金属幕墙铝板受力设计和结构改进技术措施研究

金属幕墙铝板受力设计和结构改进技术措施研究

邓忠科

身份证： 430702199105052539

摘要：近些年来，伴随着现代化的设计理念不断深入大众，金属幕墙铝板便是在这样的大背景下开始大量应用，在各种现代化建筑物当中，金属幕墙铝板的设计以及结构需要根据建筑本身进行研究，金属幕墙铝板之所以可以大量应用，其主要原因是因为铝板幕墙具有造型丰富颜色多变等优点，本文主要研究金属幕墙铝板受力设计和结构改进，并对金属幕墙铝板施工当中出现的一些问题以及不足进行研究，希望优化金属幕墙铝板施工。

关键字：金属幕墙铝板 受力设计 结构改进

建筑幕墙飞速发展的时代大约是20世纪90年代，在国外，当时的金属幕墙作为一种新型的建筑装饰类型，得到了广泛使用因此，我国也开始引进金属幕墙施工工艺，到目前，在我国金属幕墙工艺得到了差不多30年的发展，这也使得金属幕墙已经广泛使用，并且成为现代化建筑的三大主要装饰面材料之一，金属幕墙面板的产品非常多，例如，单层铝板，不锈钢板等，金属幕墙铝板近些年来根据统计，已经占据了金属幕墙施工工艺的九成以上，再加上铝板幕墙在建筑物幕墙工程当中，其施工量在45%左右，可以说是整个建筑的主要面材，因此金属幕墙铝板其施工质量以及结构安全性对于建筑项目来说，影响是非常巨大的，而保证金属幕墙铝板施工质量的途径主要有两个，一是做好金属幕墙铝板的受力设计，二是做好金属幕墙铝板结构改进下文将就这两种方法进行探讨和研究。

一：金属幕墙铝板的技术优势

铝板幕墙相对其他幕墙面材，具有重量轻，强度高，表现力丰富，可加工性能好等特点，在建筑外表皮种大量应用。一方面其重量轻，对主体结构的自重增加较少，可以节省主结构的造价，降低整体结构的重量；另一方面，铝板强度较大，加工性能好，可以满足建筑师对外墙面材尺寸、表面处理的多样要求；此外，金属铝墙还具有非常好的保温性能，传统的混凝土外墙容易产生开裂，渗水等问题，而金属幕墙铝板则具有很好的气密性，在铝板背后设置保温岩棉，配合空气层，整体的保温性能要好于直接将保温棉贴在混凝土上。正是因为有这些优势，才使得铝板幕墙的应用能够得到飞速发展。

但是随着时代进步，建筑师对铝板的应用也更加多样，传统的铝板固定受力体系也暴露出一些问题，需要进行一定的改进才能适应新时代的发展。

二：金属幕墙铝板受力设计问题与改进措施

1. 铝板边框固定设计

传统铝板固定方式为铝板折边+固定角码，如下图所示

这样直接折边的处理方式较好的保留了铝板的截面模量，因此强度较高。但由于铝板的厚度原因，折边位置会出现一个圆弧角。部分建筑师认为圆弧角的存在让建筑线条失去了硬朗的感觉，要求幕墙设计师优化铝板折边设计，尽量使折角的圆弧减小。以往设计师通过折边位置刨槽的方式，可以让金属折边圆弧角小到视觉上可以忽略的程度，因此折边刨槽的做法应用十分广泛。但是随着时间的推移，部分采用刨槽工艺生产的铝板幕墙出现了一系列的问题：1）刨槽位置铝板厚度仅剩1mm左右，折边位置强度大幅降低，同时折角处应力集中也比较明显，当幕墙承受长时间的动态风压情况时，随着时间推移，折边位置出现裂纹破坏，造成了严重的安全隐患。2）刨槽位置由于机械折弯，铝板塑性变形时形成诸多微裂纹，在风荷载作用下，微裂纹持续扩大，形成贯通裂纹，这些贯通裂缝使幕墙气密水密性大大降低，严重者还导致保温棉失效，幕墙龙骨锈蚀等一些列问题。

为了解决这些问题，我们可以引入一个通长铝合金副框，并施打结构胶，如下图所示。此处结构胶起到了密封和加固的双重作用，一方面，结构胶的存在使折边位置受力大大减小，即使折边位置破坏，铝板的荷载也能通过结构胶与副框传递至龙骨处。另一方面，铝板受力点前移，降低了铝板在风荷载作用下折边反复变形，这样铝板折弯时产生的微裂纹也难以继续发展，即形成通缝，结构胶也能防止雨水深入，避免龙骨锈蚀，保温失效。

2. 铝板加劲肋固定设计

如今建筑师在设计外墙分格时，常将面材尺寸做得很大，而铝板自身比较薄，刚度弱，大板块铝板在风荷载作用下变形很大，严重影响立面效果，严重的甚至在运输吊装时就会出现变形，导致返工。因此需要在铝板背后设置加劲骨架，通常的做法是，在铝板背后设置焊接栓钉，通过栓钉固定加劲肋.这种传统固定方式延续了很多年，但是根据《铝合金结构设计规范》GB50429-2007表4.3.4，3系铝板的焊接抗拉强度和抗剪强度分别是母材的1/5和1/6，焊接对母材的削弱相当明显，根部无法承受较大荷载。在施工现场，也经常能看到铝板还未上墙，在运输途中加劲肋就已经破坏脱落了。

以往铝板的板块并不大，其加劲肋受力也小，因此焊接导致的栓钉受力问题并不明显，当前建筑师对幕墙分格设计得越来越大，铝板因为加劲肋失效导致得质量问题也越来越多，因此设计新的连接形式也势在必行。

和折弯位置设置结构胶的思路一样，在加劲肋位置引入结构胶共同受力。如下图所示：

直径6mm焊栓按铝板焊接强度计算其抗拉强度为0.56Kn,而按两侧结构胶宽度10mm,每300长结构胶抗拉强度为0.6kN，可见结构胶的存在将此处连接强度加倍了，大大提高了整个连接的安全性。

3. 异型铝板固定设计

随着建筑造型的需要，现在幕墙上大量使用双曲等异型版块，这时异型铝板的受力分析可以与BIM技术进行结合，一方面，用BIM软件辅助下单，在工厂加工铝板，避免铝板现场冷压导致铝板内存在较大的内应力问题，另一方面，通过BIM技术还原出金属幕墙工程的结构框架，并且对框架点之间的作用力进行分析，利用BIM技术对工程整体进行分析，对于幕墙工程中不合理的区域，及早的进行优化，在受力分析过程中，利用BIM技术建立三维设计模型，及时地发现设计当中存在的问题，同时，还可以利用BIM可视化的特点，多方面进行工程设计的分析和探讨，提高分析效率，对于某些工程当中复杂的曲面幕墙设计，利用BIM技术可以进行模拟对某些特殊点的受力进行细节的分析，避免了在施工过程中可能出现的问题

结语：金属幕墙技术虽然在我国有非常悠久的研究历史，但是其仍有很多改进的空间，金属幕墙的受力设计和施工管理作为工程整体的重要一环，可以直接影响到工程的质量，因此，做好金属幕墙铝板受力分析和施工管理可以提高金属铝板结构设计的优越性，保证建筑结构设计得更加安全，同时产生更多的经济效益。

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