建筑玻璃幕墙设计方法浅析

王建彪

摘要：当前，随着高层建筑数量的增多，玻璃幕墙的应用越来越广泛。本文介绍了玻璃幕墙结构设计需注意的一般问题，简要介绍玻璃幕墙结构的组成与类别，国内外玻璃幕墙设计方法的研究进展，并对今后研究工作提出若干建议。

关键词：玻璃幕墙；组成；分类；设计方法；

1.概述

建筑幕墙是建筑物不承重的外墙维护结构，除了具有建筑的基本使用功能（包括采光、承载、保温等）外，还具有丰富的艺术性（构造精巧、表现力强、品质纯净等），因此，建筑幕墙在我国的使用范围已经从商业扩展到民宅，幕墙使用的材料也越来越广泛。

然而，玻璃幕墙本身造价昂贵，且抗风，抗震性能较差；能耗较大，容易对周围环境形成光污染，相关设计规范仍不是十分成熟。目前我国玻璃幕墙的设计方法和设计经验有待于积累和提高。因此玻璃幕墙设计方法的分析研究具有重要的理论意义和现实意义。本文简要介绍建筑玻璃幕墙的组成分类，以及国内外的分析研究进展情况，介绍了工程实践中的几种实用设计方法，并提出值得研究的若干问题。

2.玻璃幕墙的组成与分类

2.1玻璃幕墙结构的组成

玻璃幕墙结构是由玻璃或铝、钢等金属材料组成，并经过加工、连接和安装组成，可承受风荷载、温度等可能作用，并满足各项预定功能要求的工程构筑物。玻璃幕墙结构通常可以分为玻璃面板、支承结构（含连接件）和基座（结构）三部分。

2.2玻璃幕墙建筑结构的类别

从不同的角度可以将玻璃幕墙结构进行不同的划分，主要有以下几种情况。

按玻璃幕墙形式，可分为：

1）明框玻璃幕墙：金属框架的构件显露于玻璃面板外表面的框支承玻璃幕墙。

2）隐框玻璃幕墙：金属框架的构件隐藏于面板内表面的框支承玻璃幕墙。

3）半隐框玻璃幕墙：介于前两者之间。

按幕墙安装方法，可分为：

1）构件式玻璃幕墙：立柱、横梁和玻璃面板均在现场进行安装。

2）单元式玻璃幕墙：将面板和金属框架（立柱、横梁）在工厂组装为幕墙单元，以单元形式在现场进行整体安装。

按幕墙面板的支承形式可分为：框支承玻璃幕墙、点支承幕墙以及全玻幕墙。

按玻璃面板是否作为该结构的主要受力部件分为：组合式结构，玻璃面板与其它板件共同组成统一的结构体系，并相互依存不可缺，否则结构失效。集合式结构：玻璃面板一般作为附属结构，支承结构（包括基座）作为基本结构，二者相对独立。

按支承结构刚度分为：刚性支承结构和柔性支承结构。前者组成结构的基本构件，均为刚性杆件，如梁、刚架、桁架、网架等；后者组成结构的相当多的基本构件是仅能承受拉力的柔性杆件，而不是刚性杆件，如张拉索杆结构等。

3.设计方法概述

3.1 玻璃幕墙主要设计内容

玻璃幕墙的刚度和承载力都较低，强风或地震作用容易引起破坏和脱落，因此必须进行风荷载、地震作用、温度应力作用下的设计计算和变形验收。其主要过程包括：

1）结构设计的一般原则和方法

玻璃幕墙属于建筑的围护结构，不承受主体结构的地震作用，但须保证幕墙及其连接件承载力足够，且刚度、相对主体结构的位移能力满足要求。作为非承重构件，幕墙结构设计标准是小震下保持弹性，故应采用弹性计算方法。

2）基本参数的选取

现行玻璃幕墙规范对幕墙结构的荷载与作用取值、材料的力学性能取值均有较为详细的规定，此处不予赘述。

3）玻璃应力计算

主要需计算玻璃在风荷载作用下的最大应力；在年温度变化作用下玻璃边缘与边框的挤压应力；玻璃中央与玻璃边缘的温差应力等。

4）横梁和立柱的计算

当矩形玻璃板材四周均有横梁/立柱支承时，荷载可按45度分角线划分传递到四周支承。横梁以立柱为支承，并可按简支计算。

5）结构胶计算

6）幕墻与主体结构的连接等

计算过程中荷载传递路径分析十分重要，而应力分析及变形验算也是重难点。

3.2国内外设计方法概述

对于玻璃幕墙结构中玻璃的设计，目前国内外有众多方法，下面介绍其中典型的四种方法。

图表设计法：根据风压、体型系数、风速以及玻璃面积直接由设计图表查出某一类玻璃厚度的设计方法即称为图表设计法。通常是根据实践经验和玻璃在按压作用下的破坏实验综合制定出这些图表的。美国和英国几家著名的玻璃公司，如LOF公司和PUkington公司等都各自提出了玻璃设计图表。美国、澳太利亚和加拿大的玻璃幕墙规范也都采用了简单方便的图表作为设计方法。

最大应力理论设计法：最大应力理论法以薄板的大变形理论应力分析（在均布的，静压力作用下）为依据，假定玻璃表面任何一处达到极限拉应力时即达破坏，进行有限元分析。PPG公司进行了大量有限元计算，应用其分析结果，于1979年推出了以最大应力理论为基础的玻璃设计图表。此后，沃布兰及其合作者，利用有限差分法对大变形薄板玻璃在均布侧向静压力作用下的应力进行了分析，取得了较大的进展，能利用电算快速运算并经实验论证，可适用于各种类型玻璃。

断裂理论设计法：1972年，布朗根据静态疲劳和断裂力学理论，给出了著名的布朗积分公式——玻璃累积损伤破坏的计算公式。该理论认为只要强度累积损伤量值达到与加载方式无关的临界值时，玻璃就破坏。依据该理论的设计方法称为断裂理论设计法。然而，由于断裂理论设计法过于复杂，难于在实际工程实践中进行应用。

实用公式设计法：由于矩形薄板玻璃在风压作用下的应力状态计算十分复杂，理论结果与实验情况也有出入，且目前尚无成熟的计算方法，因此，日本舍弃建立玻璃容许应力与风压之间的关系式的方法而采用风压与玻璃安全厚度之间的实用关系式。

4.研究中的问题

4.1设计管理问题

在目前的工程实践中，建筑幕墙工程一般都是由业主直接承包的，但是业主在招标的过程中往往因为时间紧迫等原因，投标单位没有足够的时间去熟悉图纸，还有很多设计图纸缺乏节点细部的详图及做法，过于粗糙，导致中标单位在后期施工过程中没有足够的依据指导施工，影响工程整体的质量。因此，我们要加强对于设计阶段的重视程度，避免设计图纸与施工现场的冲突。在设计阶段要保证图纸设计的深度与科学性，提供节点细部的详图以及具体做法，设计中要有防雨水渗漏性能的措施等，能够有力地指导现场施工，并且在后续的施工过程中要有专门的设计师在现场指导施工，解决施工过程中的技术问题。

4.2设计风荷载取值问题

高层、超高层玻璃幕墙上设计风荷载的取值是非常重要的，它关系到幕墙的安全与经济问题，在我国荷载规范中，以3O年一遇的1O分钟平均风速压力作为风荷载的基本风压的，这对主体结构是适用的。然而，幕墙在瞬时风作用下容易损伤破坏，国外一般将3秒平均风速压力作为瞬时风压，而在同一地点的10分钟平均风压与3秒钟风压相差巨大，后者将近前者的两倍，因此按1O分钟风压为基本风压的风荷载进行设计是非常不安全的。同时在美日等国都做过大量的幕墙风洞试验，并配合理论分析，以求得较严密的风压设计值供设计使用。因此，对于设计风荷载取值的问题，我国还需做大量实验，并进行理论分析，以期达到安全可靠的设计。

4.3可靠性分析问题

基于可靠度理论的设计方法是先进的设计方法.在玻璃幕墙设计方法上引入可靠性理论，无疑具有重要的理论意义和实际意义.因此有必要加大对玻璃幕墙的静力、动力、时变可靠度研究和分析，这必将大大推动玻璃幕墙设计方法发展.

参考文献：

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