王建彪

摘要：當前，隨著高層建筑數量的增多，玻璃幕墻的應用越來越廣泛。本文介紹了玻璃幕墻結構設計需注意的一般問題，簡要介紹玻璃幕墻結構的組成與類別，國內外玻璃幕墻設計方法的研究進展，并對今后研究工作提出若干建議。

關鍵詞：玻璃幕墻；組成；分類；設計方法；

1.概述

建筑幕墻是建筑物不承重的外墻維護結構，除了具有建筑的基本使用功能（包括采光、承載、保溫等）外，還具有豐富的藝術性（構造精巧、表現力強、品質純凈等），因此，建筑幕墻在我國的使用范圍已經從商業(yè)擴展到民宅，幕墻使用的材料也越來越廣泛。

然而，玻璃幕墻本身造價昂貴，且抗風，抗震性能較差；能耗較大，容易對周圍環(huán)境形成光污染，相關設計規(guī)范仍不是十分成熟。目前我國玻璃幕墻的設計方法和設計經驗有待于積累和提高。因此玻璃幕墻設計方法的分析研究具有重要的理論意義和現實意義。本文簡要介紹建筑玻璃幕墻的組成分類，以及國內外的分析研究進展情況，介紹了工程實踐中的幾種實用設計方法，并提出值得研究的若干問題。

2.玻璃幕墻的組成與分類

2.1玻璃幕墻結構的組成

玻璃幕墻結構是由玻璃或鋁、鋼等金屬材料組成，并經過加工、連接和安裝組成，可承受風荷載、溫度等可能作用，并滿足各項預定功能要求的工程構筑物。玻璃幕墻結構通?？梢苑譃椴Ａ姘濉⒅С薪Y構（含連接件）和基座（結構）三部分。

2.2玻璃幕墻建筑結構的類別

從不同的角度可以將玻璃幕墻結構進行不同的劃分，主要有以下幾種情況。

按玻璃幕墻形式，可分為：

1）明框玻璃幕墻：金屬框架的構件顯露于玻璃面板外表面的框支承玻璃幕墻。

2）隱框玻璃幕墻：金屬框架的構件隱藏于面板內表面的框支承玻璃幕墻。

3）半隱框玻璃幕墻：介于前兩者之間。

按幕墻安裝方法，可分為：

1）構件式玻璃幕墻：立柱、橫梁和玻璃面板均在現場進行安裝。

2）單元式玻璃幕墻：將面板和金屬框架（立柱、橫梁）在工廠組裝為幕墻單元，以單元形式在現場進行整體安裝。

按幕墻面板的支承形式可分為：框支承玻璃幕墻、點支承幕墻以及全玻幕墻。

按玻璃面板是否作為該結構的主要受力部件分為：組合式結構，玻璃面板與其它板件共同組成統一的結構體系，并相互依存不可缺，否則結構失效。集合式結構：玻璃面板一般作為附屬結構，支承結構（包括基座）作為基本結構，二者相對獨立。

按支承結構剛度分為：剛性支承結構和柔性支承結構。前者組成結構的基本構件，均為剛性桿件，如梁、剛架、桁架、網架等；后者組成結構的相當多的基本構件是僅能承受拉力的柔性桿件，而不是剛性桿件，如張拉索桿結構等。

3.設計方法概述

3.1 玻璃幕墻主要設計內容

玻璃幕墻的剛度和承載力都較低，強風或地震作用容易引起破壞和脫落，因此必須進行風荷載、地震作用、溫度應力作用下的設計計算和變形驗收。其主要過程包括：

1）結構設計的一般原則和方法

玻璃幕墻屬于建筑的圍護結構，不承受主體結構的地震作用，但須保證幕墻及其連接件承載力足夠，且剛度、相對主體結構的位移能力滿足要求。作為非承重構件，幕墻結構設計標準是小震下保持彈性，故應采用彈性計算方法。

2）基本參數的選取

現行玻璃幕墻規(guī)范對幕墻結構的荷載與作用取值、材料的力學性能取值均有較為詳細的規(guī)定，此處不予贅述。

3）玻璃應力計算

主要需計算玻璃在風荷載作用下的最大應力；在年溫度變化作用下玻璃邊緣與邊框的擠壓應力；玻璃中央與玻璃邊緣的溫差應力等。

4）橫梁和立柱的計算

當矩形玻璃板材四周均有橫梁/立柱支承時，荷載可按45度分角線劃分傳遞到四周支承。橫梁以立柱為支承，并可按簡支計算。

5）結構膠計算

6）幕墻與主體結構的連接等

計算過程中荷載傳遞路徑分析十分重要，而應力分析及變形驗算也是重難點。

3.2國內外設計方法概述

對于玻璃幕墻結構中玻璃的設計，目前國內外有眾多方法，下面介紹其中典型的四種方法。

圖表設計法：根據風壓、體型系數、風速以及玻璃面積直接由設計圖表查出某一類玻璃厚度的設計方法即稱為圖表設計法。通常是根據實踐經驗和玻璃在按壓作用下的破壞實驗綜合制定出這些圖表的。美國和英國幾家著名的玻璃公司，如LOF公司和PUkington公司等都各自提出了玻璃設計圖表。美國、澳太利亞和加拿大的玻璃幕墻規(guī)范也都采用了簡單方便的圖表作為設計方法。

最大應力理論設計法：最大應力理論法以薄板的大變形理論應力分析（在均布的，靜壓力作用下）為依據，假定玻璃表面任何一處達到極限拉應力時即達破壞，進行有限元分析。PPG公司進行了大量有限元計算，應用其分析結果，于1979年推出了以最大應力理論為基礎的玻璃設計圖表。此后，沃布蘭及其合作者，利用有限差分法對大變形薄板玻璃在均布側向靜壓力作用下的應力進行了分析，取得了較大的進展，能利用電算快速運算并經實驗論證，可適用于各種類型玻璃。

斷裂理論設計法：1972年，布朗根據靜態(tài)疲勞和斷裂力學理論，給出了著名的布朗積分公式——玻璃累積損傷破壞的計算公式。該理論認為只要強度累積損傷量值達到與加載方式無關的臨界值時，玻璃就破壞。依據該理論的設計方法稱為斷裂理論設計法。然而，由于斷裂理論設計法過于復雜，難于在實際工程實踐中進行應用。

實用公式設計法：由于矩形薄板玻璃在風壓作用下的應力狀態(tài)計算十分復雜，理論結果與實驗情況也有出入，且目前尚無成熟的計算方法，因此，日本舍棄建立玻璃容許應力與風壓之間的關系式的方法而采用風壓與玻璃安全厚度之間的實用關系式。

4.研究中的問題

4.1設計管理問題

在目前的工程實踐中，建筑幕墻工程一般都是由業(yè)主直接承包的，但是業(yè)主在招標的過程中往往因為時間緊迫等原因，投標單位沒有足夠的時間去熟悉圖紙，還有很多設計圖紙缺乏節(jié)點細部的詳圖及做法，過于粗糙，導致中標單位在后期施工過程中沒有足夠的依據指導施工，影響工程整體的質量。因此，我們要加強對于設計階段的重視程度，避免設計圖紙與施工現場的沖突。在設計階段要保證圖紙設計的深度與科學性，提供節(jié)點細部的詳圖以及具體做法，設計中要有防雨水滲漏性能的措施等，能夠有力地指導現場施工，并且在后續(xù)的施工過程中要有專門的設計師在現場指導施工，解決施工過程中的技術問題。

4.2設計風荷載取值問題

高層、超高層玻璃幕墻上設計風荷載的取值是非常重要的，它關系到幕墻的安全與經濟問題，在我國荷載規(guī)范中，以3O年一遇的1O分鐘平均風速壓力作為風荷載的基本風壓的，這對主體結構是適用的。然而，幕墻在瞬時風作用下容易損傷破壞，國外一般將3秒平均風速壓力作為瞬時風壓，而在同一地點的10分鐘平均風壓與3秒鐘風壓相差巨大，后者將近前者的兩倍，因此按1O分鐘風壓為基本風壓的風荷載進行設計是非常不安全的。同時在美日等國都做過大量的幕墻風洞試驗，并配合理論分析，以求得較嚴密的風壓設計值供設計使用。因此，對于設計風荷載取值的問題，我國還需做大量實驗，并進行理論分析，以期達到安全可靠的設計。

4.3可靠性分析問題

基于可靠度理論的設計方法是先進的設計方法.在玻璃幕墻設計方法上引入可靠性理論，無疑具有重要的理論意義和實際意義.因此有必要加大對玻璃幕墻的靜力、動力、時變可靠度研究和分析，這必將大大推動玻璃幕墻設計方法發(fā)展.

參考文獻：

[1]李創(chuàng)第.高層建筑玻璃幕墻方法評述[J].建筑技術，2012，7（3）

[2]黃本才，陣重早.高層建筑中玻璃幕墻的抗風設計[J].建筑結構學報，2011，12（3）

[3]JGJ102-96，玻璃幕墻工程技術規(guī)范[S]

[4]趙西安.幕墻工程手冊（第一版）[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1996