楊 斌 建峰建設(shè)集團股份有限公司

1 前言

建筑幕墻具有色彩絢麗、外觀時尚等特點，集建筑設(shè)計、藝術(shù)、環(huán)境等多個領(lǐng)域?qū)W科為一體。自從1851年倫敦世博水晶宮首次運用玻璃帷幕的手法開始，世界各國在建造大型建筑物時逐漸將其引入設(shè)計中，展現(xiàn)出各種不同的美學風格。我國也在改革開放后引入這一技術(shù)，國內(nèi)建筑幕墻行業(yè)在近幾十年來獲得空前的發(fā)展。但由于建筑幕墻本身對結(jié)構(gòu)設(shè)計上有較高的要求，而國內(nèi)行業(yè)在設(shè)計、施工、材料質(zhì)量、維護等方面尚存在一些不足，均可能會使建筑的整體效果達不到預(yù)期，甚至可能導(dǎo)致安全事故。因此，探索有效的優(yōu)化措施，是建筑幕墻設(shè)計、建造中的首要任務(wù)。

2 建筑幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計的內(nèi)容

在我國建筑部門頒布的暫行《建筑幕墻工程設(shè)計專項資質(zhì)分級標準》中，對具體的幕墻適用類型進行明確規(guī)定，指出了其適用范圍為組合幕墻和采光頂部分，而在實際使用中，還包括門窗、遮陽，金屬的墻面、屋面，玻璃屋面、隔斷，以及各種裝飾架構(gòu)等。

在結(jié)構(gòu)設(shè)計的具體內(nèi)容中，主要包括設(shè)計方案、受力分析以及材料選擇三大方面。

①幕墻的設(shè)計需要兼顧美觀、實用和功能性，一般來說，主要有半隱式、全隱式、明框樣式、干法隱框樣式等，具體需根據(jù)其實際使用場合、建筑的功用、幕墻面板布置、整體風格等來決定，并以此為依據(jù)來確定主要負責支撐的結(jié)構(gòu)、形式和邊界條件。同時，還需考慮其綜合荷載能力及具體功用，根據(jù)室內(nèi)外實際情況，確定所需達到的藝術(shù)效果，選擇相應(yīng)材料，如想要獲得較為開闊的視野，可選取點支式幕墻、桁架結(jié)構(gòu)等，若只需常規(guī)分格，選取鋁合金立柱即可，但如果處于跨度較大的情況，則應(yīng)首選鋼立柱，視結(jié)構(gòu)可連接支撐點數(shù)來決定支梁為單跨或雙跨等。總的來說，設(shè)計方案的目的在于確保幕墻的安全可靠和功能完善，以及整體的美觀。

②成功的結(jié)構(gòu)設(shè)計除了外觀和功能，還必然有合理的受力和傳力，這一點在建筑幕墻上也得到充分體現(xiàn)。只有對幕墻結(jié)構(gòu)進行受力分析，保證受力的合理性，才能盡可能提高材料利用率，降低多余的損耗，并做到整體效果的美觀大方。其受力影響因素主要包括重力、對風雪雨的荷載能力、溫度張力等，即除了常規(guī)因素外，還需要將當?shù)貧夂?、自然?zāi)害等因素考慮在內(nèi)，預(yù)先判斷上述因素可能導(dǎo)致的外形變化，通過設(shè)計中對材料彈性、平面變形、風壓變形等方面的控制，對在之后使用中可能面臨的受力變化進行調(diào)節(jié)，來促進結(jié)構(gòu)的安全性。

③為實現(xiàn)設(shè)計方案的預(yù)期效果和對受力的調(diào)控，合理的材料選擇是基礎(chǔ)，這就需要對結(jié)構(gòu)受力、功能、加工工藝、施工等方面有充分的了解。其中，材料的性能是決定性因素，需要根據(jù)其所具體使用的位置來進行選擇，如幕墻和土建結(jié)構(gòu)間的轉(zhuǎn)接件，選用6061-T6鋁型材料，有更好的承受力，還能降低經(jīng)濟成本，但在用量較大或加工工序較多的立柱上卻不建議選擇該型鋁材。目前來說，市面上流行的多為石材、玻璃類、金屬板、陶瓷等，均需根據(jù)材料的使用位置、功能、外觀需要等進行選擇。

3 建筑幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計的原則

在幕墻設(shè)計的原則來看，主要是應(yīng)該傳達出建筑設(shè)計的理念，也就是要和建筑的整體設(shè)計保持一致性，而非過于突出自己的風格。作為室內(nèi)向室外的過渡及整個建筑的保護外殼，幕墻首先是會被人第一眼所看到的建筑結(jié)構(gòu)，應(yīng)以服從于建筑整體設(shè)計、體現(xiàn)其風格和理念為首要任務(wù)，也可以說，幕墻設(shè)計的好壞，直接影響到人們對建筑的第一眼印象，也會影響到建筑設(shè)計的成敗。因此，對于建筑整體風格的展現(xiàn)和理念的傳遞來說，幕墻有著極為重要的意義。

當前，可供選擇的幕墻產(chǎn)品種類眾多，需要設(shè)計者結(jié)合建筑風格進行認真挑選，以免應(yīng)生搬硬套而影響到整體美感，應(yīng)在保證安全性、實用性的基礎(chǔ)上，體現(xiàn)出建筑的藝術(shù)性。此外，還需要服從相關(guān)法律法規(guī)的要求，以行業(yè)規(guī)范為準繩來制定設(shè)計和施工技術(shù)標準，詳細分析在今后使用過程中可能面臨的各種力學影響因素，對結(jié)構(gòu)中各個部件受力進行精準計算，考慮使用要求和足夠的強度、剛度，合理選擇材料和設(shè)計方案，保證每個部件都有足夠強度，及幕墻和主體結(jié)構(gòu)間的相對位移能力，以最大限度地保證幕墻的安全性，并優(yōu)化結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟指標，避免過度浪費。

4 當前建筑幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計中存在問題分析

4.1 缺乏現(xiàn)代化的設(shè)計理念

從建筑設(shè)計的發(fā)展趨勢來看，裝配便捷、綠色環(huán)保、節(jié)能低耗、智能調(diào)節(jié)等，必然是未來人們的首選，在此基礎(chǔ)上，外觀的設(shè)計感、居住或工作的舒適，也會給人們帶來更好的使用感受。但就目前而言，不少建筑幕墻在設(shè)計理念上仍沿襲傳統(tǒng)模式，停留在保證建筑的強度基礎(chǔ)上，材料選擇中也沒有充分的考慮綠色環(huán)保性，與建筑結(jié)構(gòu)、功用、整體美觀需求等不符，也難以滿足人們越來越高的使用要求。

4.2 施工單位和設(shè)計人員因素

不少建筑施工時，存在主體和幕墻承擔施工的單位不一致，相互之間缺乏溝通，較難做到統(tǒng)一管理，在施工技術(shù)標準上也都存在不一致的現(xiàn)象，使整個施工進度、結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選擇上都存在問題。設(shè)計人員個人資質(zhì)、能力不足，也會導(dǎo)致其美學、設(shè)計能力不能體現(xiàn)出幕墻所應(yīng)表現(xiàn)出來的藝術(shù)張力，不利于最后的整體效果。同時，若施工方和設(shè)計方之間缺乏良好的溝通，不能完全按照施工圖紙和要求，擅自改動，也可能影響到幕墻最后的質(zhì)量和美觀。

4.3 缺乏突發(fā)情況穩(wěn)定性設(shè)計

作為建筑的保護外殼，當出現(xiàn)突發(fā)狀況時，幕墻會是首先被侵襲的結(jié)構(gòu)，因此，近年來，行業(yè)開始越來越重視這個問題。雖然也出臺了不少相關(guān)的安全標準和技術(shù)方面的行業(yè)規(guī)定，但在實際設(shè)計中，仍有不少建筑的幕墻結(jié)構(gòu)并沒有將自然災(zāi)害等因素考慮在內(nèi)，導(dǎo)致建筑幕墻本身沒有足夠的穩(wěn)定性，使得一旦出現(xiàn)突發(fā)的自然災(zāi)害，甚至僅僅在惡劣的自然氣候下，幕墻即可能因過大的載荷而出現(xiàn)安全事故，引起人民生命、財產(chǎn)的損失。

4.4 缺乏功能性和經(jīng)濟性的綜合考慮

除了安全、力學性能上的要求，現(xiàn)代建筑也對幕墻在功用上提出了更高要求。在幕墻的使用中，往往還承擔了采光、保溫等方面的功能，以及高度的安全性。但在實際工作中卻發(fā)現(xiàn)，由于設(shè)計及施工技術(shù)上存在的缺陷，使幕墻功能未達預(yù)期，在采光、安全、節(jié)能等功能上并不能滿足人們的實際需要，或者僅僅在某一方面基本達標，卻不能兼顧其他方面的功能，甚至以犧牲其他功能為代價來滿足某方面的功能標準，如一些材料建造的玻璃幕墻只保證了采光性，卻缺乏足夠的保溫隔熱性。

5 建筑幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化措施探討

5.1 安全穩(wěn)定性優(yōu)化

既往對此類事故的調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，脫落事件多發(fā)生于垂直幕墻，所以，設(shè)計時需著重在垂直幕墻的剛度和穩(wěn)定性上下功夫，做到各結(jié)構(gòu)關(guān)鍵節(jié)點連接的穩(wěn)定可靠。特別是玻璃幕墻，需考慮到玻璃材料對穩(wěn)度的承受能力，以免爆炸。設(shè)計節(jié)點時，還需要考慮到邊界問題，應(yīng)事先在邊緣和鑲嵌槽底板間預(yù)留好足夠的間隙，以免玻璃在應(yīng)力作用下出現(xiàn)破裂。在安全穩(wěn)定性的設(shè)計中，主要應(yīng)考慮到突發(fā)事件的情況，如對大型玻璃采光頂?shù)南涝O(shè)計，首選耐火極限高于0.25h的三級耐火級吊頂，對各類幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計中均應(yīng)兼顧防火、防墜物、防雷、防冰雹等要求。除此之外，抗震設(shè)計中，還需要保證有足夠的鑲嵌深度，并做好消防安全通道的布局，尤其是各連接點的設(shè)計優(yōu)化。

5.2 開發(fā)和應(yīng)用新的玻璃幕墻材料

傳統(tǒng)材料有不少都存在一定弊端，比如重量較大，可能會因連接不當而出現(xiàn)脫落，自身強度不足，防爆性能較差等，這就要求在設(shè)計中尋找更多的新型材料，來改善幕墻的功能。如橫梁和立柱部分，可以在保證其承載力的前提下，選擇質(zhì)量更好的材料；在幕墻表面覆蓋有自清潔作用的涂層，使其在光照環(huán)境下即可發(fā)揮自清潔作用，或者鍍上低輻射膜，提高幕墻的隔熱、保溫作用；以及運用熱傳導(dǎo)系數(shù)較低的中空幕墻等。多空腔節(jié)能玻璃有著較好的隔熱、隔聲、隔紫外線等功能，節(jié)能環(huán)保性較傳統(tǒng)材料更佳。此外，在玻璃幕墻表面粘貼鈦合金膜，可以提高玻璃材料本身的強度和韌性，增加幕墻的防震效果。

5.3 采光、保溫等功能優(yōu)化

在建筑幕墻的諸多功能中，除了本身的美觀性，采光和保溫功能是其中較為重要的內(nèi)容，也是使其快速發(fā)展的主要原因之一。但在既往的使用中發(fā)現(xiàn)，兩者之間有時會存在一定沖突，如注重采光效果卻往往保溫隔熱效果不佳，而若過于考慮保溫作用，可能在采光上就無法達到預(yù)期標準。所以，若能選擇隔熱斷橋鋁型材為框架，以及熱傳導(dǎo)系數(shù)不同的玻璃，以雙層幕墻的方式加強密封設(shè)計，可比傳統(tǒng)模式節(jié)省50%左右的能源。

5.4 經(jīng)濟性優(yōu)化

設(shè)計中，除了考慮外觀與建筑風格的一致性，獲得整體上的美感，保護、采光、保溫、防震等功能特性，還需要將其經(jīng)濟性也納入設(shè)計原則中，應(yīng)在盡可能滿足設(shè)計需要的基礎(chǔ)上，降低成本，以保證整體的經(jīng)濟效益。一般來說，為降低幕墻自身重量，不少設(shè)計者都會選擇輕質(zhì)材料。但由于多數(shù)材料會存在強度與厚度成正比的情況，在選擇輕質(zhì)材料時必然需額外增加局部的筋肋和折邊工藝。所以，需將上述內(nèi)容也算入成本中，綜合考慮設(shè)計方案，以盡可能減少因設(shè)計不合理而增加的消耗。玻璃幕墻需注意監(jiān)控硅酮結(jié)構(gòu)膠的質(zhì)量，框格幕墻則應(yīng)嚴格計算橫梁、立柱的承載力，以更簡單實用的方式來實現(xiàn)功能性和經(jīng)濟性的平衡。

6 結(jié)束語

總之，隨著建筑行業(yè)的發(fā)展，幕墻的形式會越來越多。設(shè)計者們需要結(jié)合建筑本身的風格和功能來完善對幕墻的設(shè)計，并應(yīng)將設(shè)計、加工、施工等各環(huán)節(jié)相結(jié)合，盡可能做到安全、節(jié)能、美觀、舒適，推動我國幕墻行業(yè)的發(fā)展。