浅析建筑幕墙结构设计及优化措施_郭凡荣.pdf

居 舍设计与案例942022年12月（中）1 建筑幕墙结构设计原则1.1 外观设计建筑幕墙作为建筑物外部的装饰构件，具有遮阳、挡光、美化建筑物外观等作用。建筑幕墙设计是在满足工程设计要求的前提下，根据建筑的自身特点，运用美学原理和造型规律来选择材料、确定色彩和组织细部结构，从而创造出符合时代要求和地域特色的建筑幕墙。目前世界各地越来越多的建筑物采用了幕墙。不同性质和不同功能的建筑物采用不同类型及功能的玻璃幕墙是建筑师们所关注的问题之一，而对建筑幕墙使用功能合理与否的评价标准在很大程度上取决于对它外观设计上的考虑。随着科技进步和材料性能改进，玻璃幕墙越来越具有多样化特点，其外观也变得丰富多彩，从而满足了不同业主对建筑物外观表现要求。除了以上常见问题外，还有一些诸如防火、隔声、采光通风等设计问题。因此对于设计者来说，幕墙工程是一项综合的、复杂的工作1。1.2 受力设计幕墙的受力形式根据材料的不同分为金属幕墙、玻璃幕墙三种。而随着建筑科技的进步，铝合金（合金），玻璃，不锈钢等材料开始广泛应用于建筑结构中。幕墙结构是由一系列具有一定刚度的构件组成，它们具有承受风荷载及地震等荷载作用并将作用力传递到下部构造及基础上的功能。而这种传力途径主要有三种：（1）各构件之间通过连接节点以形成一个整体；（2）通过构件之间设置各种传力机构以传递荷载；（3）在关键部位设置加强构件以提高结构整体性能，而建筑幕墙的结构受力计算，是在强度计算之后再进行剪力、弯矩等验算。其中幕墙面板材料主要由铝合金与不锈钢构成；铝合金与不锈钢之间采用焊接连接；面板和龙骨之间采用螺栓连接；铝板与铝横梁、龙骨和铝合金板之间的是用螺栓以及钢板等组成加强构件连接2。2 建筑幕墙结构设计内容2.1 方案的选定在确定幕墙方案前，要分析研究国内外已建的同类工程，并从以下几方面进行比较：（1）造型的美观程度；（2）结构本身是否安全可靠；（3）施工安装是否方便可行；（4）建筑造型是否特殊。建筑幕墙结构的安全可靠度一般要求为：（1）主体结构设计应按现行国家规范进行。（2）由于幕墙材料一般是轻质材料，且大多数采用玻璃幕墙，其自重对主体结构起控制作用，因而要进行重心设计，并按一定的原则选用桁架、框架、简支梁等构件构成桁架结构体系。（3）立柱和横梁的连接一般采用螺栓连接或焊接；对用钢量大或钢材较重而又要求用螺栓连接时，可采用不锈钢螺栓。（4）使用荷载、风压、地震作用等参数设置要符合现行国家规范要求。在选择幕墙构造设计方案时，首先应注意建筑造型的特点、结构体系与计算模型是否满足安全可靠性要求。其次应注意以下几个方面：（1）所选构件形式和连接方式应与结构体系相适应；（2）承重构件截面尺寸的大小与工程造价的关系；（3）柱与横梁等承重构件之间连接方式对计算模型及所需荷载是否有影摘 要近年来随着人们对物质文化生活要求的提高以及建筑技术水平的提升，使许多建筑物开始采用幕墙结构形式来代替传统连接方式。这种新型设计方案不仅能够与建筑物本身相辅相成、协调统一，且具有美观性强、节约成本等优势，还能让建筑物看上去更具层次感、立体感以及科技感等优势。目前国内对建筑幕墙结构设计有很多研究成果，但是其中仍存在不少问题。基于此，本文通过分析现有理论研究成果及存在问题，并结合实际情况对幕墙结构设计提出相应优化措施，以期能够为相关设计人员提供一定的借鉴参考价值。关键词建筑幕墙；结构设计；优化措施中图分类号TU318 文献标识码A 文章编号1674-1900（2022）35-0094-04浅析建筑幕墙结构设计及优化措施郭凡荣（上海众甲幕墙科技有限公司，上海 201601）作者简介：郭凡荣（1982-），男，江苏如皋人，工程师，本科，研究方向为建筑幕墙设计、建筑幕墙的节能研究或设计、建筑幕墙结构计算及安全。居 舍设计与案例952022年12月（中）响；（4）幕墙构件尺寸对计算结果有无影响；（5）风压、地震作用对计算模型和所需荷载有无影响3。2.2 建筑结构的受力分析建筑幕墙是由上部结构、玻璃和下部结构组成的一种复杂的空间结构。它由主体结构（承重体系）、玻璃和各种支承构件组成，可采用金属或非金属材料制成，也可用复合材料。玻璃幕墙指用幕墙框架将玻璃分割成不同面积的小块，再将这些小块用幕墙梁、压条或螺栓等连接起来，成为一个整体。主体与幕墙间用玻璃密封胶等材料连接而成的围护结构。幕墙的受力是一个复杂的问题，其主要受力构件有上部结构和主体框架两个方面，要想保证幕墙安全可靠运行，就要对这两个方面分别进行研究分析。在设计过程中要考虑以下几个方面：（1）保证幕墙各构件能满足受力要求；（2）保证合理施工；（3）防止玻璃破损；（4）保证钢结构强度和刚度；（5）防止结露腐蚀。总之，在设计过程中要综合考虑各方面因素，通过计算分析求得最优设计方案4。2.3 材料的选择建筑幕墙结构设计是对幕墙系统的安全性、稳定性和可靠性的整体设计，要求建筑幕墙结构必须具有足够的强度、刚度和耐久性。为了保证所采用的材料及构造形式不发生破坏或失效，就必须在设计中要考虑使用条件、环境因素以及使用过程中可能产生的破坏，如风荷载和地震作用。同时在材料的选择上，应考虑它对构件本身及整体结构的影响，并应满足建筑幕墙设计规范和规程对材料相关性能的要求。从材料方面来说，我们在设计时应选用耐候性和耐久性较好的材料，以保证使用年限内不出现因风、地震等因素造成结构破坏。从传统的金属、玻璃、石材幕墙向现在的复合材料幕墙、铝塑板幕墙和彩钢板等更新。同时，材料也由过去的普通钢材向铝合金、不锈钢、钛合金等方向发展。传统的金属玻璃幕墙在实际工程中应用广泛，但随着时代的进步，其逐渐被其他新型材料所代替。例如：PVC 复合玻璃幕墙逐渐成为铝合金玻璃幕墙材料中主流，同时出现了半透明 PVC 复合玻璃；彩钢板多采用镀锌钢板、冷轧钢板等原材料，经喷涂或热浸镀锌工艺生产；铝合金也是由多种金属复合而成。不管是什么金属材料或复合材料，其性能都必须符合建筑幕墙设计规范的要求，从而确保建筑幕墙安全可靠。3 建筑幕墙设计中存在的问题3.1 设计理念陈旧（1）建筑幕墙的设计理念陈旧，一些设计者为了追求造型和艺术效果而忽视了建筑结构和安全性。在设计过程中，许多设计者忽略了对幕墙系统的安全性能、安全设计。不合理的结构形式和力学设计，容易引起安全性问题。（2）不重视建筑幕墙的防火要求，不重视建筑幕墙与主体结构的防火一体化。火灾是影响城市生存发展的主要灾害之一，但现阶段我国多数建筑中存在防火意识淡薄现象。一些工程因消防系统设计不合理而发生火灾，造成严重后果；同时，施工单位、监理单位在进行建筑幕墙安装施工时，普遍存在防火意识差、违规操作等现象。（3）由于建筑幕墙自身功能和适用范围等限制问题，在建筑物外墙上设置悬挂式的室外遮阳设施成为必然趋势；且建筑幕墙多为玻璃材料，若在大风作用下会导致玻璃脱落伤人事故。（4）施工过程中使用了不符合要求的建筑材料或回收材料；技术人员缺乏对建筑幕墙设计和施工工艺标准要求等知识。（5）部分城市盲目追求特色和效果而大量建设一些所谓“造型奇特”的高楼大厦。这种现象也给日后安全埋下隐患。3.2 建筑施工与幕墙施工之间存在矛盾幕墙的发展，也从最初的单一金属材料的简单加工，发展到现在材料种类繁多、结构形式丰富多样，其中玻璃幕墙、石材幕墙等都是较为常见的，幕墙结构形式也从平面、空间向复杂多样发展。建筑施工过程中常常会出现与建筑幕墙相关的问题，如：玻璃被切割破坏、防雷设施被破坏、各种构件被损坏等。在建筑施工中常出现一些由于主体结构设计与结构形式问题产生的矛盾，这就要求设计师在设计时应做好协调工作。其次在幕墙安装过程中也会出现因安装人员的问题造成安装错误或材料遗失等情况，造成损失和质量缺陷。所以设计时应考虑到施工人员等因素，避免这一问题发生。除此之外，建筑工程的质量是以工程中材料为基础进行相关把控的，因此材料质量也是影响建筑工程质量和安全的重要因素。3.3 设计人员专业能力不足设计是一门很难掌握的技术，但却又很重要，是幕墙质量控制的关键。很多设计人员对建筑幕墙知识不甚了解，只是在做建筑图纸时才知道要设计什么内容。设计人员在做好方案后，都会做一些简单的计算和建模分析工作，部分设计师对幕墙认识不足，不知居 舍设计与案例962022年12月（中）道幕墙最基本、最重要的作用。大多数情况下，他们只会按照自己的理解去做，或者照搬别人已完成的成果。这种行为是不可取的。4 幕墙装修的质量控制措施4.1 科学制定专项施工方案建筑幕墙的设计和施工，是一个专业技术性强、技术难度高的系统工程，在编制幕墙结构设计时应充分考虑安全、可靠、经济、合理等原则，以满足设计要求。结构专项施工方案是在勘察研究成果及安全技术交底的基础上，由设计单位制定的施工方法、工艺和操作规程等，对施工工程起指导和规范作用。建筑幕墙结构设计原则：（1）建筑幕墙的构造应符合力学原理，并应能承受自重与风荷载等各种作用。（2）建筑幕墙构造中各组成部分应受力合理，在技术上能可靠地满足强度要求和变形要求。（3）在经济上，应尽可能节约材料和降低成本。力求实用和美观，做到安全可靠、技术先进、经济合理。（4）当采用玻璃面板时，应使其强度满足防火要求和抗裂要求。（5）当采用石材面板时应符合下列要求：石材与玻璃面板间的连接缝隙应按规定进行防水处理；石材与玻璃面板间采用密封材料时，必须使用专业密封胶；在有防水要求的部位应用专用橡胶条；为防止相邻板块之间产生变形差，相邻板块之间应用橡胶条分缝连接。（6）当采用金属框架作支撑框架时应满足下列要求：必须采用热镀锌钢管或不锈钢管作支撑框架的受力构件；为防止金属框架变形，钢管或不锈钢管应穿过板块间缝设置。4.2 严格审查施工资质设计单位应对建筑幕墙工程的结构设计进行全面、系统地分析和评价，并对影响结构安全的因素进行说明，这也对建筑幕墙工程施工的质量保证措施提出了要求。首先是要选择有资质单位承接工程，并建立相应的施工管理制度；其次要严把材料进场关，特别是在关键部位及隐蔽工程必须检验并有相应证据；最后要加强对施工单位的管理，提高施工质量和水平。对于采用玻璃幕墙的建筑，设计时应将幕墙承受风荷载及地震作用等效为一个完整的系统，并设置合理、有效的抗风振构造措施。采用金属幕墙或其他轻质材料制作并用螺栓连接组合而成的金属非金属连接件作为结构构件时，应采取有效措施防止脱落和松动。4.3 严格保证施工技术一般来说，如果幕墙结构在设计中出现问题，那么将会给整个建筑带来极大的安全隐患。在这样的情况下，就必须对施工过程进行严格的质量控制。而要想实现这一点，就需要充分发挥幕墙技术人员的作用。设计人员要根据实际情况进行设计来强化施工技术，要想确保幕墙结构安全稳定，那么就必须严格执行施工技术。4.4 测量及定位质量控制建筑物幕墙一般都具有外观优美、装饰功能强、造型复杂以及耐久性和使用功能好等特点。在设计时，必须要充分考虑建筑幕墙的外观和使用功能，做到美观与实用相结合。在设计幕墙时，应根据建筑幕墙的位置和空间造型结构尺寸设置测量控制网、定位基准点等一系列测量工作。然后根据建筑物轮廓设计及施工图纸进行测量放线施工。并按照检测控制点坐标，以标准长度计算构件之间的连接误差值，再由结构计算出构件之间连接间隙值。另外为了确保幕墙安装的位置准确和连接可靠，还应对各种不同类型构件进行预埋测量点位、安装定位坐标、标高和垂直度等内容进行预埋检查。通过测量检查与定位控制网相结合的方法，可有效地控制工程误差要求，避免由于测量问题导致无法顺利安装的情况发生。4.5 定期保养和维护建筑幕墙的主体结构，是由承载主体构件、连接构件和支撑结构组成。幕墙在使用过程中，由于幕墙与主体结构之间的连接方式不同，导致幕墙体系各部位产生差异变形，形成不均匀应力，这就造成了幕墙的各种病害。如局部构件变形、连接件松动、石材脱落等。为保证幕墙的安全和正常使用，必须定期进行保养和维护：（1）定期检查和调整；（2）定期清洁；（3）检查隐蔽工程是否有渗漏；（4）清洁玻璃表面以消除污垢（如油污、灰尘等）；（5）检查防雷设施是否符合标准要求（接闪器和避雷针）；（6）定期检查测量相邻部分之间的相对尺寸（缝隙、偏位）；并确认偏差是否在允许范围内；（7）发现异常情况及时处理。5 建筑幕墙结构设计的优化措施5.1 安全性的优化要保证幕墙结构的安全性，就要求在设计幕墙结构时，根据实际情况，对其进行科学合理地分析和计算，对幕墙结构的承载能力、抗风压性能以及地震作用等方面进行研究。除此之外，还需要结合当地的地质情况来科学合理地确定幕墙设计参数。在实际进行幕墙设计时，应综合考虑各种因素对建筑工程质量造成的影响，这也是确保建筑工程质量的重要手段之一。结构优化措施：（1）加强对幕墙设计方案的优化分析。居 舍设计与案例972022年12月（中）在进行建筑外墙结构优化时，可以通过对其进行多方案比较分析的方式来确定最优方案。（2）选择科学合理的计算模型和方法。在进行计算模型分析时应遵循可靠性、安全性以及经济性原则，同时需要结合实际情况选择适用于国内建筑的计算模型和方法；在确定好计算模型后需要对其进行深入地研究和探讨，通过大量科学实验得出最优解。（3）明确结构耐久性。在结构优化时应将其考虑在内，保证设计方案满足实际需求的同时还能达到相应标准中规定的耐久性要求。此外相关部门还应加大监督力度以确保建筑幕墙结构能够满足实际需求。5.2 承载力的优化随着城市化建设不断推进，建筑幕墙越来越多地出现在人们的生活中。其能够很好地美化建筑外观，提升建筑质量。然而在实际工程应用中，也存在着诸多问题。尤其是幕墙结构设计承载力的问题，不仅会影响到幕墙结构的正常使用，还会造成不必要的经济损失。建筑幕墙与普通材料相比，它不仅具有美观性，还具有安全性、耐用性等特点。因此，在进行材料选择时要注意考虑到自身特性、价格等因素。针对不同的材料有不同的要求和选择标准。幕墙采用传统支承方式设计时需要使用金属型材或者其他类型构件作为支撑材料，在实际应用中，需要根据实际情况采用钢结构、轻钢结构形式作为支撑材料；而对于采用玻璃作为承载方式时要注意以下几点：首先由于玻璃具有透光性强、热胀冷缩系数小等特点；其次玻璃重量较轻、抗压抗剪强度较低；最后就是要结合建筑整体的结构要求综合考虑所选构件的材质选择。5.3 环保节能方面的优化建筑幕墙作为一种新兴的建筑装饰材料，逐渐在我国城市建设中得到广泛应用。通过建筑幕墙来改善建筑物的整体形象，提高其美观度，同时通过其独特的艺术魅力和现代美感吸引更多业主。因此，建筑幕墙是一项技术含量比较高、生态环保节能效果也比较好的工程。提高建筑幕墙材料使用效率的方法如下：（1）在保证建筑物采光效果和美观程度前提下，降低建筑材料消耗；（2）在保证建筑物使用功能前提下，减少对于建筑材料的使用；（3）根据不同气候条件、不同季节特点选用环保节能型建筑幕墙材料。改善和提高建筑物保温隔热性能的方法如下：（1）运用保温、隔热材料；（2）对中空玻璃进行特殊处理，以减少室内外温差带来的热损失，在建筑物周围增加隔音板、隔热条等措施；（3）加强对玻璃幕墙周围环境及周边环境保温隔热处理。通过以上方法提高建筑物保温隔热性能，以达到降低能耗、降低建筑成本、保护生态环境和人体健康的目的。5.4 采用更新的设计技术建筑幕墙结构设计应采用更新的设计技术：（1）自支撑系统的发展。在自支撑系统中，横竖支撑构件之间不直接接触，从而减少了摩擦阻力。这使得可以把更多的构造、连接和材料性能引入结构设计中。现在主要采用双曲铝方管或圆钢，利用支撑构件之间的摩擦来实现横竖支撑和连接。对于高层建筑的玻璃幕墙来说，其平面内刚度较低，而在平面外刚度较高，可以起到控制变形和维护结构耐久性的作用。（2）承重系统。从材料、构造到连接方式都有了很大改变，因为承重系统承受了风荷载、地震荷载或其他外力。为了减少在不同荷载作用下结构上的不均匀变形和应力集中，可采用抗震支承体系或钢支撑体系。（3）柔性结构。与刚性结构相比，柔性结构可以使风、地震等外力不直接传至基础之上（即风振、地震作用等）。柔性材料能够吸收一部分弹性变形，能够减轻墙体自重，减少楼板承重及基础与主体结构之间的连接难度。（4）可开合玻璃幕墙系统。开合式幕墙可以根据建筑造型及所需装饰效果随意开启或闭合，系统可以通过可开合的构件使之自由升降，也可以在面板上开孔以达到采光或通风效果。这有利于实现建筑艺术与功能要求的有机结合，同时也有利于保证建筑使用安全。6 总结综上所述，建筑幕墙结构设计是建筑设计的重要组成部分，需要在了解幕墙结构特点的基础上，对其进行全面地分析，并通过相关理论知识及经验总结提出相应的优化措施。在实际应用中，为了保证建筑幕墙结构设计效果，还应根据不同地区实际情况对其进行调整或改进。通过不断探索总结和分析，使幕墙结构设计达到更好的效果。参考文献1 段继佑.建筑幕墙施工技术及其质量控制探讨 J.建材发展导向，2023（4）：57-59.2 魏长才.超高层公共建筑玻璃幕墙设计 J.建筑技术，2023（1）：48-51.3 张秀奇.建筑幕墙工程质量控制研究 J.中国建筑装饰装修，2023（1）：115-117.4 陈亚.装配式建筑幕墙施工技术探究 J.中华建设，2023（1）：158-160.