论文部分内容阅读
【摘 要】 为了表现建筑的现代、通透和空间感的特点，空间结构技术以其独特的优点在异形建筑幕墙得到充分地应用，通过建立模型将轻钢结构与异形幕墙技术结合起来进行分析研究对建筑幕墙技术的发展有着重要的意义。
【关键词】 异形幕墙；设计要点；材料
前言：
随着建筑行业的发展和社会审美的变迁，越来越多的新建建筑采用各种标新立异的外观设计。幕墙由于其对优秀的抗变形性能和外观表现力，被广泛地应用在这些高端建筑物乃至地标级建筑物上。因此，异形幕墙越来越受得建筑行业的重视。笔者就多年来从事异形幕墙设计工作中遇到的经验做以总结。
1.异形幕墙的概念
由于幕墙主要由型材和板材决定其最终外观，而型材和板材通常都是平直材料，因此幕墙更容易制作成平直外观，或者折线形外观，许多建筑由于体量庞大，虽然外观呈曲面形状，但进行细部节点设计时，其大尺寸的半径完全可以用折线来近似表达，最终将曲线转化成折线。对于曲面半径较小，用折线近似的方法无法满足外观和使用要求的异形幕墙，我们可以将其分为三类，水平曲面幕墙，竖直曲面幕墙，双向曲面幕墙。由于幕墙多数以竖框为主要受力杆件，竖直曲面幕墙在受力分析和设计加工方面都较水平曲面幕墙更困难。双向曲面幕墙由于板材延展性和节点复杂度等因素，设计加工难度较前两者呈几何级数增加。
2.异形幕墙的结构设计原则
结构分析中荷载的传递：荷载的组合作用、异形幕墙的板块单元、边框（铝杆件）、轻钢结构、连接件（支座）、主体结构。本工程计算时对于简单的结构采用科学的结构力学与材料力学理论进行分析计算；对于复杂的空间结构，则对结构进行整体受力分析以减少材料用量达到经济性的原则。
作为维护结构，风荷载是主要作用，是设计应首先考虑的因素。该计算书在风荷载计算时，所计算的工程地面粗造度场地，基本风压按国家规范。风荷载体形系数、风压高度变化系数、阵风系数取值也按现行国家荷载规范要求，进行风荷载计算，并参照招标文件相关技术要求（风洞试验报告），取较大风荷载进行计算。在温度变化间接作用下，结构应采用可滑动设计，能满足规范的温度变化要求，而在结构上不产生应力作用。
异形幕墙结构固定于混凝土结构和主体钢结构上，有着大位移的可调能力。在风荷载、地震等作用下异形幕墙结构模型会呈现多杆元素耦合的力学响应，设计原则主要有以下几条：
2.1、抗风设计
抗风设计是幕墙工程中主要的结构设计原则。风荷载是垂直于幕墙上表面的一种直接作用，在设计时，要求在其结构生命周期中最大风荷载作用下，正常功能不受影响；在阵风袭击下不受损坏，避免安全事故。尤其对风敏感高层建筑和异形建筑，风洞实验是确定风荷载的主要方法。异形幕墙风荷载分析采用分区、归纳、总结的方法，准确计算不同幕墙结构体系、不同部位形体的风压值。
2.2、抗震设计
抗震设计中幕墙的平面变形值应按3倍的主体结构类型层间位移角的弹性限值进行设计，其指标值相当于“中震水准”时主体结构保持弹性的最大层间位移限值，相当于“大震水准”时结构的弹塑性位移值，从而异形幕墙的抗震构造满足“三水准”设防要求。第一水准，异形幕墙基本保持完好，不需修补或仅补耐候胶就继续使用；第二水准，异形幕墙只有小部分玻璃碎裂，经补片后可以使用；第三水准，幕墙虽有中等严重破坏，玻璃碎裂，但幕墙整体受力框架体系不瘫塌。本工程异形幕墙为“四肢伸展”的矮扁空间造型，水平抗震能力较好，竖向地震作用不能忽视，应考虑三个方向的抗震构造。
2.3、结构抗爆
结构抗爆重点是防止燃爆后建筑物主体和围护结构的连续倒塌。目前我国还没有玻璃幕墙抗爆方面的设计规范来指导设计，可以参照美国标准ASTMF2248-03和UFC4-010-01的标准10。夹层玻璃能形成良好的抗爆体系，可以防止玻璃飞溅和阻挡冲击波，同时保证异形幕墙支承体系不瘫塌。
异形幕墙应整体考虑施工和使用阶段的组合荷载作用效应，如恒荷载、活荷载、温度作用及偶然荷载等，输入到模型中，通过有限元整体分析最不利工况，选择最容易失效的杆件或受力节点进行完善设计，确保模型材料及节点满足强度、刚度及稳定性的要求，保证系统安全、经济。研究异形幕墙结构以设计原则作为指导，找到此类结构的共性规律，从整体模型抽取典型单元模型进行结构分析，综合考虑结构响应以及单元构造等因素。
3.异形幕墙材料的分析研究
异形建筑幕墙的结构生命周期指的是從设计初期到结构失效或被取代的全生命过程，包含着研发设计、生产加工、施工建造、维护清洁、维修改造等整个产品生态链。它的特点是较全面地分析结构的可靠性能，使得结构满足各个时间阶段的安全要求，它与惯用结构分析方法相比更加着重施工过程阶段的安全方案论证和老化过程阶段的耐久性研究。
3.1、聚脲防水材料
聚脲弹性体由氨基化合物和异氰酸酯化学反应而成，聚天冬氨酸脂聚脲是近年来在聚脲材料中的一种慢反应、新型脂肪族的高性能涂层材料。聚脲材料撕裂强度和拉伸强度高，断裂伸长率可达5倍，并且有着优良的防水和防腐性能。本工程采用聚脲材料是针对防水措施，目的是避免钢架及其连接节点在潮湿环境下的电化腐蚀，保证结构材料的耐久性。
聚脲的优点是耐磨、防水、防腐，它是由胺扩链剂、端氨基聚醚、半预聚体等高分子材料在工地喷涂后形成连续的防水膜。由于它可以较湿度的环境仍然可以施工，所以为工程来说提供了便利的条件。它具有流质及延展的特性，使得异形幕墙工程中的收口、漏洞、裂缝都能被密实地封堵，并在几秒内固化，所以聚脲材料也被称为液体防水卷材。
3.2、轻钢结构
在结构模型中，轻钢结构主要承担了幕墙的主要荷载，在大气、水、酸、碱、盐溶液或其他腐蚀性介质中，主受力杆件的截面及厚度会逐步减少，最终导致因钢材的有效截面不足于抵抗外部荷载的安全破坏问题，钢材通常用镀锌、镀铝锌、喷涂等表面处理方法来增加抗腐蚀能力。 钢杆件在长期的环境影响下产生疲劳破坏，经历了三个时段：产生裂纹、扩展裂纹和快速断裂后失效。当钢构件应力分布不均或内部晶粒结构不均匀时，容易产生应力集中，疲劳强度也就大幅降低。
3.3、铝型材及铝板
在结构模型中，铝合金有良好的抗腐蚀性能，工程中它是幕墙主要的密封结构和次受力杆件，但在部分构造中用了烧铝焊，由于操用设备不合适或或者操作未按规程，会造成部分焊接裂纹是结构破坏的隐患。选用铝合金焊接结构时，需要重点考虑焊缝处的强度和耐久性，T5和T6状态的6061和6063铝合金在焊接热影响区的强度值应按铝材强度值的50%折减。铝材表面处理在表面装饰中有质保期寿命的要求，主要是粉沫喷涂和氟碳喷涂两种，氟碳喷涂具有良好的耐老化性能，可用于沿海和恶劣的室外环境下，用粉沫喷涂通常用于室内型材部分。
3.4、玻璃
常温下玻璃有着良好的力学性能-高硬度、高弹性、高抗压性能，它与其他建筑材料相比有着特殊的表现：玻璃强度在它的应力许用最大值内，不能产生应力重新分布和屈服，如果强度超限则立即发生破裂。实际工程中异形幕墙同样在玻璃的清洁方面和玻璃“自爆”的维修方面耗费了大量的成本。由于异形玻璃的不规则容易产生装配误差，在大温差的作用下产生装配应力而“自爆”，而玻璃含有硫化镍的结石颗粒物质，体积极小无法观察到，它受到温度作用产生的膨胀若干倍后产生应力集中，它是幕墙玻璃自爆的根源。
玻璃应力应变图表显示，玻璃的变化呈线性，玻璃的理论断裂强度远大于实际强度，反应应力使玻璃保持原状，玻璃不易造成受循环荷载的动力疲劳破坏。在玻璃的结构生命周期中，引起玻璃破坏的因素大多是由于微小裂纹引起的，其中热应力是引起玻璃破碎是重要因素。首先是因为玻璃边缘入槽，玻璃槽边遮住太阳，使玻璃边缘温度远小于见光部位温度，玻璃边缘所受应力最大，容易成为破裂的起点；在生产、运输程中，玻璃边缘存在微小破损，这些破损极易受热应力影响而破坏。普遍认为玻璃具有良好的化学惰性，不易受腐蚀和时间的影响，经常腐蚀因素被忽视。但是腐蚀是一个缓慢或啮食的过程，在潮湿环境下，極其微量的玻璃会溶解。雨水中的氟化物及清洁剂中的氢氟酸，对玻璃的腐蚀较大，化学反应导致局部应力的变化，从而造成玻璃破坏；而在工程中施工工人在焊接时未设防护措施，焊接的火花金属温度高于玻璃的熔点，造成可视缺陷的同时永久留下棕色斑点，从而降低玻璃强度而破坏。
3.5、硅酮结构胶
硅酮结构胶的主要成分是高分子材料-羟基封端聚二甲基硅氧烷，分子结构以硅-氧化学键为主，有着良好的抗紫化线性能，是一种稳定的化学物质，按此组成成分可分为单组份和双组份两种。其中工程中双组份使用量较大，在使用前要用调胶机按照一定比例混合拌匀，并加入固化剂，基胶和羟基进行缩合反应，结合乙烯基的则进行加聚反应，通常固化时间较短。
4.结束语
异形幕墙目前在技术上仍有很大的研发空间，良品率、产能、成本等都有待改善，随着技术的发展，异形幕墙必然逐渐走向成熟，在未来的高端建筑中大放异彩。
参考文献：
[1]岳亮，张亚彬.浅谈异形幕墙的设计要点[J].科技创新与应用，2014，04：200.
[2]郭玮瑞.建筑幕墙设计要点探讨[J].技术与市场，2013，11：80-81.
[3]麦飞龙.异形建筑幕墙工程的分析模型与应用研究[D].上海交通大学，2013.
[4]黄涛.幕墙设计问题的研究[J].科技创新导报，2008，06：73.
【关键词】 异形幕墙；设计要点；材料
前言：
随着建筑行业的发展和社会审美的变迁，越来越多的新建建筑采用各种标新立异的外观设计。幕墙由于其对优秀的抗变形性能和外观表现力，被广泛地应用在这些高端建筑物乃至地标级建筑物上。因此，异形幕墙越来越受得建筑行业的重视。笔者就多年来从事异形幕墙设计工作中遇到的经验做以总结。
1.异形幕墙的概念
由于幕墙主要由型材和板材决定其最终外观，而型材和板材通常都是平直材料，因此幕墙更容易制作成平直外观，或者折线形外观，许多建筑由于体量庞大，虽然外观呈曲面形状，但进行细部节点设计时，其大尺寸的半径完全可以用折线来近似表达，最终将曲线转化成折线。对于曲面半径较小，用折线近似的方法无法满足外观和使用要求的异形幕墙，我们可以将其分为三类，水平曲面幕墙，竖直曲面幕墙，双向曲面幕墙。由于幕墙多数以竖框为主要受力杆件，竖直曲面幕墙在受力分析和设计加工方面都较水平曲面幕墙更困难。双向曲面幕墙由于板材延展性和节点复杂度等因素，设计加工难度较前两者呈几何级数增加。
2.异形幕墙的结构设计原则
结构分析中荷载的传递：荷载的组合作用、异形幕墙的板块单元、边框（铝杆件）、轻钢结构、连接件（支座）、主体结构。本工程计算时对于简单的结构采用科学的结构力学与材料力学理论进行分析计算；对于复杂的空间结构，则对结构进行整体受力分析以减少材料用量达到经济性的原则。
作为维护结构，风荷载是主要作用，是设计应首先考虑的因素。该计算书在风荷载计算时，所计算的工程地面粗造度场地，基本风压按国家规范。风荷载体形系数、风压高度变化系数、阵风系数取值也按现行国家荷载规范要求，进行风荷载计算，并参照招标文件相关技术要求（风洞试验报告），取较大风荷载进行计算。在温度变化间接作用下，结构应采用可滑动设计，能满足规范的温度变化要求，而在结构上不产生应力作用。
异形幕墙结构固定于混凝土结构和主体钢结构上，有着大位移的可调能力。在风荷载、地震等作用下异形幕墙结构模型会呈现多杆元素耦合的力学响应，设计原则主要有以下几条：
2.1、抗风设计
抗风设计是幕墙工程中主要的结构设计原则。风荷载是垂直于幕墙上表面的一种直接作用，在设计时，要求在其结构生命周期中最大风荷载作用下，正常功能不受影响；在阵风袭击下不受损坏，避免安全事故。尤其对风敏感高层建筑和异形建筑，风洞实验是确定风荷载的主要方法。异形幕墙风荷载分析采用分区、归纳、总结的方法，准确计算不同幕墙结构体系、不同部位形体的风压值。
2.2、抗震设计
抗震设计中幕墙的平面变形值应按3倍的主体结构类型层间位移角的弹性限值进行设计，其指标值相当于“中震水准”时主体结构保持弹性的最大层间位移限值，相当于“大震水准”时结构的弹塑性位移值，从而异形幕墙的抗震构造满足“三水准”设防要求。第一水准，异形幕墙基本保持完好，不需修补或仅补耐候胶就继续使用；第二水准，异形幕墙只有小部分玻璃碎裂，经补片后可以使用；第三水准，幕墙虽有中等严重破坏，玻璃碎裂，但幕墙整体受力框架体系不瘫塌。本工程异形幕墙为“四肢伸展”的矮扁空间造型，水平抗震能力较好，竖向地震作用不能忽视，应考虑三个方向的抗震构造。
2.3、结构抗爆
结构抗爆重点是防止燃爆后建筑物主体和围护结构的连续倒塌。目前我国还没有玻璃幕墙抗爆方面的设计规范来指导设计，可以参照美国标准ASTMF2248-03和UFC4-010-01的标准10。夹层玻璃能形成良好的抗爆体系，可以防止玻璃飞溅和阻挡冲击波，同时保证异形幕墙支承体系不瘫塌。
异形幕墙应整体考虑施工和使用阶段的组合荷载作用效应，如恒荷载、活荷载、温度作用及偶然荷载等，输入到模型中，通过有限元整体分析最不利工况，选择最容易失效的杆件或受力节点进行完善设计，确保模型材料及节点满足强度、刚度及稳定性的要求，保证系统安全、经济。研究异形幕墙结构以设计原则作为指导，找到此类结构的共性规律，从整体模型抽取典型单元模型进行结构分析，综合考虑结构响应以及单元构造等因素。
3.异形幕墙材料的分析研究
异形建筑幕墙的结构生命周期指的是從设计初期到结构失效或被取代的全生命过程，包含着研发设计、生产加工、施工建造、维护清洁、维修改造等整个产品生态链。它的特点是较全面地分析结构的可靠性能，使得结构满足各个时间阶段的安全要求，它与惯用结构分析方法相比更加着重施工过程阶段的安全方案论证和老化过程阶段的耐久性研究。
3.1、聚脲防水材料
聚脲弹性体由氨基化合物和异氰酸酯化学反应而成，聚天冬氨酸脂聚脲是近年来在聚脲材料中的一种慢反应、新型脂肪族的高性能涂层材料。聚脲材料撕裂强度和拉伸强度高，断裂伸长率可达5倍，并且有着优良的防水和防腐性能。本工程采用聚脲材料是针对防水措施，目的是避免钢架及其连接节点在潮湿环境下的电化腐蚀，保证结构材料的耐久性。
聚脲的优点是耐磨、防水、防腐，它是由胺扩链剂、端氨基聚醚、半预聚体等高分子材料在工地喷涂后形成连续的防水膜。由于它可以较湿度的环境仍然可以施工，所以为工程来说提供了便利的条件。它具有流质及延展的特性，使得异形幕墙工程中的收口、漏洞、裂缝都能被密实地封堵，并在几秒内固化，所以聚脲材料也被称为液体防水卷材。
3.2、轻钢结构
在结构模型中，轻钢结构主要承担了幕墙的主要荷载，在大气、水、酸、碱、盐溶液或其他腐蚀性介质中，主受力杆件的截面及厚度会逐步减少，最终导致因钢材的有效截面不足于抵抗外部荷载的安全破坏问题，钢材通常用镀锌、镀铝锌、喷涂等表面处理方法来增加抗腐蚀能力。 钢杆件在长期的环境影响下产生疲劳破坏，经历了三个时段：产生裂纹、扩展裂纹和快速断裂后失效。当钢构件应力分布不均或内部晶粒结构不均匀时，容易产生应力集中，疲劳强度也就大幅降低。
3.3、铝型材及铝板
在结构模型中，铝合金有良好的抗腐蚀性能，工程中它是幕墙主要的密封结构和次受力杆件，但在部分构造中用了烧铝焊，由于操用设备不合适或或者操作未按规程，会造成部分焊接裂纹是结构破坏的隐患。选用铝合金焊接结构时，需要重点考虑焊缝处的强度和耐久性，T5和T6状态的6061和6063铝合金在焊接热影响区的强度值应按铝材强度值的50%折减。铝材表面处理在表面装饰中有质保期寿命的要求，主要是粉沫喷涂和氟碳喷涂两种，氟碳喷涂具有良好的耐老化性能，可用于沿海和恶劣的室外环境下，用粉沫喷涂通常用于室内型材部分。
3.4、玻璃
常温下玻璃有着良好的力学性能-高硬度、高弹性、高抗压性能，它与其他建筑材料相比有着特殊的表现：玻璃强度在它的应力许用最大值内，不能产生应力重新分布和屈服，如果强度超限则立即发生破裂。实际工程中异形幕墙同样在玻璃的清洁方面和玻璃“自爆”的维修方面耗费了大量的成本。由于异形玻璃的不规则容易产生装配误差，在大温差的作用下产生装配应力而“自爆”，而玻璃含有硫化镍的结石颗粒物质，体积极小无法观察到，它受到温度作用产生的膨胀若干倍后产生应力集中，它是幕墙玻璃自爆的根源。
玻璃应力应变图表显示，玻璃的变化呈线性，玻璃的理论断裂强度远大于实际强度，反应应力使玻璃保持原状，玻璃不易造成受循环荷载的动力疲劳破坏。在玻璃的结构生命周期中，引起玻璃破坏的因素大多是由于微小裂纹引起的，其中热应力是引起玻璃破碎是重要因素。首先是因为玻璃边缘入槽，玻璃槽边遮住太阳，使玻璃边缘温度远小于见光部位温度，玻璃边缘所受应力最大，容易成为破裂的起点；在生产、运输程中，玻璃边缘存在微小破损，这些破损极易受热应力影响而破坏。普遍认为玻璃具有良好的化学惰性，不易受腐蚀和时间的影响，经常腐蚀因素被忽视。但是腐蚀是一个缓慢或啮食的过程，在潮湿环境下，極其微量的玻璃会溶解。雨水中的氟化物及清洁剂中的氢氟酸，对玻璃的腐蚀较大，化学反应导致局部应力的变化，从而造成玻璃破坏；而在工程中施工工人在焊接时未设防护措施，焊接的火花金属温度高于玻璃的熔点，造成可视缺陷的同时永久留下棕色斑点，从而降低玻璃强度而破坏。
3.5、硅酮结构胶
硅酮结构胶的主要成分是高分子材料-羟基封端聚二甲基硅氧烷，分子结构以硅-氧化学键为主，有着良好的抗紫化线性能，是一种稳定的化学物质，按此组成成分可分为单组份和双组份两种。其中工程中双组份使用量较大，在使用前要用调胶机按照一定比例混合拌匀，并加入固化剂，基胶和羟基进行缩合反应，结合乙烯基的则进行加聚反应，通常固化时间较短。
4.结束语
异形幕墙目前在技术上仍有很大的研发空间，良品率、产能、成本等都有待改善，随着技术的发展，异形幕墙必然逐渐走向成熟，在未来的高端建筑中大放异彩。
参考文献：
[1]岳亮，张亚彬.浅谈异形幕墙的设计要点[J].科技创新与应用，2014，04：200.
[2]郭玮瑞.建筑幕墙设计要点探讨[J].技术与市场，2013，11：80-81.
[3]麦飞龙.异形建筑幕墙工程的分析模型与应用研究[D].上海交通大学，2013.
[4]黄涛.幕墙设计问题的研究[J].科技创新导报，2008，06：73.