上海旭博建筑装饰工程有限公司 上海 201317
摘要：近年来，建筑外墙围护结构逐渐呈现出轻型化发展趋势，建筑幕墙应运而生，幕墙具有安全性能优异、使用寿命长、节能环保、造型美观、色彩绚丽等优势特点，逐渐成为商业综合体建筑与高层建筑的外墙围护装饰性结构。建筑幕墙结构设计水平还存在一定的优化空间，各项设计问题还需要进一步的优化完善，从而能够保证建筑工程施工质量与使用安全。因此，本文对建筑幕墙结构设计原则及内容进行分析，重点提出结构设计优化措施，旨在提高幕墙结构设计水平。
关键词：建筑幕墙；结构设计；优化措施
一、建筑幕墙结构设计原则分析
1.安全可靠
与传统建筑外墙围护结构相比，虽然幕墙结构是一种不分担建筑主体结构所受作用及荷载的装饰性围护结构。但是，幕墙结构处于建筑主体结构的外围区域，在建筑幕墙工程施工、交付使用期间内，将持续受到交变风荷载、自重荷载、温度应力荷载的作用影响。而在出现地震等自然灾害问题时，也将受到地震作用力等不可抗力因素的影响。因此，在建筑幕墙结构设计环节，设计人员应遵循安全可靠原则，确保所设计、构建幕墙结构在预期使用寿命内，具有良好的风压变形、耐撞击、承重力、防水、热工性能等等。在保障结构安全的基础上，切实满足工程各项使用需求。
2.造型美观
与传统的建筑外墙围护结构相比，幕墙结构的主要区别在于，是一种较为美观新颖、具有装饰性质的围护结构。以玻璃幕墙为例，实现了对建筑节能、结构、美学及功能等要素的有机统一，建筑幕墙在不同环境场景下，将随着阳光、灯光的变化而呈现动态美感与多种色调，可以将周边环境及天空景色映入其中，是现代建筑主义的显著特征之一。因此，设计人员应严格遵循造型美观设计原则，确保建筑幕墙造型结构较为优美、具有高度观赏价值。
3.节能环保
目前来看，多数建筑幕墙工程中，所使用施工材料具有较高的再生利用价值，以及相对较为稳定可靠的力学性能，可以循环使用，如UHPC、GRC等材料。为充分发挥建筑幕墙结构的节能环保属性，设计人员需遵循节能环保设计原则，优先使用各类新型绿色施工材料，在控制材料及建筑资源消耗量的同时，减轻对周边生态环境所造成的污染破坏程度。同时，在客观层面上也将降低建筑配套系统的运行能耗。例如，在设计玻璃幕墙结构时，既可以增强建筑的采光效果、降低照明系统运行负荷，也可减少进入室内的太阳辐射、控制室内温度。
4.受力稳定
在建筑幕墙结构设计环节，设计人员应确保幕墙结构中的各处梁柱构件以及连接件具有良好的强度等性能，以及主体结构相对位移能力，避免受到温度荷载等因素影响而出现结构扭曲变形、位移与爆裂坠落等施工问题。简单来讲，则是保证建筑幕墙结构受力稳定。
二、建筑幕墙结构设计内容及要点
1.选定设计方案
在建筑幕墙结构前期设计环节，设计人员应持续采集工程相关信息、掌握工程特点、施工现场情况及使用需求，从而明确幕墙结构设计思路，以及结构边界条件、支撑框架结构形式。例如，在某建筑幕墙工程中，综合分析周边环境风荷载参数、建筑主体结构位置、外观设计要求等因素，最终选择搭建铝合金框架幕墙，确保将幕墙结构自重量控制在合理范围内，并延长幕墙工程的实际使用寿命。目前来看，应用较为常见的建筑幕墙结构形式包括隐式、明框样式、玻璃肋支撑等等，不同结构形式的适用条件、性能质量都存在一定差异。在结构方式选定后，还应开展设计论证工作，判断幕墙结构的载荷性能是否与实际使用需求、设计要求相符合。
建筑幕墙面板的选择，可从光电幕墙板、玻璃、金属与石材等范围内进行选择，将建筑幕墙工程的施工条件、受力要求作为主要参考依据。例如，在选择铝合金材料作为面板材料时，则建筑幕墙结构将具有良好的耐久性、自重量较轻。而在选择玻璃作为面板材料时，将有效改善建筑采光性能、充分利用自然资源，且具有良好的艺术效果。但是，将加大幕墙结构的防水设计难度，并有可能出现玻璃爆裂坠落等安全事故。
2.结构受力分析
在建筑幕墙结构受力设计环节，设计人员应精确计算建筑幕墙支撑结构的刚度与强度等参数，并结合现场勘察报告，综合分析各项施工因素与外部环境对建筑幕墙结构造成的影响干扰，如地震荷载、结构自重力、温度内应力等等。确定幕墙结构受力特性与工程使用用途、所处环境相适宜，以此预防结构扭曲变形、移位等施工问题的出现。
例如，当建筑幕墙工程处于我国北方区域时，设计人员应着重考虑雪荷载对建筑结构受力情况造成的影响。而当幕墙结构所处区域气候温度较高时，则重点考虑温度荷载所造成的影响。随后，配置适当材质的面板材料，从而增强建筑结构体系强度，确保建筑幕墙结构受力状态的安全稳定。
3.支撑结构材料选择
综合分析相关工程信息与设计要求，做好支撑结构选材工作。例如，当幕墙结构为常规框支撑结构时，优先配置铝合金材质的龙骨构件。当建筑幕墙结构透光性要求较高时，优先采用拉索支撑结构，配置适当种类的支撑结构材料。
4.防火防烟设计
在防火防烟设计环节，重点考虑建筑幕墙结构与楼板部位间的缝隙防火问题，严格遵循相关设计规范。例如，在采取封堵处理措施时，设计人员应配置防火岩棉材料，在各楼层间隔处、楼板与周边幕墙结构缝隙处中填充适量的防火岩棉板，并同时填充适当厚度的钢板材料，为防火岩棉持续提供支撑力，确保岩棉材料不会出现脱落等问题。同时，也应对建筑主体结构以及防烟带承托板间隔缝隙等区域开展防火防烟设计工作，保障各处防火分区的独立性。在出现建筑火灾安全事故时，确保火势及所产生浓烟得到有效隔离。此外，在防火密封材料选择环节上，要确保材料具有良好的防火及密封性能，符合相关施工标准。例如，优先配置玄武岩岩棉复合板，禁止配置性能较差的矿渣岩棉板。
5.幕墙连接设计
在多数建筑幕墙工程中，各处构件与框架结构的连接方式主要为，使用预埋件与机械扩底锚栓或者倒锥形化学锚栓进行连接，从而将面板、各处构件与支承结构共同组成一个整体结构。
而幕墙连接设计工作内容为，设计人员综合分析各项施工因素，精确计算预埋件承载力与框架构造体系的受力。随后，合理设定预埋件的数量、具体埋设位置及方法，确保预埋件锚固钢筋可以持续提供充足的粘结力，将各部分构件粘结组成为较为稳定的整体性结构。同时，可选择搭建嵌板构造体系，持续将结构所承受荷载向周边杆件上进行传递，再向幕墙结构及建筑结构的固定支架进行传递。
此外，在特殊施工情况下，设计人员应针对性选择面板连接方式。例如，在余之城综合体项目中，业主方要求建筑幕墙结构具有高光颜色外表，受到喷涂工艺的限制，所配置幕墙面板材料的喷涂难度较大，难以被处理至高光颜色。因此，设计人员选择将原有的铝板面板材料更换为铝塑板，以解决幕墙表面结构颜色问题。但是，如若采取焊接连接方式时，有可能对面板质量造成不利影响，如强度下降等等，需对铝塑板立方体尖角位置连接方式进行更换。最终，设计人员选择采取以下铝塑板幕墙连接方式，在充分保障铝塑板立方体尖角处具有充足强度及良好水密性能的同时，实现了预期建筑幕墙美观设计目标。
在上滨生活广场幕墙工程中，商场主入口上方幕墙结构中心区域采取艺术装置造型，幕墙系统连接难度较大。最终，选择将整体系统采用挂接式生根连接到主龙骨受力钢管上。同时，将艺术装饰材料通过连接杆和端板被准确的定位到面板上，保证相互之间的距离尺寸一致，有效解决了这一设计难题。
6.立柱及横梁设计
在这一设计环节中，应注重提前在已知工程信息基础上，构建力学计算模型，精确计算各项参数指标，并将立柱作为受拉杆件；为减轻建筑幕墙结构的自重量，优先配置铝合金材质的立柱以及横梁构件。同时，对构件表面进行处理，如采取氟碳喷涂处理方式；当建筑幕墙结构中立柱构件的跨度超过一定标准时，需配置矩形钢管，并对钢管材料采取表面处理及除锈措施；重点计算受力杆件的强度以及挠度等性能，将计算结果与工程设计要求进行对照分析；在建筑幕墙建立柱连接设计环节，应在下一建筑楼层立柱区域设置连接点，使用螺栓对其进行连接处理。随后，对缝隙进行密封胶封堵处理。
三、建筑幕墙结构设计优化措施
1.荷载优化
在建筑幕墙结构设计方案中，设计人员应综合分析各项施工因素，严格遵循相关施工规范，准确计算幕墙系统的荷载极限值。而具体设计要点为：提前对建筑幕墙结构所处区域信息进行采集，在其基础上，严格遵循我国现行的《建筑结构荷载规范》，准确计算风荷载，并在必要情况下开展风洞试验，从试验结果中取较大值作为设计值。例如，在某建筑幕墙工程中，系统结构为封闭式结构，外表风压取值为-0.2/0.2，部分围护部件从属范围在A≤1m2。在部件从属范围A≥25m2时，将局域风压系数进行折减处理。而在从属范围超过1m2、小于25m2时，以部件从属范围的对数线性插值作为主要参考，合理设定建筑幕墙系统的风荷载标准值。
2.面板优化
以幕墙玻璃面板优化为例，对玻璃材料型号及种类的选择，既要综合分析现场情况与各项施工因素，同时，严格遵循我国现行《建筑玻璃应用技术规程》中的相关条例，确保玻璃材料具有良好的刚度、强度等性能。同时，设计人员可采取缩减玻璃分格尺寸的优化措施，确保最终玻璃面板分格尺寸与建筑幕墙系统的面板与受力杆件的强度、刚度相符合。此外，在使用金属面板时，可选择对面板四边区域所分布支撑结构采取增加劲肋的优化措施，进而在确保建筑幕墙系统性能质量达标的同时，尽可量缩减面板厚度。
3.横向龙骨优化
在建筑幕墙系统中，横向龙骨构件的主要使用功能在于，有效分担、承受系统结构的自重量与水平方向荷载。设计人员可将控制龙骨跨度作为主要优化点，或是在施工条件允许前提下，对其进行上下分格处理。目前在多数建筑幕墙工程中，由于横梁部位的挠度与跨度较小、设计难度较大，因此，普遍将横梁设定为挠度控制。在这一前提条件下，应对横梁竖向挠度值进行适当缩减，优先于横梁端部区域放置托板。例如，在横梁部位自重量为1kPa、跨度值为1800mm、且龙骨惯性矩超过600000mm4时，设计人员应将托板于横向龙骨的1/4处加以放置。如若横向龙骨的惯性矩小于600000mm4、大于300000mm4时，将托板位置更换至距边20cm处即可。此外，当横向龙骨分布若干支撑点时，对托板设置位置的调整，难以实现预期优化设计目标。因此，应竖向增设拉杆，分担一部分幕墙结构自重量 ，这也将起到控制横梁挠度的设计作用。
4.竖向龙骨优化
在竖向龙骨设计优化环节，设计人员应着重考虑是否具备龙骨支承的优化条件。例如，在采取调节龙骨跨度、加大梁高等设计措施时，是否与其他专业之间产生设计碰撞问题。针对于此，应持续采集工程相关信息，与其他分部工程开展协调设计工作，在确定幕墙结构荷载、建筑主体结构性能等条件的前提下，方可组织开展竖向龙骨优化设计工作。
具体优化设计方向为：构建计算模型，将竖向龙骨视作为特殊的简支梁结构，并对竖向龙骨的内力进行下调处理。如若这一设计措施不可取，则由双跨梁结构替代带悬臂的简支梁；幕墙分格优化。结合实际情况，对幕墙分格尺寸进行调整，进而起到控制竖向龙骨截面积与受荷面积的作用；优化选材方案。以某建筑幕墙工程为例，最初选择配置铝质龙骨，但铝材的强度性能指标较差，竖向龙骨难以切实满足建筑幕墙结构的受力要求。因此，设计人员将铝质龙骨更换为钢制龙骨。在确保竖向龙骨具有良好硬性与结构性能的同时，还可以进一步调整、减小竖向龙骨的截面积。
结语：综上所述，在建筑幕墙结构设计阶段中，企业与设计人员应遵循造型美观、安全可靠、受力稳定等设计原则，深入掌握建筑幕墙结构设计内容，明确各项设计要点。同时，还应从不同设计角度出发，对幕墙结构设计方案开展优化设计工作，运用各项设计优化措施，不断提高建筑幕墙结构设计水平与工程施工质量，进一步促进我国建筑行业的发展。
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