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【摘 要】建筑结构是建筑设计中的核心内容，也是建筑安全性和可靠性的重要保证。本文从幕墙技术在建筑中的应用开始论述，分析了幕墙结构设计的规范，深入讨论了幕墙在结构设计过程中的原则和方法，分析了幕墙的构造设计中经常出现的问题，对结构概念在幕墙设计中的应用进行了广泛的讨论。
【关键词】结构概念；幕墙；设计
Application analysis for structural concept of curtain wall design
Jin Jian-feng
(Zhejiang Zhongte Curtain Wall Engineering Co., Ltd Hangzhou Zhejiang 310000)
【Abstract】Architectural structure is the core of architectural design, building security and reliability is an important guarantee. This article from the wall in the beginning of construction paper, analysis of wall structure design specification, in-depth discussion of the wall structure of the design process in the principles and methods of structural design of the wall in the recurrent problem, the concept of structure curtain wall design was widely discussed.
【Key words】Structural concept;Curtain walls;Design
建筑是人类工作和生活的场所，在千百年的历史中建筑一直在建筑物理学和生活舒适度的框架下发展的。建筑外墙在中国也从红砖绿瓦、瓷砖外贴到现在的多种形式，随着科学技术的发展，幕墙成为建筑外墙装饰的主流应用。幕墙是与建筑结合为一体的外墙装饰构件，其结构设计在安全性等方面要求也很高。
1. 幕墙在建筑中的应用
随着科学技术的不断进步，外墙装饰材料和施工技术也正在突飞猛进的发展，不仅涌现出了外墙涂料和装饰饰面，而且产生了玻璃幕墙、石材幕墙和金属幕墙等一大批新型外墙装饰形式，并越来越向着环保、节能、智能化方向发展，使建筑结构显示出亮丽风景和现代化气息。幕墙工程按帷幕饰面材料不同，可分为玻璃幕墙、石材幕墙、金属幕墙、混凝土幕墙和组合幕墙等。其中玻璃幕墙按其结构形式及立面外观情况，可分为金属框架式玻璃幕墙、玻璃肋胶接式全玻璃幕墙、点式连接玻璃幕墙；又可细分为金属明框式玻璃幕墙、隐框式玻璃幕墙、半隐框式玻璃幕墙、后置式玻璃肋胶接全玻璃结构幕墙、骑缝式或平齐式玻璃肋胶接全玻璃结构幕墙、接驳式点连接全玻璃幕墙等。其中金属框架式玻璃幕墙工程按其构件加工和组装方式，又可分为元件式玻璃幕墙和单元式玻璃幕墙。幕墙技术的应用为建筑装饰提供了更多选择，它新颖耐久、美观时尚、装饰感强，与传统外装饰技术相比，具有施工速度快、工业化和装配化程度高、便于维修等特点，它是融建筑技术、建筑功能、建筑艺术、建筑结构为一体的建筑装饰构件。由于幕墙材料及技术要求高，相关构造具有特殊性，同时它又是建筑结构的一部分，所以工程造价要高于一般做法的外墙。幕墙的设计和施工除应遵循美学规律外，还应遵循建筑力学、物理学、光学、结构学等要求，做到安全、适用、经济、美观。
2. 幕墙设计的结构设计规范
建筑幕墙是建筑物的外围护构件，它要承受外界施加给它的各种作用。《建筑结构可靠度设计统一标准》(GB50068-2001)对结构上的作用给出的定义：“施加在结构上的集中或分布荷载，以及引起结构外加变形或约束变形的原因，均称为结构上的作用。”“引起结构外加变形或约束变形的原因系指地震、基础沉降、温度变化、焊接等作用。”这就是说，作用是指能使结构产生效应(内力、变形、应力、应变、裂缝等)的各种原因的总称，其中包括施加在结构上的集中力和分布力系，以及形成结构外加变形或约束变形的原因。前一种作用是力(包括集中力和分布力)在结构上的集结，就是通常说的荷载。后一种作用(如温度变化、材料的收缩与徐变、地基变形、地震等)不是以力的形式出现的，过去将施加在结构上的作用统称为荷载(国际上也有这个习惯)，但荷载这个术语对间接作用并不恰当，它混淆了两种不同的作用，而且容易发生误解，例如将地震作用当作是施加在结构上而与地基和结构本身无关的外力。《建筑结构可靠度设计统一标准》(GB50068-2001)将这两类作用分别称为直接作用和间接作用，而荷载仅等同于直接作用，《建筑结构荷载规范》(GB50009－2001，06年版)对直接作用作了规定。间接作用，除地震作用由《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)作了规定外，其余间接作用暂时还没有相应的规范。
《建筑结构可靠度设计统一标准》(GB50068-2001)还指出，结构上的作用可按随时间的变异和按随空间位置的变异分类。考虑作用在结构上随时间的变异性的持续性，作用可分成三个类别：
2.1 永久作用。在设计基准期内，其值不随时间变化，或其变化与平均值相比可以忽略不计者，如自重、土压力、预应力等。
2.2 可变作用。在设计基准期内，其值随时间变化，且其变化与平均值相比不可忽略者，如：风荷载、雪荷载、温度变化等。
2.3 偶然作用。在设计基准期内不一定出现，而一旦出现，其量值很大且持续时间较短，如：地震、龙卷风等。
按作用随空间位置的变异性可将作用分为固定作用和可动作用。固定作用在结构空间位置上具有固定的分布，如结构构件自重等。可动作用在结构空间位置上引起最不利效应的分布情况，在进行结构内力分析时应作出相应的计算。按作用对结构的反应可分为静态作用和动态作用。静态作用不使结构或结构构件产生加速度或加速度可以忽略不汁者，如自重、活荷载等；动态作用使结构或结构构件产生不可忽略的加速度，如地震、作用在高耸结构上的风荷载等。当作用在结构上引起不可忽略的加速度时，结构必须按结构动力学的方法进行分析。建筑结构设计时对不同荷载应采用不同的代表值。对永久荷载，应采用标准值作为代表值。对可变荷载应根据设计要求采用标准值、组合值、频遇值或准永久值作为代表值。对偶然荷载应根据试验资料，结合：工程经验确定其代表值。建筑结构设计时应采用标准值作为荷载的基本代表值。永久荷载标准值对结构自重应按结构构件的设计尺寸与材料单位体积的自重计算确定。对于某些自重变异较大的材料和构件，自重标准值应根据对结构的不利状态取上限值或下限值。可变荷载的标准值按以下各节的规定采用。
3. 建筑幕墙的构造设计的原则和方法
建筑幕墙结构设计的一般原则：
3.1 玻璃幕墙最外面是玻璃或部分金属板材构件，它支承在铝合金横梁上，横梁连接在立柱上，立柱悬挂在主体结构上。这些连接都允许一定的相对位移，以减少主体结构在水平力作用下位移对幕墙的影响。并允许幕墙各部分因温度变化而变形。此外，上下层立柱通过活动接头连接，可以相对移动，以适应温度变形和楼层的轴向压缩变形。按铝合金型材外露的情况，立柱和横梁组成的框架构件全部外露称为明框玻璃幕墙；仅横向或竖向构件外露(横框竖隐或竖框横隐)称为半隐框玻璃幕墙；框架构件全部不外露称为隐框玻璃幕墙。此外，由玻璃板和玻璃肋制作的幕墙称为全玻幕墙。
3.2 设计原则。
幕墙主要构件应悬挂在主体结构上，斜玻璃幕墙和玻璃屋顶可悬挂或支承在主体结构上。幕墙应按围护结构设计，不承受主体结构的荷载。幕墙及其连接件应有足够的承载力、刚度和相对于主体结构的位移能力，避免在荷载、风力、地震和温度作用下产生破坏和过大的变形而妨碍使用。幕墙构件应考虑在重力荷载、风荷载、地震作用、温度作用和主体结构位移影响下的安全性。
对于竖直幕墙，风荷载的作用可达2.0～5.0KN/m2，使玻璃产生很大的弯曲力。而幕墙自重较轻，即使按最大地震作用系数考虑也不过是0.1～0.3KN/m2，远小于风力，因此对幕墙构件本身而言，抗风压是主要的考虑因素。在风力作用下玻璃不破碎，且连接件应有足够的位移能力使幕墙不破损、不脱落。在常遇地震下玻璃不破损；在设防烈度地震下幕墙可修；在罕遇地震下幕墙骨架不脱落。
3.3 设计方法。
幕墙构件应采用弹性方法计算，荷载和作用产生的截面最大应力设计值α(N/mm2)不应超过材料强度设计值f(N/mm2)，即α≤f。
荷载和作用效应组合后的设计值
S=rGSG+ψwrwSw+ψErESE+ψTrTST
式中，SG重力荷载作为永久荷载产生的效应。Sw、SE、ST分别为风荷载、地震作用和温度作用为可变荷载和作用产生的效应。按不同的组合情况，三者可分别作为第一个、第二个和第三个可变荷载和作用产生的效应。rG、rw、rE、rT为各效应的分项系数，进行幕墙构件、连接件和预埋件承载力计算时，分项系数的数值：重力荷载rG按1.2采用，风荷载rw按1.4采用，地震作用rE按1.3采用，温度作用rT按1.2采用；进行位移和挠度计算时，各分项系数均按1.0采用。ψw、ψE、ψT分别为风荷载、地震作用和温度作用效应的组合系数。其数值当两个及两个以上的可变荷载或作用效应参加组合时：第一个可变荷载或作用效应的组合系数按1.0采用，第二个可变荷载或作用效应的组合系数按0.6采用，第三个可变荷载或作用效应的组合系数按0.2采用。
幕墙应按各效应组合中的最不利组合进行设计。
4. 幕墙构造设计中的常见问题
幕墙的构造设计，直接关系到幕墙的使用功能，设计时对以下问题应予以注意：幕墙构件的面板与边框所形成的空腔应采用等压设计，使空腔内气压与室外气压相同，防止室外气压将雨水压入腔内，以提高幕墙抗雨水渗透功能；可能产生渗水的部位应预留泄水通道，集水后由管道排出；可能产生冷凝水的部位，应留泄水孔道，集水后由管道排出；板材与边框连结处必须用硅酮密封胶进行覆盖密封，密封材料应能在长期压力下保持弹性；伸缩缝、温度缝、沉降缝处必须妥善处理，既能保持立面美观，又能满足缝两侧结构变形的要求；隐框玻璃幕墙构件之间的拼缝宽度不宜过大，过大影响美观；也不宜过小，过小则容易因温度变化而挤压玻璃；由于幕墙位移和温度变化，幕墙各部分会因摩擦产生噪音，影响建筑的使用质量，所以应在摩擦部位设置垫片，防止或减少摩擦噪音；各种五金件、连接件设计过程中，要防止不同金属相接触产生电化学腐蚀；建筑设计时必须考虑擦窗机的轨道布置、连接件布置和相应的荷载值，并及时向结构专家提出；幕墙墙面活动部分面积不宜大于墙面面积15％，宜采用上悬窗，开启角度不宜大于30°。开启后的宽度不宜大于300mm。此外，幕墙的设计应满足有关规范和标准规定的节能要求。
参考文献
［1］ 王周绮. 浅谈幕墙设计中的结构概念设计［J］. 四川建筑,2009,(6).
［2］ 孙晓东. 高层建筑组合幕墙的结构设计及施工工艺［J］ 经济技术协作信息,2009,(35)：137-137.
［3］ 陈志敏. 浅析建筑幕墙结构设计计算［J］. 山西建筑，2007,(25)：34-36.
［4］ 花定兴. 大型空间建筑幕墙结构概念设计及其关键［J］. 中国建筑装饰装修,2008,(1)：220-221.
［5］ 班广生. 建筑幕墙技术发展探讨［J］ 新型建筑材料, 2005,(03).
［文章编号］1006-7619（2011）03-01-138
【关键词】结构概念；幕墙；设计
Application analysis for structural concept of curtain wall design
Jin Jian-feng
(Zhejiang Zhongte Curtain Wall Engineering Co., Ltd Hangzhou Zhejiang 310000)
【Abstract】Architectural structure is the core of architectural design, building security and reliability is an important guarantee. This article from the wall in the beginning of construction paper, analysis of wall structure design specification, in-depth discussion of the wall structure of the design process in the principles and methods of structural design of the wall in the recurrent problem, the concept of structure curtain wall design was widely discussed.
【Key words】Structural concept;Curtain walls;Design
建筑是人类工作和生活的场所，在千百年的历史中建筑一直在建筑物理学和生活舒适度的框架下发展的。建筑外墙在中国也从红砖绿瓦、瓷砖外贴到现在的多种形式，随着科学技术的发展，幕墙成为建筑外墙装饰的主流应用。幕墙是与建筑结合为一体的外墙装饰构件，其结构设计在安全性等方面要求也很高。
1. 幕墙在建筑中的应用
随着科学技术的不断进步，外墙装饰材料和施工技术也正在突飞猛进的发展，不仅涌现出了外墙涂料和装饰饰面，而且产生了玻璃幕墙、石材幕墙和金属幕墙等一大批新型外墙装饰形式，并越来越向着环保、节能、智能化方向发展，使建筑结构显示出亮丽风景和现代化气息。幕墙工程按帷幕饰面材料不同，可分为玻璃幕墙、石材幕墙、金属幕墙、混凝土幕墙和组合幕墙等。其中玻璃幕墙按其结构形式及立面外观情况，可分为金属框架式玻璃幕墙、玻璃肋胶接式全玻璃幕墙、点式连接玻璃幕墙；又可细分为金属明框式玻璃幕墙、隐框式玻璃幕墙、半隐框式玻璃幕墙、后置式玻璃肋胶接全玻璃结构幕墙、骑缝式或平齐式玻璃肋胶接全玻璃结构幕墙、接驳式点连接全玻璃幕墙等。其中金属框架式玻璃幕墙工程按其构件加工和组装方式，又可分为元件式玻璃幕墙和单元式玻璃幕墙。幕墙技术的应用为建筑装饰提供了更多选择，它新颖耐久、美观时尚、装饰感强，与传统外装饰技术相比，具有施工速度快、工业化和装配化程度高、便于维修等特点，它是融建筑技术、建筑功能、建筑艺术、建筑结构为一体的建筑装饰构件。由于幕墙材料及技术要求高，相关构造具有特殊性，同时它又是建筑结构的一部分，所以工程造价要高于一般做法的外墙。幕墙的设计和施工除应遵循美学规律外，还应遵循建筑力学、物理学、光学、结构学等要求，做到安全、适用、经济、美观。
2. 幕墙设计的结构设计规范
建筑幕墙是建筑物的外围护构件，它要承受外界施加给它的各种作用。《建筑结构可靠度设计统一标准》(GB50068-2001)对结构上的作用给出的定义：“施加在结构上的集中或分布荷载，以及引起结构外加变形或约束变形的原因，均称为结构上的作用。”“引起结构外加变形或约束变形的原因系指地震、基础沉降、温度变化、焊接等作用。”这就是说，作用是指能使结构产生效应(内力、变形、应力、应变、裂缝等)的各种原因的总称，其中包括施加在结构上的集中力和分布力系，以及形成结构外加变形或约束变形的原因。前一种作用是力(包括集中力和分布力)在结构上的集结，就是通常说的荷载。后一种作用(如温度变化、材料的收缩与徐变、地基变形、地震等)不是以力的形式出现的，过去将施加在结构上的作用统称为荷载(国际上也有这个习惯)，但荷载这个术语对间接作用并不恰当，它混淆了两种不同的作用，而且容易发生误解，例如将地震作用当作是施加在结构上而与地基和结构本身无关的外力。《建筑结构可靠度设计统一标准》(GB50068-2001)将这两类作用分别称为直接作用和间接作用，而荷载仅等同于直接作用，《建筑结构荷载规范》(GB50009－2001，06年版)对直接作用作了规定。间接作用，除地震作用由《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)作了规定外，其余间接作用暂时还没有相应的规范。
《建筑结构可靠度设计统一标准》(GB50068-2001)还指出，结构上的作用可按随时间的变异和按随空间位置的变异分类。考虑作用在结构上随时间的变异性的持续性，作用可分成三个类别：
2.1 永久作用。在设计基准期内，其值不随时间变化，或其变化与平均值相比可以忽略不计者，如自重、土压力、预应力等。
2.2 可变作用。在设计基准期内，其值随时间变化，且其变化与平均值相比不可忽略者，如：风荷载、雪荷载、温度变化等。
2.3 偶然作用。在设计基准期内不一定出现，而一旦出现，其量值很大且持续时间较短，如：地震、龙卷风等。
按作用随空间位置的变异性可将作用分为固定作用和可动作用。固定作用在结构空间位置上具有固定的分布，如结构构件自重等。可动作用在结构空间位置上引起最不利效应的分布情况，在进行结构内力分析时应作出相应的计算。按作用对结构的反应可分为静态作用和动态作用。静态作用不使结构或结构构件产生加速度或加速度可以忽略不汁者，如自重、活荷载等；动态作用使结构或结构构件产生不可忽略的加速度，如地震、作用在高耸结构上的风荷载等。当作用在结构上引起不可忽略的加速度时，结构必须按结构动力学的方法进行分析。建筑结构设计时对不同荷载应采用不同的代表值。对永久荷载，应采用标准值作为代表值。对可变荷载应根据设计要求采用标准值、组合值、频遇值或准永久值作为代表值。对偶然荷载应根据试验资料，结合：工程经验确定其代表值。建筑结构设计时应采用标准值作为荷载的基本代表值。永久荷载标准值对结构自重应按结构构件的设计尺寸与材料单位体积的自重计算确定。对于某些自重变异较大的材料和构件，自重标准值应根据对结构的不利状态取上限值或下限值。可变荷载的标准值按以下各节的规定采用。
3. 建筑幕墙的构造设计的原则和方法
建筑幕墙结构设计的一般原则：
3.1 玻璃幕墙最外面是玻璃或部分金属板材构件，它支承在铝合金横梁上，横梁连接在立柱上，立柱悬挂在主体结构上。这些连接都允许一定的相对位移，以减少主体结构在水平力作用下位移对幕墙的影响。并允许幕墙各部分因温度变化而变形。此外，上下层立柱通过活动接头连接，可以相对移动，以适应温度变形和楼层的轴向压缩变形。按铝合金型材外露的情况，立柱和横梁组成的框架构件全部外露称为明框玻璃幕墙；仅横向或竖向构件外露(横框竖隐或竖框横隐)称为半隐框玻璃幕墙；框架构件全部不外露称为隐框玻璃幕墙。此外，由玻璃板和玻璃肋制作的幕墙称为全玻幕墙。
3.2 设计原则。
幕墙主要构件应悬挂在主体结构上，斜玻璃幕墙和玻璃屋顶可悬挂或支承在主体结构上。幕墙应按围护结构设计，不承受主体结构的荷载。幕墙及其连接件应有足够的承载力、刚度和相对于主体结构的位移能力，避免在荷载、风力、地震和温度作用下产生破坏和过大的变形而妨碍使用。幕墙构件应考虑在重力荷载、风荷载、地震作用、温度作用和主体结构位移影响下的安全性。
对于竖直幕墙，风荷载的作用可达2.0～5.0KN/m2，使玻璃产生很大的弯曲力。而幕墙自重较轻，即使按最大地震作用系数考虑也不过是0.1～0.3KN/m2，远小于风力，因此对幕墙构件本身而言，抗风压是主要的考虑因素。在风力作用下玻璃不破碎，且连接件应有足够的位移能力使幕墙不破损、不脱落。在常遇地震下玻璃不破损；在设防烈度地震下幕墙可修；在罕遇地震下幕墙骨架不脱落。
3.3 设计方法。
幕墙构件应采用弹性方法计算，荷载和作用产生的截面最大应力设计值α(N/mm2)不应超过材料强度设计值f(N/mm2)，即α≤f。
荷载和作用效应组合后的设计值
S=rGSG+ψwrwSw+ψErESE+ψTrTST
式中，SG重力荷载作为永久荷载产生的效应。Sw、SE、ST分别为风荷载、地震作用和温度作用为可变荷载和作用产生的效应。按不同的组合情况，三者可分别作为第一个、第二个和第三个可变荷载和作用产生的效应。rG、rw、rE、rT为各效应的分项系数，进行幕墙构件、连接件和预埋件承载力计算时，分项系数的数值：重力荷载rG按1.2采用，风荷载rw按1.4采用，地震作用rE按1.3采用，温度作用rT按1.2采用；进行位移和挠度计算时，各分项系数均按1.0采用。ψw、ψE、ψT分别为风荷载、地震作用和温度作用效应的组合系数。其数值当两个及两个以上的可变荷载或作用效应参加组合时：第一个可变荷载或作用效应的组合系数按1.0采用，第二个可变荷载或作用效应的组合系数按0.6采用，第三个可变荷载或作用效应的组合系数按0.2采用。
幕墙应按各效应组合中的最不利组合进行设计。
4. 幕墙构造设计中的常见问题
幕墙的构造设计，直接关系到幕墙的使用功能，设计时对以下问题应予以注意：幕墙构件的面板与边框所形成的空腔应采用等压设计，使空腔内气压与室外气压相同，防止室外气压将雨水压入腔内，以提高幕墙抗雨水渗透功能；可能产生渗水的部位应预留泄水通道，集水后由管道排出；可能产生冷凝水的部位，应留泄水孔道，集水后由管道排出；板材与边框连结处必须用硅酮密封胶进行覆盖密封，密封材料应能在长期压力下保持弹性；伸缩缝、温度缝、沉降缝处必须妥善处理，既能保持立面美观，又能满足缝两侧结构变形的要求；隐框玻璃幕墙构件之间的拼缝宽度不宜过大，过大影响美观；也不宜过小，过小则容易因温度变化而挤压玻璃；由于幕墙位移和温度变化，幕墙各部分会因摩擦产生噪音，影响建筑的使用质量，所以应在摩擦部位设置垫片，防止或减少摩擦噪音；各种五金件、连接件设计过程中，要防止不同金属相接触产生电化学腐蚀；建筑设计时必须考虑擦窗机的轨道布置、连接件布置和相应的荷载值，并及时向结构专家提出；幕墙墙面活动部分面积不宜大于墙面面积15％，宜采用上悬窗，开启角度不宜大于30°。开启后的宽度不宜大于300mm。此外，幕墙的设计应满足有关规范和标准规定的节能要求。
参考文献
［1］ 王周绮. 浅谈幕墙设计中的结构概念设计［J］. 四川建筑,2009,(6).
［2］ 孙晓东. 高层建筑组合幕墙的结构设计及施工工艺［J］ 经济技术协作信息,2009,(35)：137-137.
［3］ 陈志敏. 浅析建筑幕墙结构设计计算［J］. 山西建筑，2007,(25)：34-36.
［4］ 花定兴. 大型空间建筑幕墙结构概念设计及其关键［J］. 中国建筑装饰装修,2008,(1)：220-221.
［5］ 班广生. 建筑幕墙技术发展探讨［J］ 新型建筑材料, 2005,(03).
［文章编号］1006-7619（2011）03-01-138