建筑幕墙结构设计与优化分析

建筑幕墙结构设计与优化分析

黄汪胜

福建省榕都建设工程有限公司东莞分公司广东东莞523000

摘要：建筑幕墙随着都市大型高层建筑的普及得到广泛推广使用，建筑幕墙设计主要包括整体结构、功能性、美观性设计，不同类型的幕墙其设计原则也不同，随着建筑队幕墙功能要求的提升，需要从安全性、承载能力、功能多样性、节能环保、经济性等方面对其进行优化设计，确保幕墙的使用质量及实际可用性。

关键词：建筑幕墙；结构设计；优化

建筑幕墙属于外墙的装饰性围护结构，不承载主体建筑结构荷载，通常像幕布一样挂在墙体上，故又称为悬挂墙，主要组成部分有面板与支承结构体系，具备在建筑主体上移动与改变自身形状的功能，是现代都市中的大规模高层建筑物常用的装饰性轻质墙体[1]。为了提高土地资源利用率，我国都市化建设的建筑物通常都是高层建筑，在一定程度上也带动了建筑幕墙构建行业的发展。

1.建筑幕墙的设计理论

1.1幕墙结构设计

建筑幕墙根据其建造材质、功能的差异有不同的分类，从结构设计计算的角度可分为两种：①框格构造体系，主要在结构有垂直、水平构件等等，在进行结构设计师需要对墙体进行受力分析，再对主体构造进行设计；②嵌板构造体系，此类幕墙一大块直接固定在建筑外墙上，由于整体面积大，通常需要设置一些轻质的外层保护，但其整体承载力度还是比较小，幕墙强度较低，进行结构设计时需要对整体幕墙进行受力分析，将面板的荷载传递到建筑主体结构上，以提高幕墙的安全性。幕墙结构的安全性取决于可能受到的荷载与材料强度的比值，要想提高幕墙的安全性，就必须对幕墙可能承载的压力大小及方向进行精准的计算，通过结构的设计降低幕墙的负荷，通常采用极限状态设计法，是幕墙结构处于完全的弹性状态，确保幕墙的安全性。

1.2幕墙功能性设计

这个环节与幕墙的结构设计环节相似，都是计算幕墙结构的承载力与外力情况，综合考虑幕墙所在位置可能受到的风力荷载、重力荷载、温度应力以及地震作用等不同的作用因素，以最不利的因素组合计算出幕墙结构所需的强度及稳定性，采用的幕墙材料其强度应大于截面的最大应力设计，并确保幕墙的风压变形以及位移时的平面内变形性能足够好。

1.3幕墙美观性设计

幕墙属于建筑外围墙体的一部分，多为装饰性结构，因而在幕墙设计时结合建筑整体外观进行形象设计也是主要内容。美观设计的基础是保证幕墙结构功能性以及安全性，不能改变幕墙的结构性设计以及功能型设计，需要在保持整体设计情况不变的前提下增加其装饰性[2]。

1.4不同幕墙的设计原则

目前，幕墙中广泛使用的材质主要有玻璃、石材、金属、彩色钢板以及硅酮结构胶，不同的建筑原材料有不同的受力特性及强度，因而在幕墙设计时需要根据选择的原材料来进行受力分析计算，比如玻璃幕墙除了考虑玻璃垂直面的风荷载还需考虑高温带来的内作用力以及施工荷载，硅酮结构胶则需通过受力计算确定其粘结的宽度与厚度，确保幕墙的整体稳固性。在框格的幕墙构造体系中，横梁与立柱是主要的受力构架，横梁截面的承载力需要根据其弯矩设计值、截面抵抗矩、塑性发展系数以及材料的受拉强度设计值来计算，而偏心受拉的立柱截面承载力则需结合立柱的截面面积、材料强度以及截面抵抗矩等来计算。

2.建筑幕墙的优化设计

2.1安全性优化

幕墙结构虽然无需承受建筑外荷载，但是会受到风力以及温度的影响，因而在进行幕墙结构功能设计时，要特别注意幕墙的安全性，确保垂直幕墙的结构稳定性与刚度，最好具有一定的抗震性能，做好各结构关节点的连接，确保整体结构稳定性与可靠性。温度对于大型建筑的玻璃采光顶安全性影响是最大的，除了要具有较强的刚度以防物体从高空坠落撞击之外，还要有防雷耐火属性，在保证建筑采光的同时进行消防设计。

2.2承载能力优化

幕墙的承载能力优化主要可以从原材料选择、幕墙整体结构设计以及幕墙各构成部分连接这三个方面进行，首先根据幕墙安装位置、选择的原材料及整体构架来计算幕墙所受的荷载，取极限荷载值来构建幕墙。现在的幕墙为了提高美观性，多采用轻质的新型原材料，需要额外在幕墙局部加筋肋以及折边连接，保证平面各点的承载力[3]。

2.3功能性优化

随着建筑科技水平的提高，幕墙已不仅仅是大型高层建筑的外墙装饰物，现在的建筑幕墙已具备提高建筑采光保持室内温度的功能，这也是它在都市建设中被广泛采用的主要原因。很多时候建筑幕墙的功能无法统一，比如采光性与保温隔热性能，这两者往往在材料选择及结构设计的环节都会发生冲突，导致幕墙的功能性设计受到制约，随着幕墙原材料的发展以及幕墙施工技术水平的提高，现在可以根据实际需求选择不同隔热系数的原材料，采用隔热性好的铝材料作为整体结构骨架，优化幕墙连接的密封性，构建双层结构的幕墙，皆可以保证建筑的采光，同时可以降低室内暖通设备的能源消耗。由此可见，提高建筑原材料的研发水平与先进建筑技术的应用水平，对于幕墙的功能性优化设计具有重要意义，大力推动了建筑幕墙行业的科学化发展[4]。

2.4节能环保优化

根据环境友好城市建设的要求，幕墙设计时也应该加强节能环保技术的应用。在国外，出现了一种动态幕墙，主要有暖通系统、通风系统、环境监测系统以及智能调节系统等组成部分，可以利用太阳能进行室内制冷供暖，通过幕墙结构的改变来调节太阳光线确保室内采光充足，提供舒适的室内环境[5]。这是一个大胆的幕墙创新设计，充分体现了节能减排的环保理念，对于建设绿色城市具有重要意义，目前我国也有一些环保的建筑原材料以及节能技术的应用，但是提高幕墙环保设计水平需要再次突破传统设计理念，综合考虑方面的因素对幕墙进行绿色的系统性设计。

2.5经济性优化

设计师在设计幕墙结构时，除了保障幕墙功能性以及安全性，还需要考虑幕墙建设的构建效益与长期使用效益。在能保证幕墙承载性以及稳固性的同时，尽量选择环保经济的原材料，降低幕墙设计施工的难度以及建设经费，综合考虑建筑的需求发展来设计幕墙的功能，延长其可用年限，同时，幕墙的清洁工作一直是一大难题，最好能选用易清洁的幕墙材料，若能添加自动清洁功能是最好的，会给建筑的日常养护省去不少麻烦，提高幕墙的长期经济效益。节能环保技术的应用是目前提高幕墙经济效益的主要方向，在降低能源消耗的同时减少环境的污染，尤其是太阳能的利用，比较适用于幕墙结构，还能为人们提供清洁能源，虽然前期的建设费用比较高，但是带来的经济及环境效益是不可估量的。

3.结语

建筑幕墙是现代都市中的大规模高层建筑物常用的装饰性轻质墙体，属于外墙的装饰性围护结构。由于土地资源紧缺，现在的都市建筑物通常都是大型高层建筑，因而建筑幕墙构建行业也随之迅速发展，建筑幕墙的设计要综合考虑到整体结构强度、功能性以及美观性等各方面要素，不同类型的幕墙其设计原则也不同，随着社会的发展，建筑幕墙功能要求也发生了变化，不仅要保证其安全性以及功能多样性，还提出了节能环保、经济可行的新要求，为幕墙的设计理念注入了新鲜血液。

参考文献：

[1]陈雯.建筑幕墙结构设计与优化[J].门窗，2014，07：62-63.

[2]丁洁民，何志军，李久鹏.上海中心大厦巨型悬挂式幕墙系统结构设计与思考[J].同济大学学报（自然科学版），2016，04：559-566.

[3]郭凡荣.节能技术在建筑幕墙设计中的应用研究[J].住宅与房地产，2016，21：45.

[4]潘卫国.建筑幕墙立柱铝型材挤压过程数值模拟分析和挤压模具工作带优化设计的研究[J].铝加工，2016，02：20-26.

[5]何志军.上海中心大厦幕墙支撑结构基于可建造性的若干设计研究[J].建筑结构，2013，24：18-22.