趙晉 楊勇

【摘 要】隨著我國建筑事業(yè)的快速發(fā)展，幕墻結(jié)構在現(xiàn)代建筑中的應用已經(jīng)非常普遍，而且其功能的多樣性也隨著建筑功能的發(fā)展而變化。人們對建筑幕墻結(jié)構的優(yōu)化設計加強了重視，本文結(jié)合筆者多年的工作經(jīng)驗，闡述了建筑幕墻的結(jié)構設計中的設計原則，并分析建筑幕墻的結(jié)構設計與其功能需求的優(yōu)化思路，提出優(yōu)化建筑幕墻結(jié)構的設計策略。

【關鍵詞】建筑幕墻；結(jié)構設計；結(jié)構優(yōu)化

1、前言

隨著我國城鎮(zhèn)化建設的快速發(fā)展，城市建筑在實用性、功能性和節(jié)能環(huán)保等方面的要求越來越突出，建筑幕墻的出現(xiàn)則正好滿足了這些需求。建筑幕墻的形式與功能的多樣性使得建筑具有了更好的實用性而且又不失外立面的美觀性，因此，建筑幕墻在現(xiàn)代建筑中被越來越廣泛的應用。建筑幕墻的結(jié)構設計對幕墻的實用性、功能性起到了決定性的作用，所以我們不斷加強對幕墻結(jié)構設計的研究和結(jié)構設計優(yōu)化的探索

2、建筑幕墻結(jié)構設計的一般原則

作為建筑的外裝飾結(jié)構，它是建筑設計的風格和理念的重要體現(xiàn)，建筑幕墻設計的根本是服從于建筑設計， 其應遵循以下原則。

建筑幕墻作為建筑的外裝飾結(jié)構懸掛在主體結(jié)構上，根據(jù)GB/T21086—2007，建筑幕墻應按照建筑外圍護結(jié)構設計，不承受主體結(jié)構的荷載。也就是說，幕墻的受力只考慮風荷載的作用和建筑幕墻本身的自重。

建筑幕墻設計時，設計人員除考慮風荷載和自重外，還應考慮溫度作用、主體結(jié)構的位移以及地震作用等對幕墻的影響。幕墻立柱及其連接件應有足夠的剛度和強度以及相對于主體結(jié)構的位移能力。避免在荷載、溫度、地震等作用下使幕墻結(jié)構件產(chǎn)生過大的變形或者破壞等。

非抗震設計的建筑幕墻，在風荷載作用下其面材不應破碎或者產(chǎn)生過大的變形，且建筑幕墻有足夠的位移能力來保證其不脫落或者破壞；抗震設計的建筑幕墻應遵循我國抗震設計基本原則即：小震不壞，中震可修，大震不倒

總的來說，建筑幕墻的一般設計原則就是在證建筑幕墻安全、美觀、功能、成本的前提下，設計出最為適合該建筑的幕墻結(jié)構。

2、建筑幕墻結(jié)構設計的內(nèi)容

在建筑幕墻結(jié)構設計的一般原則基礎上，綜合的考慮建筑幕墻的設計需求，確定建筑幕墻結(jié)構設計的主要內(nèi)容有以下幾點

2.1、建筑幕墻結(jié)構設計方案初選

建筑幕墻結(jié)構設計方案初選需要根據(jù)外裝飾效果要求來確定幕墻形式，如明框結(jié)構、隱框結(jié)構、半隱結(jié)構等；根據(jù)室內(nèi)外視要求來確定幕墻的具體形式，常規(guī)上采用鋁合金框架幕墻，而需要開闊的視野的則可以采用點支式幕墻、索結(jié)構、單桿結(jié)構、桁架結(jié)構等；根據(jù)其分格形式和面材來確定幕墻立柱形式，常規(guī)分格可以采用鋁合金立柱，對于大跨度幕墻需要考慮鋼立柱或者鋼鋁結(jié)合立柱；根據(jù)主體結(jié)構可連接支撐點情況確定立柱的受力模型，如單跨簡支梁、雙跨簡支梁等；通過建筑幕墻結(jié)構設計方案初選確定出滿足建筑結(jié)構安全可靠、功能完備、裝飾效果美觀的建筑幕墻結(jié)構

2.2、建筑幕墻材料的精選

確定初步設計方案后，要對幕墻的材料進行選擇設計。材料選擇的時候要充分考慮結(jié)構的受力要求、功能要求、加工要求以及施工要求。材料的性能對幕墻結(jié)構是否滿足設計要求的決定因素。應根據(jù)材料的使用位置合理的選擇材料，例如建筑幕墻與土建結(jié)構之間的轉(zhuǎn)接件受力較大，如果選擇和立柱相同的6063-T6鋁型材需要加大截面的材料用量，而在此位置應用6061-T6鋁型材則可以大大減少材料用量而6061-T6型材價格每公斤只比6063-T6型材高出不到人民幣壹元。但是如果用量比較大的立柱也都選用6061-T6型材則會大大增大成本，同時對于加工工序較多的立柱來說也會增加加工難度。

2.3、建筑幕墻結(jié)構受力分析

一個成功的結(jié)構設計，其結(jié)構體系必須受力合理、傳力簡捷。合理的結(jié)構受力分析可以使得材料利用率最大化，降低幕墻的成本，減少不必要的浪費同時又可以使外觀美觀大方。合理的結(jié)構受力分析是建立在恰當?shù)倪x擇結(jié)構計算簡圖的基礎上的。結(jié)構計算簡圖選擇的不恰當是導致建筑幕墻結(jié)構安全事故的根本原因。由于實際建筑幕墻節(jié)點只能近似的看做是鉸結(jié)點或者剛結(jié)點，所以結(jié)構受力分析時必須預留合理的余量將這部分誤差吸收到。結(jié)構受力分析最后一個環(huán)節(jié)也是最關鍵的一個環(huán)節(jié)就是對計算結(jié)果的分析?，F(xiàn)在建筑幕墻的外形花樣百出，所以其受力也是極其復雜，我們常通過計算機技術對其進行受力分析，而又以Ansys 應用最廣。結(jié)構工程師應該對計算機受力分析結(jié)果認真校核、仔細分析，對結(jié)果做出合理的正確的判斷。

3、建筑幕墻結(jié)構優(yōu)化的措施

建筑幕墻的結(jié)構設計往往涉及許多安全設計、力學計算、以及美學設計，其設計過程是非常繁瑣的。在保證建筑幕墻安全、美觀、功能、成本的前提下，對建筑幕墻的結(jié)構優(yōu)化也是幕墻結(jié)構設計的重要內(nèi)容之一。根據(jù)建筑外觀和功能要求以及現(xiàn)場的施工條件可以進行如下優(yōu)化措施

3.1、采用對比法選擇最優(yōu)結(jié)構

根據(jù)以往工程所應用的結(jié)構或其他成功案例，選取與目標設計建筑幕墻結(jié)構的相似結(jié)構進行功能性、安全性、經(jīng)濟性對比，選取最相似的結(jié)構對其進行相應優(yōu)化和改造，使得功能達到設計要求，價格更加低廉，從而得到物美價廉的建筑幕墻。

3.2、采取校驗法對幕墻結(jié)構計算優(yōu)化

對幕墻結(jié)構計算的優(yōu)化是建筑幕墻結(jié)構優(yōu)化的一個重要措施。我們應對荷載和作用進行二次校驗。對作用在建筑幕墻上的荷載（風荷載、自重荷載、雪荷載、溫度作用、地震作用等）使結(jié)構產(chǎn)生的變形和內(nèi)力更接近現(xiàn)行建筑幕墻規(guī)范或者招標技術要求對于幕墻構建變形和內(nèi)力的較小值。這樣使幕墻的材料最大限度的發(fā)揮作用，降低材料用量。同時對于雪荷載、溫度作用、地震作用等進行合理的取值，如果取值過于保守則會使構件截面尺寸過大造成不必要的浪費；如果取值過于激進則會降低結(jié)構的安全性。

3.3、大膽采用“四新技術”

四新技術即新材料、新技術、新工藝、新設備，建筑幕墻結(jié)構優(yōu)化是可以大膽的選用新材料、新技術、新工藝、新設備為我們的結(jié)構設計服務。當建筑幕墻結(jié)構優(yōu)化遇到瓶頸時，我們不妨大膽的采用“四新技術”進行相應的嘗試。以我司上海中心大廈工程的雙曲面外幕墻設計優(yōu)化，我們沒有采用傳統(tǒng)的設計技術，而是采用了建筑信息模型（BIM）技術，把大樓的整個外幕墻結(jié)構在計算機上“虛擬建造”，用可視的數(shù)字模型串聯(lián)起項目設計、建造和運營全過程。通過BIM軟件虛擬建造，該工程2萬多塊不同尺寸的玻璃幕墻安裝時無一返工，11萬噸鋼結(jié)構拼裝時浪費量不超過2噸，并且提前發(fā)現(xiàn)并解決的“碰撞點”超過10萬個，按解決一個“碰撞點”平均花1000元左右計算，至少可為上海中心大廈工程節(jié)約費用超過1億元?？梢娖鋺眯录夹g進行優(yōu)化設計的經(jīng)濟效益、社會效益非同凡響。

結(jié)束語

總而言之，隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展，社會的不斷進步以及建筑行業(yè)的技術水平越來越高，建筑幕墻業(yè)得到了極大發(fā)展，而建筑幕墻結(jié)構設計在功能、質(zhì)量以及安全水準方面也是蒸蒸日上。與此同時，建筑幕墻新結(jié)構、新材料、新工藝也層出不窮，因此在以后的結(jié)構設計中，我們應根據(jù)實際工程情況合理的選擇結(jié)構形式，保證建筑幕墻的結(jié)構設計滿足建筑的功能和使用要求。采取合理的措施對建筑幕墻的結(jié)構進行優(yōu)化設計，提供幕墻的功能性、安全性等性能同時最大限度的節(jié)約成本，提高企業(yè)競爭力。

參考文獻：

[1] 黃小坤.玻璃幕墻及采光頂結(jié)構設計若干問題探討[J].建筑結(jié)構，2009，01：88-92.

[2] 牛飛.結(jié)構拓撲優(yōu)化設計若干問題的建模、求解及解讀[D].大連理工大學，2013.

[3]張榮波.幕墻結(jié)構設計方面的探討[J].門窗，2013，06：56-57.