建筑幕墙结构设计与优化探究

王俊彪 旭辉集团股份有限公司

1 前言

为了增强城市的美感，确保建筑的不同特点，幕墙的应用和发展起着重要的作用。根据建筑幕墙在结构、材料、受力等方面，展开相应的设计方法。建筑幕墙作为一个完整的结构体系，其主体具有一定的独立性，不承担相应的荷载，它由面板和支承结构组成，具有一定的抗震、隔热和气密性，为了延长其使用寿命，保证使用的稳定性，本文围绕幕墙结构设计展开分析研究。

2 建筑幕墙结构设计的要点

2.1 构件式幕墙的结构设计

结构幕墙是一种新型的结构形式，有隐框、半隐框、明框等多种形式。需在工厂开展设计和制造，并将其运送到工地进行装配。在构件型幕墙的设计中应充分重视整体，使其与主体建筑有机地融合，并注重各个工艺环节的高效衔接，从而确保在使用过程中构件的稳定。

首先，设计师要开展幕墙结构的设计，获得有关技术指标和数据，并详细说明工程项目的高度、龙骨截面积等，选取明框式、半隐式等建筑结构，以决定构件数量、规格等。

在开展结构的设计过程中，还要注意安装与维修，确保按实际工程的要求予以合理的安装。分析建筑物的杆件和预制件的布置条件，在预埋件的设计中，应确保锚筋、螺纹钢等部件均符合相关规范要求，并按工程要求进行。

2.2 单元式幕墙的结构设计

在单元式幕墙中，它的作用是将外墙的面材、构件支承体系和金属装饰线作为一个整体，并结合挂件位置、玻璃、金属分格等各方面因素，决定了柱子和孔的位置，并采用工艺和焊接的方式，构成了一体化龙骨体系。在完成接头处理和接收工作后，要将接头和柱子之间的连接用不锈钢螺栓固定，然后再通过移动吊车和电吊车实现整个吊装；安装完毕后，幕墙接头应该用螺钉固定。

在安装时，本体预制和接头必须采用焊接或螺丝固定，以实现构件的连接。二楼的上部和下部采用公、母相结合作为主体，在各单元的装配和检验通过后，即可实施整体装配，从而实现整体式玻璃幕墙的施工。在施工项目中，板块调节是单体幕墙施工的关键环节，它在单体幕墙的施工中占有举足轻重的地位。在调整单元板底不贯通的横向构件（见图1）时，施工人员应理解并把握板块的基本原理，板块的整理工作应该遵循“横平竖直”的调整原则。

图1 单元板块底部非通长横梁示意图

单元式幕墙具有其独特的特点，具体包括以下几点。

（1）节约能源和环境保护。采用单元式幕墙具有节约能源、环境友好等优点，可降低现场施工噪声，实现防雨水渗漏，并具有防风等作用。

（2）使用方便。不管是装配还是安装，都很简单，可以在大楼里完成，降低了起重机和大型脚手架的使用率。

（3）具有很高的工业水平。无论是单体幕墙的设计与制造，还是选用材质与构造，抑或是经营及维修单位，都需要在厂房内完成；而且，这些厂房都是专业化的，可以保证每一个生产过程的品质，同时也可以对其严格管理，如此，玻璃幕墙在工程上达到很高的工业水平。

2.3 全玻璃幕墙的结构设计

玻璃幕墙是一种以玻璃加强筋与玻璃片构成的建筑系统。在实际工程中，能够确保玻璃幕墙的整体和透气性，在一些办公楼、商业橱窗中都被大量使用。通过将其分割为几个部分，使其达到充分的透光度，同时减小了墙体的竖向和横向间距，从而增强了景观的观感。

首先，在玻璃结构的结构设计中，幕墙设计师必须对玻璃面板展开结构设计，明确玻璃的类型、受力体系，从抗震级别和周围的环境条件出发，对玻璃的表面结构、强度和防污性进行研究。按照不同的特性，合理使用玻璃板材，并从其力学性能、密封性能和材料性能等方面加以分析，并开展工艺设计。

另外，在整体玻璃幕墙的设计中，还必须考虑到其材料、工作原理、密封条件等方面问题，如采用钢、铝合金等材料，可以增加其承载力，并将其运用于工程实践中，确保整个幕墙的安全性和稳定性。

3 建筑幕墙结构设计优化的具体措施

为进一步优化建筑幕墙结构设计效果，不断优化设计质量，针对建筑幕墙结构设计特点，分别从结构材料、结构计算方法、结构设计方法和设计人员等角度探讨优化思路。

3.1 结构材料的优化

首先，支撑体系以钢材为主。在开展结构设计时，要明确其主要的物理特性，确定其密度、膨胀系数等技术指标的变动幅度，以保证其强度设计、标准值和限制值，并对钢的焊接工艺也进行了最优设计，规范其厚度、焊条类型等。抗剪强度、抗拉强度等指标均满足设计规范的要求。

另外玻璃是幕墙中最常用的一种材料。员工必须具备钢化玻璃、镀膜玻璃和胶质玻璃的综合知识，并能根据其重量、应力和性能作出合理的选用。通过专家厘清其强度的界限，以确保其在幕墙结构中的合理使用。

3.2 结构计算设计的优化

首先，在对建筑物面板进行分析时，针对不同的结构形式和面板分析板受载荷时的受力情况，从线性和非线性等不同的方面加以分析，以确保结构的均衡，进而求出板的应力等，并进行相关的计算。另外，还要开展幕墙的支承系统的设计。结合施工现场，分别展开横向和纵向载荷的分析，并采用影响效果因子进行计算。在此基础上，建立相关的数学建模，以确保计算中的逻辑联系。

3.3 结构设计方法的优化

首先，有必要对BIM技术开展工程设计。BIM技术是一种三维可视性技术，它可以与各种计算机软件的功能相融合，为工程的开发工作搭建一个合适的平台，从而达到信息交换和分享的目的。结合工程场地条件，对其进行优化。此外，利用机器学习、神经网络等智能技术对数据进行有效的处理，实现对各种数据的快速运算，以确保精度。

3.4 设计人员的优化

在进行幕墙结构的优化时，应强化工程设计者的整体素质和能力，使其具备一定的技术与实际工作经历，同时，在工程施工之前，必须开展系统性训练，以加强设计师的完整性。只有经过相应的考核，方可进行施工幕墙的施工，确保施工工作的有条不紊，并能对施工中的问题及时加以解决。

4 实例分析

4.1 工程概况

某建筑幕墙工程项目，幕墙系统有以下几种：100系统单元式玻璃幕墙、200系统框架式玻璃幕墙系统、300系统竖明横隐框架式幕墙系统、800系统金属网吊顶系统。

4.2 整体设计理念

整体结构庞大，内部结构错综复杂。从设计到施工，再到完工和使用，环环相扣。因此，在这种情况下，必须建立起一套方法合理、系统完备、组织高效的结构系统，并在各个环节之间进行高效的协同与协作。

从设计之初，设计师就系统地整理了所需设计问题，采用创新的设计思想，将设计目标、技术标准、技术难点等问题整合到整体技术架构中，以BIM技术为基础的数字管理和控制体系，形成整体的系统化、一体化的设计思路。从工程的整体规划到建设，保证工程的品质和工期。

4.3 建筑表皮设计技术

该建筑外墙是一套综合了主动与无源技术的智能化幕墙体系。写字楼室外使用了两种通风复合遮阳幕，集围护、观景、遮阳于一体，节能智能集成肌肤体系。单片幕墙是一种将幕墙结构、遮阳系统和通风系统整合为一个工厂型的结构体系，并在现场进行装配。100系统的外墙采用了内、外两种玻璃结构的内通风型双层幕墙。在此过程中，还设有感知光、热、照度等外界环境。能够根据外界环境的不同，自主地打开或关掉智能的遮光装置，调整办公环境中的光、热环境，营造出舒适的办公环境。

4.4 外幕墙设计体系

中庭空间的外侧幕墙是由大型吊顶与支承组合而成，最大限度地分割出最大面积的玻璃窗和最大的透明幕墙，确保了整个幕墙的透明，与室内的空间模数和室外的大面积的都市空间形成一致。300号幕墙系统窗户的玻璃板为双层空心特级钢结构，该系统主受力龙骨采用350mm×80mm×12mm镀锌钢立柱，深暖灰色（Q235B，氟碳喷涂），横向设有不锈钢钢索（高钒索Φ12mm），钢索与钢立柱之间通过定制锁具（V形钢索夹扣和索夹扣套筒）固定，钢索张拉完成后拧紧锁具不锈钢螺钉，以保证幕墙结构体系侧向稳定性。

在垂直钢龙骨架的前部，安装了10mm厚度的碳纤维板，用于承受垂直地震时的重力，以及在垂直方向受力的情况下，玻璃与玻璃板之间的连接部，使用了耐候胶，确保其密封性。

4.5 吊顶设计体系

创新的室内和室外天花板使用了干式金属张力网片。张力网上的花纹方向各不相同，一边是鳞片，一边是平整的，从四面八方都能看到不同的画面。

4.6 玻璃幕墙设计的主要技术措施

由于该工程中的幕墙体系占据了工程的绝大部分，因此为了进一步提升设计的有效性，打造精细化的管理方案，本项目采用BIM技术，将BIM技术应用到项目中，以提高其施工效率和项目的质量。BIM技术最大的优点就是可进行3D可视化转换，能够检测出施工期间有无撞击现象，进而对项目展开更好的规划，降低在施工中出现的差错和返工的概率，并显著降低施工过程中的风险。

4.6.1 落实设计思路的优化

一般来说，在施工中，玻璃幕墙的制作周期较长，在最初的设计阶段，要经过多次的修改和调整，方能达到后期的使用要求。但使用传统的手工修正和调节方法，不仅效果不佳，而且还很难控制细节。基于建筑设计的高效性，运用BIM技术建立可视化的系统，使设计者可更好地展示出具体的建筑材料选择、分析相关节点、确认螺栓型号等，使原本的设计方案更为精确，从而为后续的幕墙工程建设打下坚实的理论依据。

4.6.2 实现设计方案的优化

在以往的建筑系统中，工程的计划和修改必须与建筑设计部门共同努力，并根据工程的具体施工条件，对工程的各种细节加以论证，并综合考虑其功能、投资价值和外观美感。通过BIM技术进行立体建模，使设计者和施工人员能更好地理解目前存在的问题和解决问题的状况；同时展开相应的改进，既方便了招标文件的编制，又为幕墙工程的后续安装提供了高效的保证。

4.6.3 优化幕墙设计工作，提升综合性能

BIM技术在幕墙设计中的运用，既可优化工程前期和后期的各方面，又可以利用6D建模评价整体的性能，从而提高整体的设计效果。BIM模型不仅能显示出单位幕墙部分的具体情况，还能进行撞击探测，并依据设计结果做出相应的修改，大大降低了以后工程建设中出现的问题；减少了不必要的调试和施工。

在这一基础上，运用6D建模方法，分析了幕墙工程的整体表现，具体包括：分析、探究幕墙的抗风性；仿真测试幕墙的地震性能；仿真幕墙施工后室内的通风状况；检查幕墙工程的设计结果是否符合有关标准；实施多种性能检测，确保幕墙的整体经济效益最优。

5 结束语

综上所述，随着我国经济的高效发展，为了进一步推动城市化的发展，建设一个高质量的建筑业管理体系和设计体系已成为关注的焦点。在建筑幕墙的结构设计中，对于单元幕墙、构件幕墙和全玻璃幕墙等不同的结构体系，相关人员需具体研究幕墙的设计要点，了解设计中存在的问题，包括计算等，以便找到结构设计优化的主要思路。其中，BIM技术能有效提高建筑玻璃幕墙施工的科学性和合理性，三维模型和6D模型可准确检测建筑幕墙本身的功能和细节，同时提高其综合效益，延长幕墙的使用寿命。