建筑幕墙结构设计与优化

【摘 要】随着经济的发展，幕墙结构在建筑工程中得到了广泛的运用。而玻璃幕墙结构设计新颖独特，视觉效果突出，在一定层面上体现了经济技术的发展水平。所以，为了更好地确保建筑工程幕墙施工质量，就需要促进建筑工程幕墙结构设计的不断完善。基于此，文章对现代建筑幕墙结构设计与优化进行分析，以期能够提供一个借鉴。

【关键词】建筑幕墙；结构设计；优化探析

1.幕墙设计的作用和原则

1.1幕墙设计工作范围与责任

对于建筑幕墙的设计范围，建设部门已经颁布了暂行的《建筑幕墙工程设计专项资质分级标准》，其中规定：“本标准适用于建筑外围护结构的玻璃幕墙、金属幕墙、石材幕墙、组合幕墙以及采光顶建筑幕墙工程，其他类型的建筑幕墙可参照本规定执行”。给出的规定可以看出幕墙设计的范围是组合幕墙以及采光顶部分。

不过实际的幕墙设计工作中，其范围已经超出了规定的范围，还包括如建筑门窗，遮阳系统、金属墙面、金属屋面、玻璃屋面、隔断、各种装饰架构等。

1.2幕墙设计的原则

建筑幕墙的设计原则与建筑设计整体性是保持一致的，作为室内向室外的过渡层，建筑幕墙设计作为可观赏的结构，是建筑设计的风格与理念的重要体现。

因此，在幕墙设计的时候，首先要传达建筑设计理念。在某种程度上可以这么说，建筑幕墙设计与建筑设计的成败是一致的，可以看出建筑幕墙对于建筑整体质量与外观的影响是有多么的重要。建筑幕墙设计的根本是服从于建筑设计，但是各类幕墙产品种类那么多，如果在设计中生硬的套用各类的幕墙产品，设计出来的建筑不能成为建筑精品，因此，设计的同时，要考虑到使用什么样的产品，既符合质量要求，同时也能提高建筑的艺术性。

2.建筑幕墙的结构设计内容

2.1幕墙结构是建筑物外观结构的一部分，它必须在满足美观和实用功能的同时，根据幕墙结构的功能需求，对其构件的设计充分考虑使用要求和足够的强度、刚度，即在外力作用下的变形性的稳定范围。当然有时某些结构的设计需要根据需求偏向于某一方面的设计要求，但必须是在安全的前提下进行。

2.2设计过程要考虑幕墙所可能承受的各种载荷，根据建筑物所处环境与建筑物结构形状分析可能的风载荷、雪载荷、重力载荷，还要根据当期气候条件分析温度变化或自然灾害可能带来的载荷影响，以及这些载荷变化带来的幕墙结构外形的变化，充分设计幕墙结构的承载能力，保证结构的安全性。

2.3幕墙结构的设计中还需要根据结构的功能条件和载荷设计能力，合理取值，优化结构的经济指标。避免在设计中片面强调经济性而忽略了安全性能，也要避免过度浪费。

在建筑物的幕墙结构设计中，在遵循以上设计原则基础上进行幕墙结构设计，全面考虑设计需求，确定结构设计的主要内容：

1）幕墙结构设计方案的优选。需要根据幕墙面板的布置及其分格，确定幕墙主体结构的支撑（楼层及梁柱、屋面结构等）、边界条件、结构形式要求等，设计幕墙结构的最佳结构形式，如索结构、钢结构、单杆结构、玻璃结构、桁架结构、或组合结构等。

2）结构材料的设计选择方案。材料选择时要考虑结构的受力要求、施工条件等因素，同时考虑施工成本的经济性，以此制定材料类型、型号、数量等，并编制施工条件和要求。

3）幕墙结构设计的计算。设计中的计算是对结构承载安全系数、结构外观尺寸等，根据构造要求来进行的，包括节点极限状态的验算、温度应力计算、结构尺寸校核等。

3.解决问题的方法

3.1设计中的问题

（1）材质问题

要严格控制玻璃生产源，严格控制整个生产流程，减少镍元素材料与玻璃的接触。在安装玻璃幕墙结构时，针对硫化镍杂质进行元素检测工作，如果其超出控制范围，就需要更换玻璃。同时，还可以变换玻璃形式，采用夹层玻璃，即使出现玻璃破碎的情况，碎片也不会脱落，会附于胶片上，避免了安全事故的发生。

（2）热应力问题

解决这一问题需要对玻璃结构表面进行精加工，处理玻璃结构的边部，采用抛光细磨等工艺减少微小裂纹。将普通玻璃全部更换成钢化玻璃，用来加强其抗温、抗湿的能力。在运输玻璃时，要采取适当的保护措施，减少碰撞，确保没有隐疾存在；安装玻璃时，要注意玻璃与框架的匹配度，不能裁剪玻璃，只能矫正框架，确保其与玻璃严丝合缝。

（3）火灾安全隐患

在设计时，根据不同建筑的防火要求，规划设计玻璃材质和结构形式。在材质方面，一般使用夹层玻璃、防火中空玻璃、复合防火玻璃和单片防火玻璃等，被广泛使用的是复合防火玻璃。在火灾发生时，如果这种玻璃出现爆裂，碎片会黏附在胶片上，而胶片本身也有防火作用。

（4）结构设计问题

采用明框和半隐框的结构设计，降低因结构胶失效而导致玻璃坠落的概率。同时，还可以在其周边加设围栏和绿化带等。在设计时，需要对结构框架进行抗疲劳试验，根据试验结果设计适合的幕墙玻璃，减少框架的超负荷运转。

（5）链接构件

采用特殊的锁扣螺母作为链接构件，防止出现螺栓失效的情况。

（6）污染问题

针对施工可能造成的污染问题，要建设一定的绿化带，尽量减少污染面积。

（7）施工规范问题

很多安装玻璃幕墙的企业都是由以前的门窗行业转型而来的，缺乏专业技术支持和对玻璃幕墙的认识，导致施工中存在很多风险。而且在施工过程中，有些企业并不按照标准化流程施工，致使安装过程存在不少安全隐患。

3.2安装时的注意事项

在安装玻璃幕墙时，要注意以下三点：①需要强化检验整个玻璃幕墙，确保每个环节的质量。对材料、构件、附件等进行性能测试，及时更换存在问题的部件；检测铸造的疵点和形位公差；检查玻璃的尺寸和精度等。②检测焊接支点的承载力，不得缺焊和漏焊，更不能出现裂纹和气孔等焊接缺陷。对一些埋件、转接件和驳接爪等进行不同的焊接处理，减少安全隐患。③在安装玻璃幕墙时，需要对相关的工作人员进行培训，要求他们按图施工，标准化作业，不允许违反施工流程，确保工程优质、高效。

4.高层建筑组合幕墙的结构设计举例分析

4.1单元式设计需要注意的问题

高层建筑组合幕墙在进行结构设计的时候，幕墙组件最大尺寸225x260cm，这些组合组件包括：由幕墙横竖框等拼接而成的单元组件框、玻璃或者花岗岩等材质的幕墙面板。

每个组合组件左右或者上下框对插形成组合杆，最终在完成组合组件之间的接缝之后形成整幅幕墙。幕墙的功能和构造要求在每个单元组合组件上得到体现，每个单元组合组件的高度为3.6米，和楼层的标准高度一致。这是为了再将组合组件运到施工现场之后，可以直接进行安装，节省人力和时间。组合幕墙的这种特点，决定了它可以通过工业化的方式进行流水线生产，这样就可以节省后期施工的时间，大大提高劳动力的生产效率；最后，土建主体施工时可以同步进行幕墙单元组件的吊装安装，最大程度的缩短工期，为施工企业节约施工成本，进一步提高施工企业的事成竞争力。

4.2高层建筑组合幕墙结构设计的封口技术

前文中有提到完成接缝这道工序时组合幕墙是通过对插进行的，这里就会出现一个不可避免的问题，那就是上下左右四个单元组件的连接点上，有一个四个组件都不能达到的地方，这就会使幕墙上出现一个前后贯穿的洞。

针对这个问题的解决措施是：将封口板设置在下单元组合件上横框中。这里的封口板不仅仅起着封口的作用，同时还发挥着分隔板以及集水槽的功用。镶嵌在下单元组件上框槽内的封口板要比上单元组合件下框的槽大，所以封口板可以上下自由活动。这种设置是为了避免地震出现前后方向运动时，封口板出现不能复槽的情况而出现互相碰撞。说到这里就可以看出来，建筑幕墙因为这个结构而对外界因素的变形产生了较大程度的适应能力。

结束语

建筑幕墙结构将建筑设计以及艺术美学、环境等等多方专业知识集于一身，学科综合性较强。因此，新时期要注重对幕墙设计人才的培养，设计要紧随时代发展的步伐，顺应社会发展变化，与时俱进，不断的进行创新，只有不断的进步，才能促进建筑幕墙行业的长久发展。

参考文献：

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