康定之珠文化旅游产业园建筑幕墙设计浅析

摘    要：本文主要针对康定之珠文化旅游产业园幕墙设计进行介绍，并对该工程中的石材幕墙超限情况、超限设计方案及其在设计方面的措施做了介绍。

关键词：石材幕墙;设计计算;超限设计

1  工程概况

康定之珠文化旅游产业园位于甘孜州康定市榆林新区，距离康定市中心1.5km，距离甘孜藏族自治州政府4.3km。

其中计容建筑面积115264m2（其中地上99001m2，地下16263m2），不计容建筑面积54390m2。主要功能包括文化旅游步行街、文化主题酒店、文化创意孵化中心、干部楼、酒店式公寓、文化体验中心以及民俗文化展览馆。

饰墙石材幕墙面积约12200m2;其完成最大高度约16.3m。

本工程抗震设防烈度为9度。

根据JGJ 133—2001《金属与石材幕墙工程技术规范》中总则第1.0.2条规定，本规范适用于“建筑高度不大于100m、设防烈度不大于8 度的民用建筑石材幕墙工程”。

本工程的石材幕墙超过了规范规定的抗震设防烈度的限值，需进行超限的专项设计。

2  超限幕墙采用面材可行性分析

2.1  石材面材可行性分析

石材广泛地应用于幕墙领域，在外立面设计中，石材应用相当广泛;对于自石材幕墙有规可依以来，国内外有大量经典的成熟案例;相对于其他类型面材，具有以下特点。

（1）天然材质、光亮晶莹、坚硬、典雅;（2）干挂安全可靠度较高，不容易坠落;（3）经表面处理后，耐久性和耐腐蚀性更强;（4）石材在潮湿状态下，能抵抗冻融而不发生显著破坏，耐冻性好;（5）施工工艺成熟，安装施工快捷;（6）造型能力强，可适用于实现各类造型。

缺点：天然材料存在色差，属于不可再生资源。

3  幕墙设计方案

3.1  设计定案

（1）石材厚度按照JGJ 133—2001《金属与石材幕墙工程技术规范》要求的上限厚度取值 ，即采用30mm基板;背部粘贴玻璃纤维布，防破碎下坠，提高面材的安全性;（2）石材面板计算时的总安全系数K=3.5;在进行石材幕墙荷载计算时，考虑提高系数1.1;（3）石材龙骨之间连接采用螺栓连接，提高抗震性能;石材幕墙系统采用背栓构造，提高抗震性能;（4）结合建筑立面装饰风格的需要，采用小规格，小板块石材（单个板块最大分格不超过（600mm×565mm），减少单个板块的荷载作用;（5）石材横竖框、连接件与主龙骨采用弹性连接并预留不小于4mm的间隙;增大石材胶缝，由常规6mm～8mm调整为10mm。

3.2  设计构造做法

（1）本工程中石材幕墙位于整个建筑的外立面;石材幕墙位于整个建筑外立面，最不利位于标高16.3m处，石材板规格为600mm（宽）×515（高）;（2）石材幕墙的系统组成：面材采用30mm花岗岩石材，其弯曲强度不应小于8.0MP石材吸水率应小于0.8%。背衬玻纤网格布;立柱采用□150[×]75[×]5mmQ235B方钢管;横梁采用L63[×]5mmQ235B角钢;横竖框连接角码采用L50×5mmQ235B角钢;所有构件均热浸镀锌处理;横竖框间预留10mm间隙，连接方式采用：“螺栓+长条孔”方式连接;石材板块间预留10mm间隙，间隙采用石材专用耐候密封胶密封以满足极端工况下的位移需要;石材采用小单元背栓形式，并在板块一端加设必要的限位构件，以满足石材位移时同侧移动的需要。其典型节点如图1所示。

3.3  设计计算

为保证结构的可靠性，我们计算如下：

风荷载标准值 Wk据GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》：

Wk=W0×μs1×μz×βgz

式中：

W0——基本风压，康定市50年设计周期取为：0.35kN/m2;

μs1——局部风压体形系数，构件位于边角位置，取：-1.4;

Μz——风压高度系数，康定市B类地区19.800m标高，取为：1.227;

Βgz——阵风系数，康定市B类地区19.800m标高，取为：1.632。

3.3.1  石材面材设计计算

①模型说明。

②以幕墙板块为计算对象在建筑中所处的位置，我们选取最不利的面材进行计算。面材采用四点支撑的支撑形式。

面材最大分格尺寸为0.6m（长边Ba）×0.515（短边Bb）m。

因此其最大跨度为0.35（长跨La）×0.315 （短跨Lb）m。

面材采用30.0 mm花岗岩石材。该面材位于建筑物的边角区域。此处面材主要承受作用于面板上的重力荷载、风荷载和地震荷载。

①荷载工况组合。

②据JGJ 133—2001《金属与石材幕墙工程技术规范》

面板所受荷载为：

工况1：γ0×（1.2×重力荷载+1.4×风荷载+1.3×0.6×地震荷载）

工况2：γ0×（1.2×重力荷载+1.3×地震荷载+1.4×0.2×风荷载）

γ0——重要性系數，取1.1。

面材按照四点支撑（背栓结构），承受法向面荷载建立模型。采用ANSYS有限元软件，按照SHELL63单元进行计算。

③计算结论：工况 1为强度计算时最不利工况，在面材强度计算时，采用工况 1 中的面荷载加载到面材上进行计算，其应力云图如图2所示。

根据上述计算结果，面材的最大应力：

σ=0.423 N/mm2 [<]fg=3.2N/mm2

3.3.2  横梁设计计算

①模型说明：选取最不利位置石材幕墙的支持横梁作为计算对象。

根据幕墙分割为计算对象在建筑中所处的位置，我们选取了最不利的结构位置进行计算。此处横梁选用钢材，材质为Q235B。横梁通过托板和石材相连接，横梁承受连接石材传递的荷载，横梁的跨度为BL=1.200m，和石材分割等宽，石材分割为Ba×Bb=0.600×0.515m

②荷载工况组合：据JGJ 133—2001《金属与石材幕墙工程技术规范》。

工况1：γ0×（1.2×重力荷载+1.4×风荷载+1.3×0.6×水平地震荷载）

工况2：γ0×（1.0×重力荷载+1.0×风荷载+1.0×0.6×水平地震荷载）

工况3：γ0×（1.2×重力荷载+1.3×水平地震荷载+1.3×0.5×竖向地震荷载）

工况4：γ0×（1.0×重力荷载+1.0×水平地震荷载+1.0×0.5×竖向地震荷载）

工况5：γ0×（1.2×重力荷载+1.3×竖向地震荷载+1.3×0.5×水平地震荷载）

工况6：γ0×（1.0×重力荷载+1.0×竖向地震荷载+1.0×0.5×水平地震荷载）

γ0——结构重要性系数;在本工程中取1.1。

由上述工况组合的结果可知：

工况 1、3、5为强度计算时最不利工况，在立柱强度计算时，采用工况 1、3、5 进行计算。

工况 2、4、6为刚度计算时最不利工况，在立柱刚度计算时，采用工况 2 、4、6进行计算。

按最不利荷载组合：

橫梁的强度应力云图，如图3所示;刚度位移图，如图4所示。

③计算结论。横梁在水平和竖直方向荷载作用下产生的应力为：

σ=81.879N/mm2[<]fy×0.85=215.0×0.85=182.75N/mm2

横梁的刚度要求按照JGJ 102—2003《玻璃幕墙工程技术规范》：

Def1=B×（1/300）=1.200×103/300=4.0mm

参考上述所有的刚度要求，横梁的刚度限值为：

Dz=1.861[<]Def=4.0mm

竖向挠度按照GB/T 21086—2007《建筑幕墙》：

Dev1=B×（1/500）=1200.0/500=2.4mm

Dev2=3.0mm

Dev2=min（Dev1， Dev2）=2.4mm

参考上述所有的刚度要求，取最严格执行，因此横梁的刚度限值为：

Dv=1.555[<]Dev=2.4mm

3.3.3  立柱设计计算

①模型说明。根据幕墙分格及计算对象在建筑中所处的位置，我们选取了最不利层高（4.500m）立柱进行计算。此处立柱选用钢材，材质为Q235B。立柱承受左侧荷载分格宽度尺寸为Bl=1.200m;立柱承受右侧荷载分格宽度尺寸为Br=1.200m。根据剖面图立柱的计算跨度H=4.200m，采用单跨连接。竖向龙骨承受通过面材传递和产生的重力荷载、风荷载和地震荷载。

法向荷载作用于竖向龙骨上可简化为等效集中荷载;而由面材及其连接附件产生的竖向荷载可简化为等效均布荷载作用于竖向龙骨上。

②荷载工况组合。其工况组合与横梁一致，再此不现累述。按最不利荷载组合。

立柱的强度应力云图，如图5所示;刚度位移图，如图6所示。

③计算结论。立柱在水平和竖直方向荷载作用下产生的应力为：

σ=104.014 N/mm2[<]fy=215.0N/mm2

立柱的刚度要求按照JGJ 133—2001 《金属与石材幕墙工程技术规范》。

Def=min[15.0mm，H×（1/300）]=min[15.0mm，4.2×103/300]=14.0mm

参考上述所有的刚度要求，取最严格执行，因此立柱的刚度限值为：

ω=9.690[<]Def=14.0mm

设计结论：通过有效构造，提高必要的安全裕量，本工程的设计完全满足要求。

4  超限石材板幕墙在构造设计方面的其他加强措施

本工程中，最大石材板块并不位于最不利的位置，为提高工程安全性，将最大分格尺寸考虑为位于最不利的位置，并且保证材料应力与应变有较大的富余度。保证了结构的安全性;如最大板块位于首层区域内，石材幕墙完成标高位于16.3m处;而设计计算时将最大板块考虑为最高位置，计算高度取19.8m。

结构验算时，荷载考虑扩大1.1倍进行取值验算，且不对风荷载体形系数进行折减。

超限的石材面板计算时的总安全系数取：K=3.5

设计中明确要求，采用工厂定制槽口板，严禁现场开槽、开孔;基板进行六面防水处理，防止雨水渗透使面材承载力降低。

5  结论

幕墙设计的目的在于保证安全性的前提下，尽可能遵从原建筑方案，更好的体现建筑外立面效果，表达出建筑的设计理念。在本工程的设计过程中，我们主要从规范材料要求、提高计算参数和加强连接构造三方面着手，采取了相应的安全保障措施，并借助一些必要的计算软件进行精确分析。计算结果表明，对于超限部分的幕墙设计完全能满足安全性的要求。这次实践给我们带来许多宝贵的经验，为后续开展类似工作提供了必要的帮助。

参考文献：

[1] JGJ 133—2001.金属与石材幕墙工程技术规范[S].

[2] GB/T 21086—2007.建筑幕墙[S].

[3] GB 50009—2012.建筑结构荷载规范[S].

[4] 董彪.抗震设防烈度9度及以上地区的建筑幕墙设计[J].四川建筑，2017（2）.

[5] 王翠坤，肖从真，赵西安.幕墙抗震性能试验研究[A].第十七届全国高层建筑结构学术交流会论文集[C]，2002.

作者简介：

陈学鹏（1981—）性别：男，民族：汉族，职称：工程师 学历：大学本科，写作方向：建筑幕墙设计。