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        建筑幕墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化措施探討

        2021-12-06 08:54:37建峰建設(shè)集團股份有限公司
        門窗 2021年4期
        關(guān)鍵詞:幕墻受力結(jié)構(gòu)設(shè)計

        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期,甚至可能導致安全事故。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??偟膩碚f,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?、自然災害等因素考慮在內(nèi),預先判斷上述因素可能導致的外形變化,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,以免應生搬硬套而影響到整體美感,應在保證安全性、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,也會導致其美學、設(shè)計能力不能體現(xiàn)出幕墻所應表現(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)并沒有將自然災害等因素考慮在內(nèi),導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,應事先在邊緣和鑲嵌槽底板間預留好足夠的間隙,以免玻璃在應力作用下出現(xiàn)破裂。在安全穩(wěn)定性的設(shè)計中,主要應考慮到突發(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期標準。所以,若能選擇隔熱斷橋鋁型材為框架,以及熱傳導系數(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。

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