建筑设计中 幕墙系统的估算 及构造分析

　　根据规定，考虑幕墙为重要的持久性非结构构件，因此幕墙的设计使用年限应为25a，同时考虑幕墙是轻质､薄壁的建筑外围护结构与构件，易受瞬间风的破坏，为确保其安全使用，均应按设计基准期为50a确定，即能承受50a重现期可变荷载及作用的最大值，亦即能承受50年一遇的最大风荷载作用｡

　　幕墙传递自重及外部荷载作用的路径基本是：面板-连接系统（横梁､结构胶､连接件等）-支撑结构系统（立柱､拉索､构架等）-主体结构（梁､楼板等）｡因此，构件的抗力或承载力由低到高的顺序应是：面材（尤其是玻璃等脆性材料）-面材与支撑系统的连接-支撑系统-支撑系统连接件-支撑系统与主体结构的锚固连接-支承幕墙的结构构件｡

　　作为工程师和建筑师必须注意的是支承幕墙的结构构件是整个系统中可靠度最高的部件，所以必须在方案及结构设计中充分考虑｡结构工程师应当根据幕墙承包商的计算书及节点反力复核相关结构构件的强度并考虑到幕墙结构易受瞬间荷载的特点，对于大型幕墙的结构构件的剩余强度需进行估算或复核｡而建筑师在方案设计则应同工程师进行协调，合理的安放布置结构构件的位置与尺寸｡

　　1.3 幕墙荷载与作用效应的组合

　　在设计中起控制作用的荷载组合为：

        

　　需要注意的是在计算地震标准值时，对不同幕墙形式所取的动力放大系数βE应当有所不同，玻璃幕墙为3.0，石材幕墙为5.0，而其余幕墙形式则应根据其具体装饰主材及结构形式选取｡

　　2. 幕墙系统各构件力学分析

　　2.1 面板

　　面板为幕墙系统中自重及风荷载第一传递部位，通常面板为矩形，对于异形及空间弯曲板材建议进行有限元分析以确定最大主应力，本文主要讨论对于可进行平面简化的幕墙板材的力学分析，其基本计算条件如下：支撑条件：四边简支或对边简支；荷载效应：水平荷载（风荷载､地震荷载）｡

　　对于面板具体分析时采用何种计算模型，对于大多数面板基本模型为两种简支梁模型（单向板）和双向板｡根据不同板材常用尺寸､受力及构造特点，对于玻璃等脆性材料使用双向板模型较为合适；而对于石材及金属等材料在尺寸符合单向板假定的情况下，尤其在方案或扩初阶段进行估算时可使用简支梁简化模型分析较为简便｡

　　2.1.1 强度分析

　　单向板和双向板，分别按（2）､（3）式计算：

　　2.1.2 刚度分析

　　对于幕墙系统其刚度也是必须考虑的一大重要因素，因为系统的刚度直接影响了幕墙系统平整性及气密性，对于玻璃等脆性材料更是直接影响其强度的发挥｡对于面材来说，其刚度在一定程度上决定了其表面的平整性的保持，故必须对其进行验算，控制其相对变形及绝对变形｡对于普通单向幕墙面材，可按小挠度薄板变形分析，即：

　　使用单位板换算可得：

　　值得注意的是一般当幕墙板B/L≥2时为条形板，此时由于一般幕墙板材，尤其是金属类板材的厚度t较小，出现超限可能性很大，此时已经不满足小挠度薄板的要求，需重新按照迭代法求解｡

　　双向板的挠度计算比较复杂，应当根据边界条件进行迭代法求解或查玻璃变形系数求得最大变形｡

　　2.1.3 需要注意的问题

　　（1）板材使用加强筋后基本可按单向板分析，进行强度计算时需按照刚度进行分配弯矩，即：

　　进行刚度计算时，应对加强筋和板材分别使用（4）､（5）式进行挠度计算，对结果按照串联刚体进行叠加，即：

　　（2）夹芯板材截面特性的计算｡对于如铝塑板､夹芯板此类板材进行强度计算时，需要计算其截面特性参数，即：

　　（3）玻璃温度应力的计算｡由于玻璃的边缘强度比其大面强度要低且室内外温差较大，应当验算其温度应力作用下的内力｡而其温度应力主要由全年温差引起的内部挤压应力和室内外平均温差引起的主要分布于其边缘的应力｡

　　2.2 横梁

　　横梁的受力根据不同的幕墙形式及构件布置可能会出现多种受力情况，且其所受荷载的分布也会有所不同，综合来说横梁强度控制表达式为：

　　当有垂直方向集中力作用时，分析中应当考虑横梁的抗扭强度验算｡同理，横梁的刚度计算也需分两个方向进行，最终根据其两个方向中最大的变形值复核其变形是否为相应规范允许范围｡

　　需要注意的几个问题：①为防止受竖向荷载的横梁出现局部应力集中现象，最好在横梁受集中力部位上方设置垫块｡这样不仅能解决应力集中问题，也可使实际受力更加符合集中力的计算模型｡②在估算或前期设计中在对幕墙与建筑剖面估计时，由于普遍来说横梁的尺寸小于立柱尺寸，可使用估算的立柱尺寸作为剖面设计依据｡③横梁的受均布荷载状况依据所处位置及构造不同会有所变化，其荷载形式可能为三角荷载或梯形荷载，需按双向荷载仔细划分，确保不遗漏和重复计算荷载[10]｡④进行抗扭剪应力强度验算时，应当注意所验算的横梁的截面是否为开口截面从而依据不同情况计算｡

　　2.3 立柱

　　立柱是整个幕墙系统最主要的竖向传力构件也是控制幕墙系统剖面的最关键的构件，其力学计算模型也最为复杂｡

　　首先来看立柱的荷载工况，其主要受风荷载（水平线荷载）､地震荷载（水平线荷载）及结构自重荷载（垂直线荷载）作用｡

　　其次看立柱的力学计算模型，而确定计算模型的第一步就是确定立柱节点的连接方式｡一般情况立柱是通过锚固件固定于主体结构，另一端套则接在固定于柱的芯柱上（两立柱一般之间留有15mm伸缩缝），这样对于立柱便产生了上､下两端固定的两种情况，在垂直及水平荷载作用下分别对应了拉弯及压弯两种基本受力状况，强度控制表达式[11]分别为拉弯（上端固定连接，下端活动连接）：

压弯（上端活动连接，下端固定连接）：

　　同时，因垂直于幕墙平面的风荷载及平面外地震作用在立柱内产生弯矩和剪力，所以要进行剪切强度校核，即

　　而立柱的力学计算模型也有两大基本类型：简支梁（图1a）和连续梁（图1b）｡

　　简支梁模型是将立柱简化为支撑在楼层构件上的简支梁，因其便于手算也是被广大中小幕墙承包商及在进行设计估算时广泛采用的一个计算模型｡它以层高作为计算跨度也基本符合立柱的实际受力状况，其对立柱构造要求不高，一般的连接件及施工装配工艺均能满足｡从目前一些大型现场试验的结果来看其偏于保守；从理论分析，以层高为跨度计算也过于保守，尤其在跨度较大时的计算结果较为不经济｡但简支梁作为在方案及扩初设计阶段辅助建筑师及工程师分析建筑物剖面构造及幕墙的附加荷载状况时还是较为简便且值得信赖｡而作为对幕墙系统进行精确的受力状况分析其还略显不足及保守｡

　　连续梁模型则是根据立柱实际连接的状况，将其简化为多点多跨的连续梁进行计算（一般为四点三跨及以下），此模型的计算结果较为接近工程实际状况｡但连续梁模型对构件及施工的要求较为严格，如芯柱的截面参数需大于立柱对应值，芯柱总长度不得小于400mm且芯柱应当与立柱紧密接触，此外芯柱在设计及施工时均能保证顺利传递弯矩｡这些条件很难在幕墙设计施工中全部满足，而任何一条的缺失都会导致模型的误差从而影响计算结果｡而在连续梁基础上根据幕墙立柱实际连接状况发展的多跨铰接连续梁模型（图1c）时较能反映立柱实际受力状况｡此模型将立柱的连接处及其与不同构件的连接处理为铰连接，从而形成多跨铰链梁｡

    此模型能较好的模拟立柱的实际工作状况且一般的施工及构件也均能满足｡但其计算较为复杂，一般要验算三个控制截面，若不等跨还须逐跨分析｡所以大部分幕墙公司均采用有限元计算软件处理如Robot97等进行处理｡

　　在进行建筑设计估算分析时，结构工程师也可根据实际节点状况进行简化后使用PKPM软件部分功能如PK或TAT进行初步分析，但是需注意在PK和TAT计算时需手动输入截面参数且必须对压弯构件复核稳定条件｡

综上所述在建筑方案设计阶段可以按照简支梁模型进行初步分析，在条件需要时，可以用PKPM软件进行简单的有限元分析以确定幕墙系统在剖面中的控制尺寸和估计支座反力的大小及方向｡

　　2.4 连接件

　　连接件所受荷载主要根据各计算中支座反力决定，一般来说螺栓为连接件的主要受力构件｡计算时需根据支座反力按照水平及垂直方向将反力集中至平面内受力点，并将其按照力平移法则移至螺栓群的中心点｡再根据平后产生的弯矩及其水平､垂直方向分力，分析最不利受力状况的螺栓并校核其抗剪强度[9]｡对与主结构连接的构件，需确定最危险截面进行验算；对埋入构件验算时，需采用荷载标准值进行｡

　　其他形式的各类连接受力构件应当根据布置状况选定相应的计算方式并进行校核｡上述分析主要针对框架类（含单元式）的幕墙系统，对于点支､拉索式及大变形等幕墙系统应当使用专业有限元软件进行分析｡

　　在建筑设计尤其是方案及扩初阶段对幕墙系统进行力学分析，其主要目的：①确定面材的分格能否满足建筑师的要求｡②确定大致的剖面，以便建筑师及各工种工程师进行布置｡

　　主要计算集中在面材及立柱上，面材因为主要由风荷载控制，采用本文的分析思路基本可以确定其尺寸｡立柱分析时建议使用简支梁模型，因为虽然其计算误差较大（一般约大20%）但其偏保守，有一定余量便于施工图及施工过程中调整｡只有在方案阶段需要详细设计剖面时，可以采用软件分析｡

　　在施工图阶段，主要是详细了解幕墙系统对主结构的反力的大小及方向，此时应当与专业幕墙公司进行配合或采用专业软件进行分析｡

　　（1）框架式幕墙：为一般高层中常用的幕墙系统，由竖框或横梁安装在主体结构上，再安装横梁或竖框，最后固定板材或玻璃｡此种幕墙可有全框､隐框､半隐框等多种形式｡其节点构造一般较为简单，主要的密封形式一般采用泡沫填缝条加密封胶实现，不同材质板材的交接主要通过横梁或横向连接构件转换完成，收边一般采用单方向延长板材解决｡

　　（2）单元式幕墙：为独立单元组合而成，板材､玻璃､立柱及横梁间安装在工厂内完成，总体组装在现场完成｡单元式幕墙是在国外广泛采用的一种幕墙体系，其质量控制及检验较容易控制，密封性能也较好｡单元式幕墙的连接及节点均由专用构件完成，但需注意安装时对平整度的控制｡

　　（3）点支式幕墙：主要为玻璃幕墙，其主要通过驳接件连接玻璃，并通过拉杆或拉索等竖向传力｡其节点构造主要使用密封胶及专用驳接件｡

　　（4）石材干挂类幕墙系统：石材干挂是通过背栓等连接件将石材与立柱龙骨等主受力构件连接｡由于此类幕墙自重较大且石材和金属构件通过粘结胶连接，所以对于构件质量有着严格要求｡粘胶剂必须使用专用石材干挂胶，而所有连接件必须使用304不锈钢或7075铝合金构件｡

　　由于幕墙系统目前的主要设计和施工均由专业的幕墙承包商完成，而幕墙系统的质量直接影响了建筑物本身的外立面表现效果和使用功能｡所以建筑师和工程师必须对其质量关键控制点注意｡

　　建筑师需仔细研究幕墙承包商的板材划分，做到既经济合理又能充分体现原来的设计意图｡当然建筑师在设计时最好也能依据模数进行分割｡同时建筑师还需仔细研究其各类节点，确保各交界处及收边处的效果不破坏整体装饰效果以及防水､节能等的功能实现｡

　　结构工程师需要对幕墙承包商提供的计算书进行检查，主要对其计算模型进行校核，同时检查其是否对刚度进行了校核以及对压弯构件稳定性的验算｡在幕墙设计中应当体现刚度优于强度的原则，因为刚度不足会导致其节点变形过大从而影响其防水等功能的实现｡结构工程师还应当仔细阅读承包商提供的反力图和预埋件图，确保在结构设计时不遗漏荷载，同时做好相应主结构构造处理｡

　　暖通工程师应当注意不同幕墙系统对中央空调系统负荷的影响｡给排水和电气工程师应当注意幕墙系统对立面排水和防雷接地的实现｡