建筑幕墙结构优化探究

建筑幕墙结构优化探究

李再平

潍坊昌大建设集团有限公司山东潍坊261205

摘要：本文以个人多年工作经验为依据，对幕墙结构概念设计、幕墙结构设计步骤以影响因素、优化设计模型的建立进行介绍。通过本文的介绍，读者可了解怎样在满足相关规范要求的前提下，设计安全适用、技术先进、经济合理的幕墙。

关键词：建筑幕墙结构、概念设计、优化

0引言

建筑幕墙应用较早始于20世纪初期，当时只限于规模较小的局部使用。随着我国经济的快速发展，建筑幕墙的应用被各个领域迅速的应用到建筑物中。幕墙结构的优化成为了建筑行业探讨的热门话题。

1关于幕墙结构的概念设计

1.1幕墙结构概念设计的意义

幕墙结构概念设计是指对难以做出精确性分析的因素，或在规范中难以规定的因素，不经计算，而是依据幕墙整体结构体系与分体系之间的力学关系、结构破坏机理、和工程经验创造设计理念，纵观全局来确定幕墙结构的总体布置以及细部构造的宏观控制。概念设计的应用，可以使幕墙的结构体系在方案设计阶段就被高效的构思，确保最终结构设计方案思路清楚、定位准确，后期设计阶段的繁琐运算也可被省略。幕墙结构概念设计，在安全、经济、快捷的同时，还可作为判定计算机对内力数据分析是否准确的依据。

1.2幕墙结构概念设计的内容

1.2.1明确结构规划

任何优秀的设计都要有一个有效的结构规划，也就是要有非常好的结构模式和体系。科学、合理、低成本的结构方案是设计得以成功实践的必要条件。在选择结构方案时，既要征询设计院和相关部门的建议，又要考虑幕墙设计要求、结构特点，材料选择，以及材料本身加工工艺限制等条件。结构方案中一定要注意，不同的结构体系不宜出现在同一结构单元内；结构体系要确保受力均匀，传力过程明确。

1.2.2选用优秀的计算图

该项计算活动是在简图的前提下开展的。计算简图是结构计算的依据，因此选用错误的计算简图会造成很严重的结构安全事故，只有保证图纸是合理的才能保证结构是安全的。该项图纸要借助于合理的构造方法来维护。具体结构中的节点通常不是那种非常单纯的铰结点，不过和图中的误差内容要控制在规定的区间范围之内。

1.2.3正确分析计算信息

在电脑普及的今天，结构设计中涉及到的计算都会以电脑为平台，以软件为工具，但由于软件的多样化和性能参差不齐，导致计算结果的不确定性。因此，这就要求设计师必须全面掌握相关的技术条件及结构设计中的算法，并能对计算结果做到合理分析、谨慎校对。

1.2.4使用合理的构造措施

为了避免或减少薄弱点的出现，可采取如下途径：a.针对薄弱关键环节特殊设计，着重注意连接点部分，严格按照结构设计中节点的铰接刚接形式来设计节点；b.注意结构焊缝、耳板、销轴、连接板等部位的强度计算，留足安全度；c.注意由温度应力造成的材料本身形变，及其产生的附加应力；d.整体结构正常使用下的极限状态验算，防止大变形等造成新的薄弱点。

2.幕墙结构设计应考虑的因素及一般步骤

2.1首先须了解由建筑师提出的幕墙面板配置及其分格情况，设计意图，确定主次结构。

2.2熟悉幕墙后面主体结构如楼层、梁柱、屋面结构等主体可提供的支承情况。

2.3了解主体结构可提供的对幕墙的边界条件。

2.4建筑师、业主对幕墙结构的要求。

2.5根据结构型式的受力性、适用性、经济性和与幕墙的匹配性，在框架幕墙结构、索幕墙结构、单元幕墙结构、索杆结构、钢桁架结构等中选择合适的组合结构。

2.6幕墙结构设计问题

2.6.1幕墙是像幕布一样悬挂在建筑物外墙上，主要特点是不分担主体结构所受荷载作用，是带有装饰性质的轻质墙体，幕墙结构要能一定的适应主体建筑变形的能力。

2.6.2结构型式要依据相关的规范，科学合理的确认，在规范允许的范围内，尽可能的满足业主的特殊要求。选择结构形式要注意一些特殊的结构虽然形式美观，却存在一定的问题。

2.6.3在幕墙建设中，钢结构连接点的可靠性不容忽视，其中包括耳板、销轴、焊缝等的相关计算，保证这些因素不会诱发连接点的隐患，悬挂在主体结构上的有框幕墙及石材，其连接施工至关重要，包括预埋件、螺栓、角码等，隐框幕墙及胶与玻璃板等要设计合理并在其底部安装承重托条，并且相关的质量计算及抗风性要可靠、谨慎。

2.6.4综合考虑φ值、构件长细比、物理界面稳定性等因素，钢结构和铝合金结构的稳定计算一定要细致、谨慎并且反复校对，确定钢结构中整体负荷的传递路径以及相关的如槽钢部件等所承担的负载，尽量使负荷传递简洁且部件承重均匀合理。

3幕墙设计优化模型建立

3.1目标函数

目标函数的主要用途是衡量设计方案的好坏。优化幕墙截面尺寸、使幕墙的结构合理、通过低成本实现高效率等都是幕墙优化设计的目标。目标函数有两种：单目标、多目标，单目标函数较之多目标，求解更为简洁精确。

3.2幕墙的设计变量

幕墙的设计方案常由一系列的参数来反映，在这一系列参数中，既有像材料弹性模量、泊松比、线膨胀系数、强度设计值等本身为固定值的材料参数；也有像风荷载地面粗糙度、风荷载高度变化系数、风荷载体型系数等与建筑特称息息相关的参数，这类参数根据实际情况也可当作固定值来处理；除上述两类参数外。

还有一种是需要在设计中斟酌、摸索、调整的参数，被称作设计变量。最优化的设计方案是要实现设计变量之间最科学合理的组合。优化设计中的截面尺寸设计，几何与物理参数就是其设计变量。幕墙设计工作的核心任务就是合理的确定荷载和合理的材料使用，这其中的荷载包括重力荷载、风荷载、雪荷载、也包括地震作用、温度作用等可使结构产生变形或使结构产生内力的作用。

设计优化问题的繁简程度取决于设计变量的个数，如有N个变量，则优化问题就为N维。此消彼长中的那个平衡点，就是我们要优化的最终结果。

3.3约束条件

约束条件也叫约束函数，是设计变量自身、设计变量之间所遵守的数学表达式。在优化过程中，为使目标函数达到最小值，设计变量不断被变化，但设计变量是有取值范围的，其变化不可超过范围内的上下限。在幕墙设计中约束函数的表现形式很多，整体的来说分为两类，一是材料的许用强度限制；二是结构的变形大小限制。前者是结构不被破坏的保证，而后者则是结构不因过分变形而失去使用能力的保证。

整体来说为保证幕墙结构安全而又不浪费材料，设计时应按如下考虑：

a、合理的选择结构形式，进行概念设计；

b、综合考虑各种因素，进行详细计算；

c、设定优化目标，确定约束函数条件，进行优化；

d、验算局部部位，确定结构。

4结束语

我国幕墙设计工程师在开展建筑幕墙设计工作中积累了丰富的经验，并且将经验总结制作成幕墙设计规范手册、设计标准图集等，以供新入行的设计师参考学习。在所有设计师的共同努力下，幕墙的结构优化设计将会越来越完善。而随着电脑和计划措施不断发展，为建筑幕墙结构设计提供了更多的信息，从而保证了该项设计思想更加合理。

参考文献

[1]蒋琳、初晓红.建筑幕墙结构优化设计探讨[J].科技创新与应用。2013（20）.

[2]陈雯.建筑幕墙结构设计与优化[J].门窗.2014（7）.

作者简介

李再平（男，1970年8月—），潍坊昌大建设集团有限公司，助理工程师。