建筑幕墙结构设计与优化陈达

建筑幕墙结构设计与优化陈达

陈达

浙江中南建设集团有限公司浙江省杭州市310052

摘要：建筑幕墙在现代建筑结构中的应用越来越普遍，建筑幕墙的多样性也随着建筑功能的发展而变化，本文主要阐述了我国当前各种幕墙的分类及其特点、幕墙结构的性能要求、建筑幕墙结构设计的思路以及建筑幕墙结构优化创新设计的方向，推动建筑幕墙行业健康良性发展。

关键词：建筑幕墙；结构设计；优化；BIM技术

引言

随着经济的发展，城镇化进程加速，建筑工程项目不断增多。截止至2010年末，我国建筑幕墙行业总产值由2005年的620亿元上升到1500亿元，增长幅度达到142%，年均增速为19%，表现出极其强劲的发展态势。从业人数也发展到9万多人，规模以上企业个数达到367家。

人们对建筑幕墙装饰的要求也越来越高，作为整个建筑的外部围护结构，幕墙结构设计不仅关系到建筑的美观，而且对于建筑的功能性、安全性、经济效益等都占有重要的地位。本文就建筑幕墙结构设计与优化展开探讨。

1.建筑幕墙的分类及各自的特点

为了更好地对建筑幕墙进行结构设计与优化，首先要对建筑幕墙的主要分类以及各自的特点进行一个归纳总结，在明确了这一点之后，在进行深入的分析与设计。

全玻幕墙是一种全透明的、全视野的玻璃幕墙。使用该幕墙的主要目的在于利用其的透明性，将内外环境能够融合在一起，表现建筑装饰的艺术感、层次感和立体感。重量轻、选材简单、施工便捷、维护方便等。

单元式幕墙是最具普及价值和发展潜力的一种幕墙形式，因为其具是通过工厂统一生产组装的，采用了当前最为先进的技术标准，且生产十分快速，所以备受推崇。单元式幕墙的特点首先是从生产到组装全都是工业化进行，生产的精度较高，且生产周期较短，能够高效率地生产大批量的幕墙，有较强的社会经济效益。其具有良好的气密性、水密性、风压变形等能力，非常符合未来建筑的节能环保和装配式理念。

构件式幕墙通过横梁和立柱的组合实现，是应用最广泛的幕墙形式，可以满足明框、隐框、半隐框效果需求。具有施工灵活、工艺成熟、主体结构适应能力强，安装顺序基本不受主体结构影响等特点。

点支式幕墙通过驳接爪件采用球铰连接玻璃，形式多样、结构美观、具有较强的吸收变形能力。

此外具有良好、节能隔音效果的智能型呼吸幕墙以及集成发电、隔音、隔热、装饰功能于一体的新型功能性幕墙，代表了未来幕墙科技发展的新方向。

2.建筑幕墙的性能设计范围

目前建筑幕墙的相关规范已经对幕墙设计范围作出了较为明确规定，从幕墙的系统设计最为原始的四性试验既抗风压变形、雨水渗漏（水密性）、空气渗透(气密性)、平面内变形（抗震性）到热工（保温性）、隔声、遮阳、防雷、防火、环保、吸声、美观、装饰各方面都有涉及。

随着幕墙行业的不断发展，设计规范对各项性能参数也逐渐升级完善。建筑幕墙的环境效益、社会效益也逐渐提升。在幕墙结构设计的过程中要兼顾这些性能参数。

3.建筑幕墙设计原则

建筑幕墙目前是建筑工程中重要且不可分离的一部分，幕墙设计单位在进行建筑幕墙设计之际，就要从全局出发进行考虑，兼顾建筑整体的功能。

3.1幕墙的建筑设计

幕墙的建筑设计也与幕墙的结构设计息息相关。

建筑设计要确定幕墙的结构类型。构件式幕墙当中的全隐框玻璃幕墙已被限制使用。构件式幕墙的幕墙厚度在200mm～250mm之间，特殊位置如剪力墙、柱位，可通过增加龙骨支座来减小幕墙厚度；单元式幕墙厚度在250mm以上。全玻幕墙厚度主要取决于玻璃肋的高度，双层幕墙需考虑500～800mm的通道厚度。

建筑设计要确定幕墙的开窗方式。幕墙开窗形式通常有：上悬窗（最常用）、平开窗、平推窗、下悬窗等。

建筑设计要确定幕墙的分割。幕墙分格应模式化，便于材料采购及安装施工。同一幕墙玻璃单元，不宜跨越建筑物的两个防火分区。无框玻璃地弹门高度不宜大于3m。弧形玻璃幕墙因弧形玻璃造价较高且用户使用体验差，可设计宽度较小的折线玻璃分格等。

建筑设计要确定幕墙的面板材料和表面处理。容易受到击打和撞击的玻璃幕墙，宜采用夹胶玻璃。建筑物的紧急出口、疏散通道等部位，禁止使用夹层玻璃，宜使用单片玻璃，并在单片玻璃上作出明显标记；石材幕墙的石板，光面板材厚度不应小于25mm，烧面厚度增加3mm,面积不宜大于1.5㎡；室外铝板幕墙单层铝板最小厚度2.5mm幕墙吊顶不宜选用石材，宜采用铝板等轻质安全材料。幕墙型材表面处理方法通常为：室外可视面氟碳喷涂，不可视面阳极氧化，室内可视面粉末喷涂，不可视面阳极氧化。

此外也要确定幕墙结构相关的消防、通风、节能、防雷、灯光、广告位、LED屏幕、雨棚、幕墙清洁设备形式和参数等。

3.2幕墙的结构设计

幕墙主要构件应悬挂在主体结构上，斜墙和玻璃屋顶可悬挂或支承在主体结构上。幕墙应按围护结构设计，不承受主体荷载和地震作用。

幕墙及其连接件应有足够的承载力、刚度和相对于主体结构的位移能力，避免在荷载、地震和温度作用下产生破坏、过在的变形和防碍使用。

非抗震设计的幕墙、在风作用下其玻璃不应破碎，且连接件应有足够的位移能力使幕墙不破损，不脱落。

抗震设计的幕墙，在常遇地震作用下玻璃不应产生破损；在设防烈度地震作用下经修理后幕墙仍可使用；在罕遇地震作用下幕墙骨架不应脱落。

幕墙构件设计时，应考虑在重力荷载、风荷载、地震作用、温度作用和主体结构位移影响下的安全性。

幕墙构件设计时幕墙选用的玻璃断桥组合，其节能参数应符合建筑节能专篇的要求，且各朝向整体热工性能符合建筑节能要求。

幕墙构件设计时要考虑防火防雷部位的要求。防火结构部位依据建筑物的分类确定其耐火等级，然后再按照相关规范、要求及建筑物具体的功能特点选用与之相匹配的防火、保温材料，注意在建筑幕墙的窗间、窗槛部位尽量选择不燃烧材料。必须选择不燃烧材料用于对幕墙和楼板之间的空隙进行填充，从而让楼板和隔墙能够形成防火带。

设计防雷节点时，需优先考虑建筑物本身的防雷设备，要将幕墙立柱、横梁、建筑本身的防雷系统进行有效连接，确保幕墙与建筑的防雷系统能够组成一个系统性的防雷网。

4.进行结构设计的优化措施

4.1注重幕墙结构的安全性优化

幕墙结构的安全性设计除了要保障结构承载负荷的要求之外，还要考虑到整个建筑结构的安全性能。所以，就安全性优化这方面，除了结构的可靠性之外，还要考虑其他安全选项，譬如采光顶的消防设计。有些时候会采用较大型的玻璃采光顶，那么必须是用耐火极限不低于0.25h的三级耐火级的吊顶。不仅如此，除了防火，根据建筑的实际地理位置和环境条件，采用的幕墙还要能够防雷、防高空坠物、防冰雹等。重点在于将各个构建的连接点进行优化设计，使其满足安全的需要。

4.2注重幕墙新工艺、新材料、新技术的应用

建筑幕墙近年来不断涌现新技术、新工艺、新材料。新技术、新工艺的出现，比如带防渗防水结构的新型专利系统幕墙，合金连接件装置大大提高幕墙的性能、降低幕墙施工成本、提高幕墙安装效率、标准化的幕墙产品提升我国建筑幕墙工程行业竞争力。大量的新材料也不断涌现，譬如保温一体的复合板材、暖边技术、装饰性强的纹理塑板等大大的提高了幕墙的节能性和装饰性。光电技术在玻璃幕墙的设计中也逐渐落地应用，节能环保，大大提升了幕墙的社会效益。

4.3注重幕墙结构经济性优化

结构的经济性优化，顾名思义，就是在满足设计和各项性能的基础上，尽可能减少使用的成本。在对荷载和结构尺寸计算的时候，寻找最优的方案，避免在设计时存在不合理而导致资源的浪费和成本的消耗。

在结构形式上可以采用较为实用简单的结构，在保证结构可靠性的同时，实现对成本的控制。譬如幕墙结构的优化，常规设计中多采用单跨梁、多跨梁和多跨铰接梁三种形式，工程实践表明，单跨梁结构简单，每层只需要一个支点，便于施工，但是受力不均衡梁中弯矩过大；双跨梁则能够改善梁的受力状态，但是由于每层增加一个支点，埋板形式过多位置不固定，容易给施工造成差错。

单跨梁和多跨梁都属于多跨铰接梁，科学的改进双跨梁，取消多余的双跨梁上支点，不仅能够降低幕墙成本，而且降低支点反力，计算结果仍然满足规范要求。实践表明，每1000万玻璃幕墙工程量，采用改进的多跨铰接梁后约可降低工程成本50­80万,取得明显的经济效益。

4.4注重幕墙结构的数据管理与优化，引入全生命周期管理

以BIM技术和参数化设计（Rhino和grasshopper软件的应用）为代表的项目结构模型成果交付广泛落地，大大促进了异形幕墙项目的数据管理水平和优化水平。双曲板优化成折板、单曲板优化成平板在铝板和玻璃幕墙项目中得到广泛应用。大大降低了项目的造价，避免了不同专业之间的干涉返工、提高了项目落地效率、涌现了大量的异形地标建筑。

项目管理也逐渐借鉴产品设计的生命周期管理，提升了项目的管理水平、大大降低了浪费。

结语

随着我国高新技术的快速发展，推动了许多行业的进步，尤其是建筑行业实现了翻天覆地的变化。这一点在建筑幕墙上显示的尤为凸出。随着建筑幕墙使用的频率越来越高，我们面临的问题也随着增多。要想确保建筑项目的品质首要的是从设计方案进行控制。为此，设计人员在设计建筑幕墙时，要结合建筑工程的功能和使用要求，实现建筑幕墙的有效设计、优化设计、创新设计，推动建筑幕墙行业健康良性发展，进一步提升我国基础建设能力。

参考文献

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