預(yù)拉力，具體的設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)為在預(yù)拉力的作用下，單層索網(wǎng)體系在各種荷載作用下不出現(xiàn)松弛情況，通過(guò)這樣的方式，使鋼索材料的強(qiáng)度優(yōu)勢(shì)能得到最大限度的利用。對(duì)于單層索網(wǎng)，豎向索承擔(dān)主要負(fù)責(zé)承擔(dān)由玻璃自重帶來(lái)的荷載。對(duì)于水平風(fēng)荷載，本文利用水平索非線性幾何大變形進(jìn)行抵消，使預(yù)應(yīng)力軸力剛度能在水平風(fēng)荷載的作用下保持穩(wěn)定。其中，在對(duì)單層索網(wǎng)平面外變形程度進(jìn)行設(shè)置時(shí)，將幕墻支承結(jié)構(gòu)跨度的1/60 ～1/40 作為其限值。對(duì)單層索網(wǎng)立面尺寸的設(shè)置（一般以25 m×40 m 為宜），可降低水平向和豎向不銹鋼索直徑，節(jié)點(diǎn)間距應(yīng)控制在22 ～25 mm 區(qū)間范圍內(nèi)即可。

2 應(yīng)用測(cè)試分析

2.1 工程概況

在測(cè)試過(guò)程中，本文以某實(shí)際建筑的幕墻鋼結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)開(kāi)展了對(duì)比測(cè)試。鋼結(jié)構(gòu)施工材料性能參數(shù)如表1所示，表中的性能指標(biāo)包括鋼梁翼緣屈服應(yīng)力、鋼管柱屈服應(yīng)力、鋼梁翼緣彈性模量、鋼管柱彈性模量、鋼梁腹板屈服應(yīng)力、軸心抗壓強(qiáng)度、鋼梁腹板彈性模量、軸心彈性模量，結(jié)合這些指標(biāo)設(shè)計(jì)人員可以選擇合適的鋼材和構(gòu)件尺寸，確保幕墻鋼結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，同時(shí)滿足對(duì)剛度和變形控制的要求。 從柱高、柱截面、梁長(zhǎng)、梁截面、墻板尺寸、墊板設(shè)置、軸壓比等方面確定了三榀幕墻鋼框架結(jié)構(gòu)參數(shù)，通過(guò)確定這些結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)高效、功能滿足和符合規(guī)范等目標(biāo)，以得到優(yōu)化的幕墻鋼框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。三榀幕墻鋼框架結(jié)構(gòu)的具體尺寸要求如表2 所示。

表1 鋼結(jié)構(gòu)施工材料性能參數(shù)

表2 三榀幕墻鋼框架結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.2 測(cè)試結(jié)果與分析

在上述基礎(chǔ)上，將正向BIM 技術(shù)、雙曲面穿孔技術(shù)以及本文技術(shù)作為實(shí)驗(yàn)對(duì)比技術(shù)，通過(guò)分析幕墻鋼框架的屈服點(diǎn)、極限點(diǎn)、破壞點(diǎn)等位移和荷載參數(shù)，并對(duì)不同技術(shù)的建筑幕墻鋼結(jié)構(gòu)抗震性能進(jìn)行了深入分析，得到的數(shù)據(jù)信息如表3 所示。

表3 不同技術(shù)下建筑幕墻鋼結(jié)構(gòu)抗震性能統(tǒng)計(jì)表

在正向建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM） 設(shè) 計(jì) 方法的測(cè)試結(jié)果中，雖然幕墻鋼框架在屈服點(diǎn)、極限點(diǎn)以及破壞點(diǎn)的荷載強(qiáng)度處于相對(duì)較高的水平，分別達(dá)到了130.0、140.0 及160 kN 以上，但是對(duì)應(yīng)的位移相對(duì)較大，分別達(dá)到了80、90 及110 mm 以上，MQG002 的抗震性能最優(yōu)，但是屈服點(diǎn)的位移也達(dá)到了65 mm 以上，極限點(diǎn)的位移達(dá)到了77 mm 以上，破壞點(diǎn)的位移達(dá)到了100 mm 以上。在雙曲面穿孔設(shè)計(jì)方法的測(cè)試結(jié)果中，幕墻鋼框架在屈服點(diǎn)、極限點(diǎn)以及破壞點(diǎn)的位移與正向BIM設(shè)計(jì)方法相比明顯下降，分別在80、92 以及115 mm 以內(nèi)，但是荷載強(qiáng)度相對(duì)偏低，其中，MQG002 屈服點(diǎn)、極限點(diǎn)以及破壞點(diǎn)的荷載強(qiáng)度分別為192.21、202.65 及222.01 kN，與正向BIM 設(shè)計(jì)方法相比降低了13.05 kN。相比之下，在本文設(shè)計(jì)方法的測(cè)試結(jié)果中，三榀幕墻鋼框架結(jié)構(gòu)的抗震性能表現(xiàn)出了較為明顯的優(yōu)勢(shì)，其中，幕墻鋼框架在屈服點(diǎn)、極限點(diǎn)以及破壞點(diǎn)的荷載強(qiáng)度分別達(dá)到了140、150及170 kN 以上，對(duì)應(yīng)的位移分別穩(wěn)定在75、87 及110 mm 以內(nèi)，與對(duì)照組的測(cè)試方法相比，穩(wěn)定性明顯提升。

3 結(jié)語(yǔ)

以建筑鋼結(jié)構(gòu)式幕墻抗震性能為核心對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行深入研究與分析具有極其重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文提出建筑幕墻鋼結(jié)構(gòu)裝飾設(shè)計(jì)要點(diǎn)及其技術(shù)研究，通過(guò)對(duì)幕墻鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)以期提高建筑幕墻的穩(wěn)定性與抗震性。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試證明，本文技術(shù)應(yīng)用下三榀幕墻鋼框架結(jié)構(gòu)的屈服點(diǎn)、極限點(diǎn)及破壞點(diǎn)的荷載強(qiáng)度較高，位移較短，說(shuō)明該技術(shù)應(yīng)用下的三榀幕墻鋼框架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較高。希望借助本文設(shè)計(jì)的建筑幕墻鋼結(jié)構(gòu)裝飾構(gòu)建方法，能為實(shí)際建筑中幕墻鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用和施工提供參考，助力幕墻鋼結(jié)構(gòu)能夠在更大范圍內(nèi)得到有效應(yīng)用。