王俊彪 旭輝集團(tuán)股份有限公司

1 前言

為了增強(qiáng)城市的美感，確保建筑的不同特點(diǎn)，幕墻的應(yīng)用和發(fā)展起著重要的作用。根據(jù)建筑幕墻在結(jié)構(gòu)、材料、受力等方面，展開相應(yīng)的設(shè)計(jì)方法。建筑幕墻作為一個(gè)完整的結(jié)構(gòu)體系，其主體具有一定的獨(dú)立性，不承擔(dān)相應(yīng)的荷載，它由面板和支承結(jié)構(gòu)組成，具有一定的抗震、隔熱和氣密性，為了延長其使用壽命，保證使用的穩(wěn)定性，本文圍繞幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)展開分析研究。

2 建筑幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)

2.1 構(gòu)件式幕墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)幕墻是一種新型的結(jié)構(gòu)形式，有隱框、半隱框、明框等多種形式。需在工廠開展設(shè)計(jì)和制造，并將其運(yùn)送到工地進(jìn)行裝配。在構(gòu)件型幕墻的設(shè)計(jì)中應(yīng)充分重視整體，使其與主體建筑有機(jī)地融合，并注重各個(gè)工藝環(huán)節(jié)的高效銜接，從而確保在使用過程中構(gòu)件的穩(wěn)定。

首先，設(shè)計(jì)師要開展幕墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，獲得有關(guān)技術(shù)指標(biāo)和數(shù)據(jù)，并詳細(xì)說明工程項(xiàng)目的高度、龍骨截面積等，選取明框式、半隱式等建筑結(jié)構(gòu)，以決定構(gòu)件數(shù)量、規(guī)格等。

在開展結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程中，還要注意安裝與維修，確保按實(shí)際工程的要求予以合理的安裝。分析建筑物的桿件和預(yù)制件的布置條件，在預(yù)埋件的設(shè)計(jì)中，應(yīng)確保錨筋、螺紋鋼等部件均符合相關(guān)規(guī)范要求，并按工程要求進(jìn)行。

2.2 單元式幕墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在單元式幕墻中，它的作用是將外墻的面材、構(gòu)件支承體系和金屬裝飾線作為一個(gè)整體，并結(jié)合掛件位置、玻璃、金屬分格等各方面因素，決定了柱子和孔的位置，并采用工藝和焊接的方式，構(gòu)成了一體化龍骨體系。在完成接頭處理和接收工作后，要將接頭和柱子之間的連接用不銹鋼螺栓固定，然后再通過移動吊車和電吊車實(shí)現(xiàn)整個(gè)吊裝；安裝完畢后，幕墻接頭應(yīng)該用螺釘固定。

在安裝時(shí)，本體預(yù)制和接頭必須采用焊接或螺絲固定，以實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的連接。二樓的上部和下部采用公、母相結(jié)合作為主體，在各單元的裝配和檢驗(yàn)通過后，即可實(shí)施整體裝配，從而實(shí)現(xiàn)整體式玻璃幕墻的施工。在施工項(xiàng)目中，板塊調(diào)節(jié)是單體幕墻施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它在單體幕墻的施工中占有舉足輕重的地位。在調(diào)整單元板底不貫通的橫向構(gòu)件（見圖1）時(shí)，施工人員應(yīng)理解并把握板塊的基本原理，板塊的整理工作應(yīng)該遵循“橫平豎直”的調(diào)整原則。

圖1 單元板塊底部非通長橫梁示意圖

單元式幕墻具有其獨(dú)特的特點(diǎn)，具體包括以下幾點(diǎn)。

（1）節(jié)約能源和環(huán)境保護(hù)。采用單元式幕墻具有節(jié)約能源、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，可降低現(xiàn)場施工噪聲，實(shí)現(xiàn)防雨水滲漏，并具有防風(fēng)等作用。

（2）使用方便。不管是裝配還是安裝，都很簡單，可以在大樓里完成，降低了起重機(jī)和大型腳手架的使用率。

（3）具有很高的工業(yè)水平。無論是單體幕墻的設(shè)計(jì)與制造，還是選用材質(zhì)與構(gòu)造，抑或是經(jīng)營及維修單位，都需要在廠房內(nèi)完成；而且，這些廠房都是專業(yè)化的，可以保證每一個(gè)生產(chǎn)過程的品質(zhì)，同時(shí)也可以對其嚴(yán)格管理，如此，玻璃幕墻在工程上達(dá)到很高的工業(yè)水平。

2.3 全玻璃幕墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

玻璃幕墻是一種以玻璃加強(qiáng)筋與玻璃片構(gòu)成的建筑系統(tǒng)。在實(shí)際工程中，能夠確保玻璃幕墻的整體和透氣性，在一些辦公樓、商業(yè)櫥窗中都被大量使用。通過將其分割為幾個(gè)部分，使其達(dá)到充分的透光度，同時(shí)減小了墻體的豎向和橫向間距，從而增強(qiáng)了景觀的觀感。

首先，在玻璃結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，幕墻設(shè)計(jì)師必須對玻璃面板展開結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，明確玻璃的類型、受力體系，從抗震級別和周圍的環(huán)境條件出發(fā)，對玻璃的表面結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度和防污性進(jìn)行研究。按照不同的特性，合理使用玻璃板材，并從其力學(xué)性能、密封性能和材料性能等方面加以分析，并開展工藝設(shè)計(jì)。

另外，在整體玻璃幕墻的設(shè)計(jì)中，還必須考慮到其材料、工作原理、密封條件等方面問題，如采用鋼、鋁合金等材料，可以增加其承載力，并將其運(yùn)用于工程實(shí)踐中，確保整個(gè)幕墻的安全性和穩(wěn)定性。

3 建筑幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的具體措施

為進(jìn)一步優(yōu)化建筑幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)效果，不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)質(zhì)量，針對建筑幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，分別從結(jié)構(gòu)材料、結(jié)構(gòu)計(jì)算方法、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)人員等角度探討優(yōu)化思路。

3.1 結(jié)構(gòu)材料的優(yōu)化

首先，支撐體系以鋼材為主。在開展結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要明確其主要的物理特性，確定其密度、膨脹系數(shù)等技術(shù)指標(biāo)的變動幅度，以保證其強(qiáng)度設(shè)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)值和限制值，并對鋼的焊接工藝也進(jìn)行了最優(yōu)設(shè)計(jì)，規(guī)范其厚度、焊條類型等?？辜魪?qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)規(guī)范的要求。

另外玻璃是幕墻中最常用的一種材料。員工必須具備鋼化玻璃、鍍膜玻璃和膠質(zhì)玻璃的綜合知識，并能根據(jù)其重量、應(yīng)力和性能作出合理的選用。通過專家厘清其強(qiáng)度的界限，以確保其在幕墻結(jié)構(gòu)中的合理使用。

3.2 結(jié)構(gòu)計(jì)算設(shè)計(jì)的優(yōu)化

首先，在對建筑物面板進(jìn)行分析時(shí)，針對不同的結(jié)構(gòu)形式和面板分析板受載荷時(shí)的受力情況，從線性和非線性等不同的方面加以分析，以確保結(jié)構(gòu)的均衡，進(jìn)而求出板的應(yīng)力等，并進(jìn)行相關(guān)的計(jì)算。另外，還要開展幕墻的支承系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。結(jié)合施工現(xiàn)場，分別展開橫向和縱向載荷的分析，并采用影響效果因子進(jìn)行計(jì)算。在此基礎(chǔ)上，建立相關(guān)的數(shù)學(xué)建模，以確保計(jì)算中的邏輯聯(lián)系。

3.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的優(yōu)化

首先，有必要對BIM技術(shù)開展工程設(shè)計(jì)。BIM技術(shù)是一種三維可視性技術(shù)，它可以與各種計(jì)算機(jī)軟件的功能相融合，為工程的開發(fā)工作搭建一個(gè)合適的平臺，從而達(dá)到信息交換和分享的目的。結(jié)合工程場地條件，對其進(jìn)行優(yōu)化。此外，利用機(jī)器學(xué)習(xí)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能技術(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的處理，實(shí)現(xiàn)對各種數(shù)據(jù)的快速運(yùn)算，以確保精度。

3.4 設(shè)計(jì)人員的優(yōu)化

在進(jìn)行幕墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化時(shí)，應(yīng)強(qiáng)化工程設(shè)計(jì)者的整體素質(zhì)和能力，使其具備一定的技術(shù)與實(shí)際工作經(jīng)歷，同時(shí)，在工程施工之前，必須開展系統(tǒng)性訓(xùn)練，以加強(qiáng)設(shè)計(jì)師的完整性。只有經(jīng)過相應(yīng)的考核，方可進(jìn)行施工幕墻的施工，確保施工工作的有條不紊，并能對施工中的問題及時(shí)加以解決。

4 實(shí)例分析

4.1 工程概況

某建筑幕墻工程項(xiàng)目，幕墻系統(tǒng)有以下幾種：100系統(tǒng)單元式玻璃幕墻、200系統(tǒng)框架式玻璃幕墻系統(tǒng)、300系統(tǒng)豎明橫隱框架式幕墻系統(tǒng)、800系統(tǒng)金屬網(wǎng)吊頂系統(tǒng)。

4.2 整體設(shè)計(jì)理念

整體結(jié)構(gòu)龐大，內(nèi)部結(jié)構(gòu)錯(cuò)綜復(fù)雜。從設(shè)計(jì)到施工，再到完工和使用，環(huán)環(huán)相扣。因此，在這種情況下，必須建立起一套方法合理、系統(tǒng)完備、組織高效的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，并在各個(gè)環(huán)節(jié)之間進(jìn)行高效的協(xié)同與協(xié)作。

從設(shè)計(jì)之初，設(shè)計(jì)師就系統(tǒng)地整理了所需設(shè)計(jì)問題，采用創(chuàng)新的設(shè)計(jì)思想，將設(shè)計(jì)目標(biāo)、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)難點(diǎn)等問題整合到整體技術(shù)架構(gòu)中，以BIM技術(shù)為基礎(chǔ)的數(shù)字管理和控制體系，形成整體的系統(tǒng)化、一體化的設(shè)計(jì)思路。從工程的整體規(guī)劃到建設(shè)，保證工程的品質(zhì)和工期。

4.3 建筑表皮設(shè)計(jì)技術(shù)

該建筑外墻是一套綜合了主動與無源技術(shù)的智能化幕墻體系。寫字樓室外使用了兩種通風(fēng)復(fù)合遮陽幕，集圍護(hù)、觀景、遮陽于一體，節(jié)能智能集成肌膚體系。單片幕墻是一種將幕墻結(jié)構(gòu)、遮陽系統(tǒng)和通風(fēng)系統(tǒng)整合為一個(gè)工廠型的結(jié)構(gòu)體系，并在現(xiàn)場進(jìn)行裝配。100系統(tǒng)的外墻采用了內(nèi)、外兩種玻璃結(jié)構(gòu)的內(nèi)通風(fēng)型雙層幕墻。在此過程中，還設(shè)有感知光、熱、照度等外界環(huán)境。能夠根據(jù)外界環(huán)境的不同，自主地打開或關(guān)掉智能的遮光裝置，調(diào)整辦公環(huán)境中的光、熱環(huán)境，營造出舒適的辦公環(huán)境。

4.4 外幕墻設(shè)計(jì)體系

中庭空間的外側(cè)幕墻是由大型吊頂與支承組合而成，最大限度地分割出最大面積的玻璃窗和最大的透明幕墻，確保了整個(gè)幕墻的透明，與室內(nèi)的空間模數(shù)和室外的大面積的都市空間形成一致。300號幕墻系統(tǒng)窗戶的玻璃板為雙層空心特級鋼結(jié)構(gòu)，該系統(tǒng)主受力龍骨采用350mm×80mm×12mm鍍鋅鋼立柱，深暖灰色（Q235B，氟碳噴涂），橫向設(shè)有不銹鋼鋼索（高釩索Φ12mm），鋼索與鋼立柱之間通過定制鎖具（V形鋼索夾扣和索夾扣套筒）固定，鋼索張拉完成后擰緊鎖具不銹鋼螺釘，以保證幕墻結(jié)構(gòu)體系側(cè)向穩(wěn)定性。

在垂直鋼龍骨架的前部，安裝了10mm厚度的碳纖維板，用于承受垂直地震時(shí)的重力，以及在垂直方向受力的情況下，玻璃與玻璃板之間的連接部，使用了耐候膠，確保其密封性。

4.5 吊頂設(shè)計(jì)體系

創(chuàng)新的室內(nèi)和室外天花板使用了干式金屬張力網(wǎng)片。張力網(wǎng)上的花紋方向各不相同，一邊是鱗片，一邊是平整的，從四面八方都能看到不同的畫面。

4.6 玻璃幕墻設(shè)計(jì)的主要技術(shù)措施

由于該工程中的幕墻體系占據(jù)了工程的絕大部分，因此為了進(jìn)一步提升設(shè)計(jì)的有效性，打造精細(xì)化的管理方案，本項(xiàng)目采用BIM技術(shù)，將BIM技術(shù)應(yīng)用到項(xiàng)目中，以提高其施工效率和項(xiàng)目的質(zhì)量。BIM技術(shù)最大的優(yōu)點(diǎn)就是可進(jìn)行3D可視化轉(zhuǎn)換，能夠檢測出施工期間有無撞擊現(xiàn)象，進(jìn)而對項(xiàng)目展開更好的規(guī)劃，降低在施工中出現(xiàn)的差錯(cuò)和返工的概率，并顯著降低施工過程中的風(fēng)險(xiǎn)。

4.6.1 落實(shí)設(shè)計(jì)思路的優(yōu)化

一般來說，在施工中，玻璃幕墻的制作周期較長，在最初的設(shè)計(jì)階段，要經(jīng)過多次的修改和調(diào)整，方能達(dá)到后期的使用要求。但使用傳統(tǒng)的手工修正和調(diào)節(jié)方法，不僅效果不佳，而且還很難控制細(xì)節(jié)?；诮ㄖO(shè)計(jì)的高效性，運(yùn)用BIM技術(shù)建立可視化的系統(tǒng)，使設(shè)計(jì)者可更好地展示出具體的建筑材料選擇、分析相關(guān)節(jié)點(diǎn)、確認(rèn)螺栓型號等，使原本的設(shè)計(jì)方案更為精確，從而為后續(xù)的幕墻工程建設(shè)打下堅(jiān)實(shí)的理論依據(jù)。

4.6.2 實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化

在以往的建筑系統(tǒng)中，工程的計(jì)劃和修改必須與建筑設(shè)計(jì)部門共同努力，并根據(jù)工程的具體施工條件，對工程的各種細(xì)節(jié)加以論證，并綜合考慮其功能、投資價(jià)值和外觀美感。通過BIM技術(shù)進(jìn)行立體建模，使設(shè)計(jì)者和施工人員能更好地理解目前存在的問題和解決問題的狀況；同時(shí)展開相應(yīng)的改進(jìn)，既方便了招標(biāo)文件的編制，又為幕墻工程的后續(xù)安裝提供了高效的保證。

4.6.3 優(yōu)化幕墻設(shè)計(jì)工作，提升綜合性能

BIM技術(shù)在幕墻設(shè)計(jì)中的運(yùn)用，既可優(yōu)化工程前期和后期的各方面，又可以利用6D建模評價(jià)整體的性能，從而提高整體的設(shè)計(jì)效果。BIM模型不僅能顯示出單位幕墻部分的具體情況，還能進(jìn)行撞擊探測，并依據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)果做出相應(yīng)的修改，大大降低了以后工程建設(shè)中出現(xiàn)的問題；減少了不必要的調(diào)試和施工。

在這一基礎(chǔ)上，運(yùn)用6D建模方法，分析了幕墻工程的整體表現(xiàn)，具體包括：分析、探究幕墻的抗風(fēng)性；仿真測試幕墻的地震性能；仿真幕墻施工后室內(nèi)的通風(fēng)狀況；檢查幕墻工程的設(shè)計(jì)結(jié)果是否符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)；實(shí)施多種性能檢測，確保幕墻的整體經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu)。

5 結(jié)束語

綜上所述，隨著我國經(jīng)濟(jì)的高效發(fā)展，為了進(jìn)一步推動城市化的發(fā)展，建設(shè)一個(gè)高質(zhì)量的建筑業(yè)管理體系和設(shè)計(jì)體系已成為關(guān)注的焦點(diǎn)。在建筑幕墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，對于單元幕墻、構(gòu)件幕墻和全玻璃幕墻等不同的結(jié)構(gòu)體系，相關(guān)人員需具體研究幕墻的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，了解設(shè)計(jì)中存在的問題，包括計(jì)算等，以便找到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的主要思路。其中，BIM技術(shù)能有效提高建筑玻璃幕墻施工的科學(xué)性和合理性，三維模型和6D模型可準(zhǔn)確檢測建筑幕墻本身的功能和細(xì)節(jié)，同時(shí)提高其綜合效益，延長幕墻的使用壽命。