幕墙风荷载与 框架式玻璃幕墙 龙骨用量及 造价分析

    幕墙是将建筑围护与建筑艺术相结合(如图1)，能展现建筑的灵动、活跃或是稳健。上世纪80 年代初，幕墙引入我国，20多年来，幕墙已经在我国的众多大型公共、民用建筑中有了广泛应用。

    1.1 幕墙按照结构支撑体系、幕墙面材分类

    （1）按照结构支撑形式分类，如图2所示；

    （2）按幕墙面材分类：石材幕墙、金属板幕墙、玻璃幕墙( 夹胶玻璃、钢化玻璃、中空玻璃、真空玻璃、LOW-E玻璃等)、人造板材幕墙（瓷板、陶板、微晶板）；

    （3）新型幕墙：光电玻璃幕墙、热通道玻璃幕墙（双层皮）、智能玻璃幕墙等。

    1.2 本文研究的目的

    通过框架幕墙为例，研究风荷载（负压）对幕墙铝合金龙骨用量的影响。

    2. 隐框幕墙/ 明框幕墙龙骨与风荷载定性分析

    2.1 幕墙与风荷载效应标准值

    计算幕墙构件荷载时，其作用效应无地震作用时：

    S= γGSGK+ ψw γw Swk

    式中SGK为永久荷载效应标准值，Swk为风荷载效应标准值。可见幕墙受力除自身标准荷载影响外，主要受风荷载影响。

    2.2 地面粗糙度分类与部分城市基本风压分布

    请见设计规范04J906，门窗、幕墙风荷载标准值。

    （1）地面粗糙度分为4类：

    A 类： 指近海面和海岛、海岸、湖岸及沙漠地区；

    B 类： 指田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的乡镇和城市郊区；

    C 类： 指有密集建筑群的城市市区；

    D 类： 指有密集建筑群且房屋较高的城市市区。

    （2）我国部分城市的基本风压分布情况，见相应规范。

    （3）风荷载标准值与地面粗糙度、建筑高度、基本风压的关系

    以0.45KN/m2 的基本风压为例，幕墙高度以20米、50米、100米、150米、200米及不同地面粗糙度对应的风荷载标准值曲线，如图3所示。我们可以得到如下结论：

    地面粗糙度对基本幕墙风荷载标准值的影响从大到小的次序是：A、B、C、D；

    基本风压越大，幕墙风荷载越大；

    幕墙高度越大，风荷载越大。

    以上仅是定性的分析了地面粗糙度，幕墙高度、基本风压与幕墙风荷载标准值的定性关系。幕墙风荷载标准值又直接影响幕墙支撑体系的用量。下面以明框（构件式）幕墙为例（图4），定量的研究以上3 种因素另加幕墙分隔因素对幕墙铝合金龙骨用量的影响。

    3.1  计算基本假设

    （1）立柱计算假设

    本文分析了框架式幕墙的3种常用分隔，即1.5*2米，1.2*1.5米，1.0*3.6米。每种幕墙分隔的立柱用量按照2 根/ 分隔计算。

    （2）横梁计算假设

    1.5*2分隔，横梁按照3根考虑。间隔0 .67米；1.2*1.5分隔，横梁按2根考虑，间隔0.75米，1*3.6分隔，横梁按5根考虑，间隔0.72米。对于三种幕墙分隔，横梁用量在2.27kg/m2~2.55 kg/m2。

    计算的基本数据见表1。

    （3）简化横梁用量的处理

    相对于立柱横梁用量占龙骨的比重小。为简便计算，横梁用量假设一样，统一为2.50kg/m2。以下计算均为立柱的用量。不再附加比较横梁用量。

    3.2  1*3.6米幕墙分隔，基本风压0.45KN/m2情况下，不同幕墙高度、不同地面粗糙度的幕墙立柱铝合金型材用量的分析、比较

    依据《幕墙设计规范》，用幕墙设计软件，计算不同的基本风压、地面粗糙度、幕墙高度的的立柱型材用量。截取了一部分如表2所示。

    对于A类粗糙度情况分析：20米高为基准，50米时增加5%，150米时增加13%，200米时，增加仍然为13%。

    幕墙高度20米时分析：B、C、D粗糙度，立柱型材用量相同，为6.57kg/m2，是A类粗糙度情况用量的85%。

    幕墙高度50米时分析：C、D粗糙度，立柱型材用量相同差不多，用量分别是6.83kg/m2 和6.57kg/m2；A、B 类粗糙度情况立柱型材用量为7.64kg/m2。

    高度20米，B、C、D粗糙度；高度50米C、D粗糙度；高度10米0D粗糙度的用量6.83kg/m2~6.57kg/m2之间。

    高度20米，A粗糙度；50米高度A、B粗糙度；100米高度，B、C粗糙度，150米高，C、D粗糙度；200米高，D粗糙度的立柱型材用量差不多，为7.64kg/m2。

    高度100米，A 粗糙度；150米高，A、B粗糙度；200米高，A、B、C粗糙度的立柱型材用量在8.13kg/m2~8.62 kg/m2。

    3.3   C粗糙度下，1*3.6分隔，不同风压对立柱用量的分析、比较C 粗糙度指有密集建筑群的城市市区，1 * 3.6米的分隔是三种分隔中幕墙龙骨用量最多的，以此比较有代表性。如表3 所示：

    基本风压0.3~0.65KN/m2，表中涂灰色的区域立柱型材用量在6.57kg/m2~8.13Kg/m2，变化不大。

    以0.45KN/m2风压，高度50米为基准，立柱型材用量6.83Kg/m2，蓝色区域基本风压0.65KN/m2高度200米；基本风压1.0KN/m2，高度100米；基本风压1.4KN/m2，高度50米，用量10.99Kg/m2，较基准增加61%。

    对应基本风压无立柱型材用量时，表示要改变幕墙分隔尺寸或改变幕墙支撑方式。

    3.4 幕墙分隔情况对立柱型材用量影响分析

    下面分析了假设在A粗糙度，幕墙高度50米及C粗糙度，幕墙高度150米两种条件，三种幕墙分隔对立柱型材用量的影响。A粗糙度相对于其他B、C、D三种粗糙度影响显著。高度50米是按一类高层的情况考虑。分析C粗糙度是因为B、C、D三种粗糙度影响差异不显著，就以中间C为代表研究。建筑超过100米属超高层，本例以150米分析对立柱型材用量的影响，具有代表性。

    ◆A粗糙度:  幕墙高度50米，幕墙分隔1.5*2米、1.2*1.5米、1*3.6米情况下，不同基本风压对立柱型材用量影响的对比、分析，如表4所示：

    （1）1*3.6米幕墙分隔的立柱型材用量较1.2*1.5米分隔、1.5*2米分隔高。以基本风压0.45KN/m2为例，1*3.6米幕墙分隔较其他两种分隔多用立柱型材68%。

    （2）当基本风压到1.00KN/m2时，1*3.6米幕墙分隔的立柱型材用量为10.99Kg/m2，对1.5*2.0米、1.2*1.5米幕墙分隔影响不大。

    （3）对应基本风压无立柱型材用量时，表示要改变幕墙分隔尺寸或改变幕墙支撑方式。

    ◆ C粗糙度:  幕墙高度150米，幕墙分隔1.5*2米、1.2*1.5米、1*3.6米情况下，不同基本风压对立柱型材用量影响的对比、分析，如表5 所示：

    图8 表示立柱型材用量变化规律：

    做如下分析：

    幕墙分隔为1.2*1.5米，在C粗糙度情况下，影响不显著。基本风压1.85KN/m2时，立柱型材用量为7.19Kg/m2。

    幕墙分隔为1.5*2米，在C粗糙度情况下，在基本风压达到1.0 KN/m2时，较显著，立柱型材用量7.33Kg/m2。

    幕墙分隔为1*3.6米，在C粗糙度情况下，随风压变化立柱型材用量变化较前两种显著。在基本风压0.65KN/m2时，立柱型材用量9.37Kg/m2。

    对应基本风压无立柱型材用量时，表示要改变幕墙分隔尺寸或改变幕墙支撑方式。

    4. 隐框幕墙铝合金龙骨造价计算

    4.1 直接费

    铝型材表面可做阳极氧化、粉末喷涂和氟碳喷涂处理，型材的室内外表面可在穿条组装前进行不同颜色的处理。型材单价及表面处理单价参考2011年1月3个厂家报价，见表6。

    铝龙骨单价=铝锭价格+加工费+表面处理费（阳极氧化/ 粉末喷涂/ 氟碳喷涂），其中氟碳喷涂按照型材展开面积（平米）计算。

    铝型材制作直接费=（立柱型材量+ 横梁型材量）*铝龙骨单价+人工费+机械费。

    通常人工费占材料费5~10%，假设按8%计算人工费；机械费占材料费比例5%左右，假设按5%计算机械费；假设经幕墙软件计算需立柱型材用量为9.37Kg/m2，以安装阳极氧化做铝型材和厂家1标价为基数，则铝型材制作直接费=（9.37+2.5）*（16700+4300+500）/1000*（1+8%+5%）=288.38元/m2

    4.2 措施费

    措施费按计取方式可以分为组织措施费、技术措施费。组织措施费以直接费为基数按费率计取，费率约3~5%。技术措施费根据具体幕墙安装难度的技术措施，包含脚手架工程费、吊兰安装使用费、支撑钢结构现场拼装及安装胎架工程费、大型玻璃块安装措施费、工程样板制作确认拆除费、成品保护费、大型机械进场费等，与直接费无关。按通常情况考虑，现假设措施费占直接费的18%。

        288.38*18%=51.90元/m2

    4.3 管理费、利润、税金

    管理费和利润通常以直接费+ 措施费为计算基数，其费率视地方规定不同，通常有两种情况：综合管理费和利润、差别管理费和利润。综合管理费和利润，不再区分建筑类别；差别管理费和利润则区分建筑的类别。

现假设管理费和利润费率分别占直接费+措施费的7%、9%。税金按照3.41%考虑。

    管理费+利润+税金=

（288.38+51.90）*（（1+7%+9%）*（1+3.41%）-1）=67.90元/m2

    4.4 幕墙龙骨造价

    直接费+措施费+管理费+利润+税金=

        288.38+51.90+67.90=408.18元/m2

    可以看出，对于明框玻璃幕墙，铝合金龙骨用量主要分布在6.64~13.49KGg/m2（增加横梁的用量2.50Kg/m2得到，以下同法）。像北京地区基本风压0.45KN/m2，幕墙分格1*3.6的龙骨用量分布在9.07~11.12Kg/m2，高度变化对龙骨用量影响不大；C 粗糙度下，幕墙分格1*3.6，风压0.3~1.0KN/m2，幕墙龙骨用量分布在9.07~13.49KN/m2；当风压小于1.0，幕墙分格1.2*1.5 时龙骨用量分布在6.64~8.19Kg/m2，幕墙分格1.5*2.0时龙骨用量分布在6.87~8.75Kg/m2，幕墙分格1*3.6 时龙骨用量分布在9.07~13.49Kg/m2。

    通过研究地面粗糙度、幕墙高度、基本风压、幕墙分隔与幕墙铝合金龙骨用量分析，对计算幕墙造价具有一定的实际意义。同时，以上因素对于幕墙支撑体系的影响、分析也具有一定的参考价值。