现代建筑幕墙结构设计与优化探析

赵晋 杨勇

【摘 要】随着我国建筑事业的快速发展，幕墙结构在现代建筑中的应用已经非常普遍，而且其功能的多样性也随着建筑功能的发展而变化。人们对建筑幕墙结构的优化设计加强了重视，本文结合笔者多年的工作经验，阐述了建筑幕墙的结构设计中的设计原则，并分析建筑幕墙的结构设计与其功能需求的优化思路，提出优化建筑幕墙结构的设计策略。

【关键词】建筑幕墙；结构设计；结构优化

1、前言

随着我国城镇化建设的快速发展，城市建筑在实用性、功能性和节能环保等方面的要求越来越突出，建筑幕墙的出现则正好满足了这些需求。建筑幕墙的形式与功能的多样性使得建筑具有了更好的实用性而且又不失外立面的美观性，因此，建筑幕墙在现代建筑中被越来越广泛的应用。建筑幕墙的结构设计对幕墙的实用性、功能性起到了决定性的作用，所以我们不断加强对幕墙结构设计的研究和结构设计优化的探索

2、建筑幕墙结构设计的一般原则

作为建筑的外装饰结构，它是建筑设计的风格和理念的重要体现，建筑幕墙设计的根本是服从于建筑设计， 其应遵循以下原则。

建筑幕墙作为建筑的外装饰结构悬挂在主体结构上，根据GB/T21086—2007，建筑幕墙应按照建筑外围护结构设计，不承受主体结构的荷载。也就是说，幕墙的受力只考虑风荷载的作用和建筑幕墙本身的自重。

建筑幕墙设计时，设计人员除考虑风荷载和自重外，还应考虑温度作用、主体结构的位移以及地震作用等对幕墙的影响。幕墙立柱及其连接件应有足够的刚度和强度以及相对于主体结构的位移能力。避免在荷载、温度、地震等作用下使幕墙结构件产生过大的变形或者破坏等。

非抗震设计的建筑幕墙，在风荷载作用下其面材不应破碎或者产生过大的变形，且建筑幕墙有足够的位移能力来保证其不脱落或者破坏；抗震设计的建筑幕墙应遵循我国抗震设计基本原则即：小震不坏，中震可修，大震不倒

总的来说，建筑幕墙的一般设计原则就是在证建筑幕墙安全、美观、功能、成本的前提下，设计出最为适合该建筑的幕墙结构。

2、建筑幕墙结构设计的内容

在建筑幕墙结构设计的一般原则基础上，综合的考虑建筑幕墙的设计需求，确定建筑幕墙结构设计的主要内容有以下几点

2.1、建筑幕墙结构设计方案初选

建筑幕墙结构设计方案初选需要根据外装饰效果要求来确定幕墙形式，如明框结构、隐框结构、半隐结构等；根据室内外视要求来确定幕墙的具体形式，常规上采用铝合金框架幕墙，而需要开阔的视野的则可以采用点支式幕墙、索结构、单杆结构、桁架结构等；根据其分格形式和面材来确定幕墙立柱形式，常规分格可以采用铝合金立柱，对于大跨度幕墙需要考虑钢立柱或者钢铝结合立柱；根据主体结构可连接支撑点情况确定立柱的受力模型，如单跨简支梁、双跨简支梁等；通过建筑幕墙結构设计方案初选确定出满足建筑结构安全可靠、功能完备、装饰效果美观的建筑幕墙结构

2.2、建筑幕墙材料的精选

确定初步设计方案后，要对幕墙的材料进行选择设计。材料选择的时候要充分考虑结构的受力要求、功能要求、加工要求以及施工要求。材料的性能对幕墙结构是否满足设计要求的决定因素。应根据材料的使用位置合理的选择材料，例如建筑幕墙与土建结构之间的转接件受力较大，如果选择和立柱相同的6063-T6铝型材需要加大截面的材料用量，而在此位置应用6061-T6铝型材则可以大大减少材料用量而6061-T6型材价格每公斤只比6063-T6型材高出不到人民币壹元。但是如果用量比较大的立柱也都选用6061-T6型材则会大大增大成本，同时对于加工工序较多的立柱来说也会增加加工难度。

2.3、建筑幕墙结构受力分析

一个成功的结构设计，其结构体系必须受力合理、传力简捷。合理的结构受力分析可以使得材料利用率最大化，降低幕墙的成本，减少不必要的浪费同时又可以使外观美观大方。合理的结构受力分析是建立在恰当的选择结构计算简图的基础上的。结构计算简图选择的不恰当是导致建筑幕墙结构安全事故的根本原因。由于实际建筑幕墙节点只能近似的看做是铰结点或者刚结点，所以结构受力分析时必须预留合理的余量将这部分误差吸收到。结构受力分析最后一个环节也是最关键的一个环节就是对计算结果的分析。现在建筑幕墙的外形花样百出，所以其受力也是极其复杂，我们常通过计算机技术对其进行受力分析，而又以Ansys 应用最广。结构工程师应该对计算机受力分析结果认真校核、仔细分析，对结果做出合理的正确的判断。

3、建筑幕墙结构优化的措施

建筑幕墙的结构设计往往涉及许多安全设计、力学计算、以及美学设计，其设计过程是非常繁琐的。在保证建筑幕墙安全、美观、功能、成本的前提下，对建筑幕墙的结构优化也是幕墙结构设计的重要内容之一。根据建筑外观和功能要求以及现场的施工条件可以进行如下优化措施

3.1、采用对比法选择最优结构

根据以往工程所应用的结构或其他成功案例，选取与目标设计建筑幕墙结构的相似结构进行功能性、安全性、经济性对比，选取最相似的结构对其进行相应优化和改造，使得功能达到设计要求，价格更加低廉，从而得到物美价廉的建筑幕墙。

3.2、采取校验法对幕墙结构计算优化

对幕墙结构计算的优化是建筑幕墙结构优化的一个重要措施。我们应对荷载和作用进行二次校验。对作用在建筑幕墙上的荷载（风荷载、自重荷载、雪荷载、温度作用、地震作用等）使结构产生的变形和内力更接近现行建筑幕墙规范或者招标技术要求对于幕墙构建变形和内力的较小值。这样使幕墙的材料最大限度的发挥作用，降低材料用量。同时对于雪荷载、温度作用、地震作用等进行合理的取值，如果取值过于保守则会使构件截面尺寸过大造成不必要的浪费；如果取值过于激进则会降低结构的安全性。

3.3、大胆采用“四新技术”

四新技术即新材料、新技术、新工艺、新设备，建筑幕墙结构优化是可以大胆的选用新材料、新技术、新工艺、新设备为我们的结构设计服务。当建筑幕墙结构优化遇到瓶颈时，我们不妨大胆的采用“四新技术”进行相应的尝试。以我司上海中心大厦工程的双曲面外幕墙设计优化，我们没有采用传统的设计技术，而是采用了建筑信息模型（BIM）技术，把大楼的整个外幕墙结构在计算机上“虚拟建造”，用可视的数字模型串联起项目设计、建造和运营全过程。通过BIM软件虚拟建造，该工程2万多块不同尺寸的玻璃幕墙安装时无一返工，11万吨钢结构拼装时浪费量不超过2吨，并且提前发现并解决的“碰撞点”超过10万个，按解决一个“碰撞点”平均花1000元左右计算，至少可为上海中心大厦工程节约费用超过1亿元。可见其应用新技术进行优化设计的经济效益、社会效益非同凡响。

结束语

总而言之，随着经济的不断发展，社会的不断进步以及建筑行业的技术水平越来越高，建筑幕墙业得到了极大发展，而建筑幕墙结构设计在功能、质量以及安全水准方面也是蒸蒸日上。与此同时，建筑幕墙新结构、新材料、新工艺也层出不穷，因此在以后的结构设计中，我们应根据实际工程情况合理的选择结构形式，保证建筑幕墙的结构设计满足建筑的功能和使用要求。采取合理的措施对建筑幕墙的结构进行优化设计，提供幕墙的功能性、安全性等性能同时最大限度的节约成本，提高企业竞争力。

参考文献：

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