浅析幕墙结构概念设计及玻璃挠度计算的重要意义

张国鸣

随着大跨度空间建筑幕墙迅猛发展，现代建筑的奇异造型使得幕墙结构变得越来越复杂。因此，以大跨度钢结构、索结构、玻璃结构及其组合结构等高难度的幕墙结构型式在幕墙设计中得到全方位应用。无论是传统的框架式玻璃幕墙，还是大跨度的点支式玻璃幕墙以及单元式玻璃幕墙，结构在幕墙设计中的地位日显突出，尤其是幕墙结构概念设计已成为设计中关键环节，同时玻璃幕墙挠度计算也显得更加的重要。笔者根据十几年来主持和参与的多项会展中心、商务楼幕墙工程实践，就幕墙结构设计和玻璃挠度计算方面谈一些认识。

一、幕墙结构设计的重要性

首先由于幕墙结构设计的安全可靠性直接关系到建筑外立面美观和人民生命财产安全，历来是审慎解决的重大问题；其次幕墙结构的安全可靠设计也是一个国家综合性经济政策问题；第三实际上结构设计也是选择一种安全与经济相对的最佳平衡。因此政府、社会对结构设计极为重视，结构设计责任重大；第四作为一个从事建筑幕墙设计的技术人员，应对幕墙结构设计承担义不容辞的责任。

二、幕墙结构概念设计的涵义

人们往往片面地理解幕墙结构概念设计，认为其主要是用于一些大的原则，如确定结构方案、结构布置等。其实，在设计中任何地方都离不开科学的概念作指导。

1.意义

概念设计一般指不经精密计算，尤其在一些难以作出精确理性分析或在规范中难以规定的问题中，依据幕墙整体结构体系与分体系之间的力学关系、结构破坏机理和工程经验所获得的基本设计原则和设计思路，从整体的角度来确定幕墙结构的总体布置和细部构造措施的宏观控制。运用概念性近似估算方法，可以在幕墙设计的方案阶段迅速、有效地对结构体系进行构思、比较与选择，易于快捷计算。所得结构方案往往概念清晰、定性正确，避免后期设计阶段一些不必要的繁琐运算，具有较好的安全可靠和经济合理性。同时，也是判断计算机内力分析输出数据正确与否的主要依据。

2.幕墙结构概念设计的主要内容

（1）合理选择结构方案

一个成功的设计必须选择一个经济合理的结构方案，即要选择一个切实可行的结构型式和结构体系。结构体系应受力明确，传力简捷，同一结构单元不宜混用不同结构体系，力求平面和竖向规则。必须对建筑师设计要求、幕墙结构特点、材料供应、施工条件等情况进行综合分析，并与设计院建筑、结构等专业充分协商，在此基础上进行结构选型，确定结构方案，必要时还应进行多方案比较，择优选用。

（2）选用恰当的计算简图

结构计算是在计算简图的基础上进行的，计算简图选用不当而导致结构安全的事故屡有发生，因此选择恰当的计算简图是保证结构安全的重要条件。计算简图还应有相应的构造措施来保证。实际结构的节点不可能是纯粹的刚结或铰结点，但与计算简图的误差应在设计允许范围之内。

（3）审慎分析计算结果

在结构设计中普遍采用计算机技术，但由于目前软件种类繁多，不同软件往往会导致不同的计算结果。因此设计师应对程序的适用范围、技术条件等全面了解。软件本身有缺陷均会导致错误的计算结果，此外要正确输入合理的计算参数，因而要求结构工程师在拿到电算结果时应认真分析，慎重校核，做出合理判断。设计师的知识、经验还是不可缺少的。

（4）采取相应的构造措施

加强薄弱部位设计，特别注意结构连接节点是否设计可靠，尤其是不要遗漏钢结构焊缝、耳板、销轴、连接板的设计计算。必要时需考虑温度应力的影响。除此之外，还应注意综合考虑多道防线设计，尽量避免薄弱点的出现，以及正常使用极限状态的验算等等。

3.幕墙结构设计应考虑因素及一般步骤

（1）首先对幕墙面板布置及其分格 （一般由建筑师提出并全面熟悉设计院图纸）。了解并熟悉幕墙后面主体结构支承情况 （楼层及梁柱、屋面结构等）；了解主体结构对幕墙的边界条件 （特别对索结构），以及建筑师及业主对幕墙结构型式的要求。

（2）根据各种结构型式受力特点、适用条件、经济合理性、与幕墙的匹配性等因素来确定是采用钢结构、索结构、玻璃结构、单杆结构、桁架结构还是组合结构。

4.幕墙结构设计中值得重视的问题

（1）根据规范规定及各种结构型式特点合理确定结构型式，切忌为满足业主及建筑师的要求，而无原则的一味迁就。

（2）幕墙是悬挂在主体建筑上的外围护结构，幕墙结构仅承受幕墙本身受到的荷载，不能承受主体建筑传来的荷载。而幕墙结构所承受的荷载必须通过连接传给主体建筑，并且应该适应主体建筑的变形。

（3）不能盲目追求使用索结构，特别是单索，使用索结构对边界条件要求高，设计院往往未考虑予拉力荷载。

（4）应重视钢结构连接节点 （耳板、销轴、焊缝的计算等）的可靠性，及有框幕墙及石材在主体结构的连接件 （如预埋件、螺栓、角码）的连接牢固。

（5）隐框幕墙设计要谨慎，玻璃下设托条，结构胶设计计算及质量要有可靠保证。

（6）钢结构的稳定计算时要考虑挠度、长细比及平面外稳定，截面稳定性计算需进行人工校核。

（7）应明确各种荷载传递路径与结构体系中各杆件所担负功能。尽量使荷载传递路径简捷。

三、玻璃挠度的计算是幕墙结构计算的重要内容

在幕墙设计时，常涉及到挠度变形问题。在某一工程项目中，标准风压达到4.7kPa，幕墙分格尺寸为1500×2500mm，如按刚性板的公式计算，不仅材料大大增多，而且不能做到设计可靠、经济合理。很显然此时玻璃在风压作用下的弯曲变形应为大挠度变形问题。为使设计符合实际情况，在该工程的玻璃挠度计算中采用了大挠度计算公式。考虑到大挠度计算公式是经验公式，为验证计算的可靠性、确保工程的安全，按实样进行了玻璃挠度的测试。同时，工程使用了不等厚度玻璃组成的中空玻璃单元，其外片玻璃皆采用6mm厚玻璃，这样既使建筑的外观基本无色差，而内片根据风压的不同分别采用6mm和8mm厚玻璃片，又满足了结构要求。对不同厚度玻璃组成的中空玻璃单元也做了玻璃挠度的测试。

1.玻璃挠度的计算

采用加拿大玻璃应用规程中提供的大挠度计算公式，与使用刚性板挠度计算公式及有关挠度折减系数方法进行比较，并通过玻璃挠度的实际测试来验证计算结果，最终确定玻璃的选用。

（1）四边自由支撑矩形刚性板的挠度u1计算:

式中：u1——矩形刚性板的挠度

Φ2——矩形刚性板的最大挠度系数

q——垂直于玻璃面均布荷载

a——玻璃短边长度

D——矩形刚性板弯曲刚度

（2）玻璃大挠度计算公式

式中，u2——玻璃大挠度

t——玻璃厚度

x——构件抗力计算值

E——玻璃弹性模量

ro——永久荷载分项系数

r1——风荷载分项系数

r2——地震作用分项系数

2.计算和测试结果的分析

上述公式和有关修正系数，对玻璃的挠度进行了计算。为了保证工程的安全并验证上述大挠度计算的可靠性，按实际尺寸进行了玻璃挠度的测试，测试委托上海建筑幕墙检测中心进行，试样采用工程中实际使用的玻璃单元，分别取6mm+13mm （空气）+6mm、6mm （外）+11mm （空气）+8mm （内）和8mm+（外）+11mm （空气）+6mm（内）各两件进行挠度测试。为提高测试时，玻璃短边计算长度a=1418mm，长边计算长度b=2395mm，最大风压取 q=-5.0kPa，计算中 q从0.0kPa按每次以-0.5kpa递减计算，直到-5.0kPa，玻璃单元分别为6mm+13mm（空气）+6mm和6mm+11mm（空气）+8mm中空全钢化玻璃单元。对于6mm等厚中空玻璃单元，计算厚度取为6mm×1.2=7.2mm。对于不等厚度玻璃片组成的中空玻璃单元，计算厚度取为 （8mm+6mm）×0.5×1.2=8.4mm。

根据相关检测数据，进行如下分析比较认为：

（1）厚度不同 （6mm和8mm）的玻璃组成中空玻璃单元，其受载过程中，6mm厚玻璃无论置于内侧还是外侧，其挠度与8mm厚玻璃十分接近，相差在1%以下，测试仪表几乎不能测定其间差别。但实测中，6mm厚玻璃置于外侧时，中空玻璃单元的挠度则较小。据此，在该工程的玻璃选用中，中空玻璃单元室外一侧玻璃片全部采用6mm厚度，而室内一侧则根据风压的不同分别选用6mm和8mm厚度的玻璃。这样，既消除了建筑外立面采用不同厚度玻璃而带来的色差问题，同时又满足了结构要求。

（2）随着荷载的加大，刚性板挠度计算结果和实测结果产生越来越大的差异，当风压达到5Kpa时，两者差异达2～3倍。很显然，随着荷载的增加，支座对玻璃板产生了中面压力，玻璃板进入了大挠度变形状；此时，刚性板的挠度计算公式不再适用。根据JGJ102-2003玻璃幕墙工程技术规范的规定，作用在玻璃幕墙上的风荷载标准值最小应取1kPa，据此，不难验证在很多情况下，幕墙玻璃的挠度计算不能按照刚性板公式进行。

（3）玻璃大挠度弯曲时，其挠度曲线随着荷载的加大显示一定程度收敛的趋势，而不是无穷发散。玻璃板的支座可以视为胶块，胶块的应变产生中面拉力。因此，要能给出玻璃大挠度变形的精确解，对支座 （胶块）力学特性的深入研究是十分必要的。

（4）不等厚度玻璃片组成的中空玻璃单元，在计算中厚度取为内、外片的平均值，再乘以规范中的系数1.2，结果表明这样的取值有一定的合理性。同时在实测中发现，玻璃片挠度和其放置位置关系不大，内、外片玻璃的挠度基本保持一致，由此可见作为一个整体受力单元，中空玻璃的力学特性还需进一部研究，以更好地服务于幕墙实践。

（5）在设计中玻璃的选用还考虑了一定的安全余量。由于玻璃的力学特性存在较大的离散性，实测数据与计算结果远不能代表玻璃的一般性，显然，更多的实测数据是亟需的也是十分宝贵的。

工程实践证明幕墙的玻璃设计中，当风压和分格尺寸较大时采用大挠度计算公式较为合理。由于玻璃特性的离散性，为保证安全在具体的工程中如采用上述公式还需通过实测加以验证。

四、结束语

我国工程设计人员在长期的幕墙结构设计实践中，积累了大量有益的经验，并主要体现在设计规范、设计手册、标准图集等等。随着计算机技术和计算方法的发展，计算机及其结构计算程序在幕墙结构设计中得到大量地应用。为结构设计提供了快速、准确的设计计算工具。人的设计，就是概念设计。当然有很多幕墙结构设计存在诸多的缺陷，主要原因就是在总体方案和构造措施上未采用正确的构思，即未进行概念设计所致。人们在具体的空间结构体系整体研究上还有一定的局限性，在设计过程中采用了许多假定与简化。总之，结构概念设计必然会成为今后建筑幕墙结构设计的主流趋势，幕墙挠度计算也将在设计中愈加显现它的魅力，这就要求我们来共同学习结构概念设计，为建筑幕墙结构设计的发展作出新的更大的贡献。