浅谈玻璃幕墙的设计

惠耀武

摘要：本文客观的阐述了玻璃幕墙的发展历史，分析了玻璃幕墙的特点，从设计者角度出发，提出了在玻璃幕墙设计中应注意的诸多问题及解决方法。为实际的建筑设计提供了一定的借鉴和技术支持，以严谨的设计态度促进我国玻璃幕墙的健康可持续发展。

关键词 玻璃幕墙 非结构构件 建筑节能 主体结构 抗震设计

一， 前言：玻璃幕墙始于20世纪50年代，代表建筑有联合国大厦和纽约利华大厦。我国玻璃幕墙起步较晚，以1983年北京长城饭店和上海联谊大厦为标志开始，主要是构件式明框玻璃幕墙居多，由于无国家行业规范和标准，技术质量水平较低，多靠引进和模仿国外技术。1990～2000年，出现和发展了隐框幕墙、铝板及石材幕墙，开发了单元式幕墙，引进和创新了点支撑玻璃幕墙，同时国家颁布了相应的技术规范。2000年至今，双层幕墙、光电幕墙、智能幕墙、膜结构幕墙等等多元化幕墙的发展和应用，标志着玻璃幕墙成为现代建筑的显著特征。

二、玻璃幕墙的特性

玻璃幕墙是指由支承结构体系可相对主体结构有一定位移能力、不分担主体结构所受作用的建筑外围护结构或装饰结构，是一种美观新颖的建筑墙体装饰方法。它的材料构成是由金属构件和玻璃板材组成。它的施工方法分为现场组装和预制装配。

玻璃幕墙在建筑领域广泛应用，是因为它具有其他材料无法比拟的特点：它能将建筑艺术、建筑功能、建筑节能等因素有机地统一起来；选材简单，构件制作工厂化；安装方便，工期短；更换性、改造性强易维护；自重轻属于轻质幕墙，价格便宜等等。同时玻璃幕墙也存在着一些局限性，例如光污染、能耗较大等问题，但这些问题随着新材料、新技术的不断出现，正逐步纳入到建筑造型、建筑材料、建筑节能的综合研究体系中，作为一个整体的设计问题加以深入的探讨。

三、玻璃幕墙的建筑设计

首先是玻璃幕墙的选型问题，当今玻璃幕墙形式成多元化发展，种类繁多，建筑师应根据建筑物的艺术造型、建筑的使用功能、当地的地形和气候条件以及经济技术条件选用明框，隐框、半隐框或者是全玻璃幕墙等。其次型式确定后应提出幕墙性能等级要求，玻璃幕墙的性能主要有风压变形、空气渗透、雨水渗漏、保温隔热等，建筑师应根据建筑物所在地区、气候条件、建筑物高度和体型、建筑物功能和重要性等明确等级要求。最后就是玻璃幕墙的构造设计及安装工艺，这点对于玻璃幕墙的整体性和外观至关重要，同时也对幕墙的使用寿命、日常维护、工程造价具有决定性意义。各种类型玻璃幕墙的构造设计及安装各不相同，但都应处理好以下几个方面：1、伸缩缝、温度缝、沉降缝的处理，使其既美观又起到变形的要求；2、幕墙构件的面板和边框所形成的空腔应采用等压设计，防止室外空气压力将雨水压入腔内，以提高幕墙抗渗性；3、对于可能产生渗水的地方和容易结露的部位预留泄水孔道，集水后由管道排出；4、板材与边框连接处必须用硅酮密封胶进行处理，密封材料应能在长期压力下保持良好的弹性；5、由于幕墙位移和温度收缩，幕墙某些部位会发生摩擦，影响建筑物的使用，所以要考虑在该部位设置垫片来减少摩擦；6、各种五金件、连接件、设计要防止不同金属相互接触所产生的电化腐蚀；7、要考虑擦窗机的设置问题；8、降低能耗损失，满足节能要求应重视玻璃幕墙中玻璃的选择；9、玻璃幕墙还应注意防雷电措施。

对于很多建筑师来说，在设计中采用建筑幕墙，往往更加着重的是营造建筑立面，而对不同类型的建筑幕墙带来的不同的室内空间效果和建筑幕墙的技术手段缺乏深入的认识。往往是设计了一个新颖的立面，而把这个立面的技术细节留给幕墙厂家进行二次设计，厂家的幕墙设计在满足造价和立面后，要么满足不了设计的技术要求（如冷桥、隔热等问题，在工程验收时很难发现，而在使用过程中不断暴露）；要么忽略室内空间的效果（如竖向龙骨排布给空间带来凌乱的感觉），或者各种弊病并存。建筑师的幕墙设计不能简单的只从几个方面控制住幕墙厂家，就算完成任务，而应该和厂家的二次设计及施工人员密切合作共同完成，这也是建筑幕墙技术进一步发展的必然要求。二十一世纪建筑正日益追求绿色建筑，建筑师还应该重视新型幕墙设计的研究和应用。

四、玻璃幕墙的结构设计

玻璃幕墙作为建筑物的围护体系，属于非结构构件。主要承受自重、风荷载、地震作用以及温度效应，其支撑条件需有一定的变形能力以适应主体结构的变形位移。根据工程经验及震害分析，它的破坏形式有：第一、玻璃幕墙自身强度不足产生的破坏。对于竖向的玻璃幕墙，风荷载为主要作用，在风压较大的地区，玻璃将产生较大的弯曲变形；第二、玻璃幕墙与主体结构的连接破坏。地震作用对连接件影响很大，以至于玻璃幕墙发生脱落或倒塌；第三、主体结构的变形导致玻璃幕墙的破坏。主体结构在外力作用下产生位移，通过连接件使玻璃幕墙产生过大的应力。如何避免这些破坏，结构师应把握以下几个方面：1、玻璃幕墙设计时，应计算地震效应（包括自身重力效应和支座相对位移产生的效应）和其他荷载效应的组合，同时还应考虑地震效应与风荷载效应的组合，摩擦力不作为抵抗地震作用的抗力。2、玻璃幕墙在位移方向上的刚度应根据实际连接状态分别采用刚接、铰接、弹性连接或滑动连接等简化模型。3、支撑玻璃幕墙的结构构件，应将玻璃幕墙的地震作用效应作为附加作用对待，并满足连接件的锚固要求，且对连接部位采取加强措施。4、玻璃幕墙的主要构件应悬挂或支撑在主体结构上，按非结构构件设计，不承受主体结构的荷载及地震作用。5、玻璃幕墙及连接件应有足够的承载力、刚度和与主体结构相适应的变形能力。6、应预估玻璃幕墙设置位置对主体结构的不利影响，避免不合理设置而导致主体结构的破坏。

对于大多数结构师而言，玻璃幕墙与主体结构的设计是分开进行的，玻璃幕墙设计时，其与主体结构的连接点假定为支座；主体结构设计时，则将幕墙以荷载的形式作用于主体结构上；对于一般的工程结构而言，这样的假定和分析是合理的，但是如果幕墙结构的自身刚度加大且不能忽略时，就应对上述方法进行修正。最好的办法是将玻璃幕墙结构与主体结构结合在一起，整体来考虑结构的动力性能，并通过调整幕墙结构体系的相对约束度来改变整体结构的抗侧刚度以及总荷载作用在玻璃幕墙和主体结构之间的受力分配，从而得到一个最为安全、经济、合理的设计方案。

五、结语

为实现建筑幕墙的可持续发展，建筑设计领域和结构设计领域的技术理念要从传统的的高耗能型转向低碳、环保、生态的发展模式。技术理念不是某种固定的结论或方法，而是所蕴含的设计原则，即追求健康舒适以人为本的原则、因地制宜和安全可靠的原则。

参考文献

1.《玻璃幕墙工程技术规范》 JGJ102-2013

2.《玻璃幕墻工程质量检验标准》JGJ139/T-2001

3..《建筑抗震设计规范》 GB50011-2010

4.赵西安 /幕墙工程手册/ 中国建工出版社/2002

5.赵西安/对汶川地震中玻璃和玻璃幕墙抗震性能的初步分析/中华玻璃网/2008

6.张其林/玻璃幕墙结构/山东科技技术出版社/2006

7.曹辉/玻璃幕墙的光污染控制分析/建筑技术/2009

8.王俊/玻璃幕墙的设计研究/北京交通大学硕士论文/2008

9.田敬博/玻璃幕墙和填充墙对高层隔震钢框架结构的动力性能影响/中国地震工程力学研究所硕士论文/2014