上海旭博建筑装饰工程有限公司 上海 201317
摘要：在当前我国建筑行业发展过程中，建筑幕墙作为一种带有装饰效果的轻质围护墙体结构，在建筑工程中得到广泛应用，具有美观、节能与易维护的优势。建筑幕墙作为一项系统性工程，涉及诸多专业领域，在设计过程中存在一定的问题有待解决。因此，为发挥幕墙的作用，本文对建筑幕墙工程的主要设计难点、常见设计问题进行简要分析，并提出问题完善对策，以供参考。
关键词：建筑幕墙；设计难点；设计问题；完善对策
一、工程概况
上海国际金融中心项目位于上海浦东新区竹园商贸地块，浦东新区杨高南路378号，建筑最高点高度215米。本项目幕墙结构极为复杂，由诸多幕墙系统组成，基本涵盖了市场上现有幕墙的各种形式。在工程设计阶段面临诸多问题与难点，非常具有挑战性。本文以该工程为例，详细阐述所面临设计难点、问题与完善对策。
二、建筑幕墙具体设计难点及解决对策
1.异形单元系统设计及结构计算
在本工程幕墙A系统设计环节中，该幕墙结构为Z字型单元体的异形单元系统，宽度为1.5m、跨度高达5.5m，且单元下部分布有75cm的玻璃悬挑结构。与常规建筑幕墙结构相比，异形单元系统的构造设计方式并不适用。如若采取常规传力设计方式，将对幕墙结构的性能质量造成不利影响。例如，如果采用传统单元公母框插接方式，由于幕墙A系统为Z字型结构，将使得某一面方向朝上，结构防水性能较差。
针对这一问题，设计人员综合各项施工因素，并对我国上海中心大厦项目的设计经验进行借鉴，最终，选择于幕墙A系统中单元正面区域使用单元公母框插接方式，对单元向上区域开展室内外打胶处理，形成结构较为稳定的等压腔。同时，使用型号为Q390的16mm钢板作为单元过桥结构的连接及受力件。如此，在保障幕墙结构具有良好单元防水性能的同时，有效解决了幕墙单元受力设计问题。在后续工程验证过程中，幕墙A系统通过疲劳试验与热循环试验验证，完全符合工程使用需求。
此外，在幕墙A系统中，单元外部配置有参数为300mm的装饰条，由于幕墙单元共模框截面比相对较小，如若采取传统结构计算模式，难以为计算结果的准确性及真实性提供必要保障。因此，设计人员选择联合开展单元公母框及装饰条受力计算工作，有效解决了这一问题。最终，在幕墙系统抗风实验验证数据与计算模型完全相符。
2.建筑幕墙系统转换设计
在上海国际金融中心项目幕墙B、C系统设计环节中，幕墙C系统为框架系统，宽度为1.5m、跨度为11m。而幕墙B系统则为单元式结构，宽度为1.5m、跨度为5m，室内外面为不锈钢或是石材作为面材。同时，幕墙B系统上下界面均与幕墙C系统相接，系统标高方向交接构造受力设计难度系数较大，编制建筑幕墙系统转换设计方案不合理，将对两项幕墙系统的结构受力以及构造防水安全均造成不利影响。为解决这一问题，设计人员综合考虑各项因素，最终选择采取单元上下横框插接方式完成建筑幕墙B、C系统的标高转换作业，从而解决系统防水构造以及交接受力设计问题。
3.钢结构设计
在上海国际金融中心项目幕墙E系统设计环节，该系统宽度为1.5m、单元跨度为5m，分布于建筑结构的顶端区域，以悬挑高度为20m的钢结构作为幕墙系统的主要支撑结构。对这一设计方式的选择，虽然可以为建筑幕墙系统提供稳定的支撑力，但所搭建悬挑钢结构所产生的支座反力极大，现有建筑工程的土建结构难以承受过高的支座反力，项目设计方案可行性不足。针对于此，为确保工程现有土建结构可以有效承载幕墙E系统的钢支撑结构，选择采取绞接方式设计钢支撑结构的底部构造，底部结构仅用于承载重力方向以及水平缝荷载即可。既解决了以上设计问题，又可以为建筑幕墙E系统提供稳定支撑力。
4.材料论证
在上海国际金融中心项目，建筑幕墙F系统是我国已知最高的索网幕墙系统，该系统具有单幅面积大、拉索与驳接件受力性能指标高的特征。设计人员唯有结合实际施工情况，明确各类施工材料及配件的性能指标，并做好选材工作，方可为建筑幕墙施工质量与使用安全提供有力保障。而这也是建筑索网幕墙工程的主要设计难点。为解决这一设计难点，企业选择对工程主体材料开展实验验证，具体实验内容为：疲劳试验。工作人员对拉索以及索铆端开展疲劳试验，合理设定疲劳力值，并将测试结果与相关标准进行对照分析，判定拉索性能是否与工程设计要求相符合。同时，对夹具开展疲劳实验；极限破断力实验。工作人员对不同直径的主受力索依次开展极限破断力实验，合理设定极限破坏力值。随后，将实验结果与拉索设计值进行对比，最终选择配置直径在59mm的拉索作为幕墙F系统的主受力索。
5.索网节点设计
（1）拉索变形。在建筑幕墙F系统设计方案中，幕墙部分区域设有排窗。在后续工程施工与使用过程中，有一定可能出现拉索以及排窗变形扭曲问题，并对排窗系统的性能质量造成不利影响。为解决这一问题，设计人员选择使用适当厚度的钢板材料，于排窗标高位置进行设置、取代原有的拉索，确保钢板及排窗处于整体受力状态。同时，在所设置钢板上下区域均设置竖向拉索。
（2）拉索张拉。在建筑幕墙F系统张拉操作环节中，各处钢结构梁部位将产生向下的抛物线，且各处部位变形量之间存在差异性，最终导致各处排窗标高不一致。因此，应选择于拉索上端区域配置调节装置，该装置将起到调节拉索标高的施工作用。
（3）拉索跨防火分区。在该建筑幕墙系统防火分区设计环节中，由于拉索跨越多个防火分区，难以满足拉索标高方向变位需求。因此，企业选择在相邻防火分区间隔区水平设置C型钢梁，并使用钢板等材料，将相邻防火分区内的拉索装置进行连接处理。在后续张拉环节，施工人员可同步对相邻防火分区内拉索开展张拉操作。随后，使用螺栓等连接，将拉索钢板以及钢梁肋板进行连接，并于钢板上沿标高方向开设适当尺寸的孔洞。
6.屋顶采光顶系统设计
在建筑幕墙K系统早期设计环节中，出于美观性及室内采光效果角度考虑，选择将幕墙系统的外方采光顶设定为钢结构，将玻璃肋用作为在主体支撑结构、使用玻璃作为面材，搭建玻璃采光顶系统。
但是，玻璃作为一种脆性材料，在受到外力碰撞、或是周边环境气候温度及日照强度过高时，极易出现玻璃爆裂坠落、融化等安全事故，存在一定的安全隐患。同时，玻璃采光顶系统的前期施工成本与后期维护成本也较为高昂。因此，提出使用钢板肋取代玻璃肋作为主要受力构件的设计建议，并得到业主方的认可。没有对采光顶的使用功能及美观程度造成明显影响，并大幅提高了采光顶结构的性能质量，消除了安全隐患。
三、建筑幕墙设计中存在的主要问题
1.设计滞后
建筑幕墙作为一种全新的建筑外围护结构与施工理念，虽然近年来在我国建筑行业得到广泛应用普及，但其大规模普及时间较短、部分企业对建筑幕墙工程的主要特点与重要程度缺乏深入了解，设计意识相对较为薄弱，普遍选择在工程项目招投标后，再组织开展建筑幕墙设计工作。受到时间限制，所制定建筑幕墙方案中往往存在一定的问题没有被及时发现、有效解决，从而加大了返工率。在上海国际金融中心项目，由于工程具有结构复杂、幕墙系统繁多的特征，且部分幕墙系统设计方案中采取了大量的创新性设计措施，如索网幕墙系统，企业对建筑幕墙工程及设计工作较为重视。但在同类工程中，却普遍存在建筑幕墙设计滞后问题。
2.缺乏协同设计
建筑主体工程与幕墙工程之间保持着相互依存的关系，幕墙工程既是整体工程项目的主要构成部分，同时，也是建筑主体结构的外围护结构，相互之间有着极为紧密的内在关联。但是，在部分建筑工程中，企业并未组织开展建筑工程及幕墙工程的协同设计工作，或是协同程度较为薄弱，导致建筑设计方案与幕墙设计方案相脱节，若干项设计参数相互冲突。
3.人员素养有待提升
建筑幕墙工程在我国建筑行业的发展时间较短，设计体系与技术理论体系尚存在一定的优化空间。同时，在部分建筑工程中，普遍存在设计人员专业素养良莠不齐、缺乏相关设计经验的问题，导致所编制建筑幕墙设计方案存在各项问题，可行性有所不足、工程返工率较高。例如，在上海国际金融中心项目中，部分建筑幕墙系统的设计方案极具开创性，缺乏相关设计参照，并在设计过程中遇到诸多难点与问题，如索网幕墙节点构造设计问题、拉索材料设计论证、幕墙系统构造转换问题等等，对设计人员的专业素养与工作能力提出较高要求。目前来看，设计人员专业素养问题，是建筑幕墙工程发展、设计水平进一步提高的主要制约因素。
四、建筑幕墙设计水平优化策略
1.加强幕墙设计重视程度
必须深入了解建筑幕墙工程的主要特点，加强对幕墙设计工作的重视程度，及时组织开展工程设计工作，为后续方案论证、图纸审核等工作的开展提供充足时间，有效解决各项设计问题。对这一目的的实现，应提前对建筑幕墙工程的设计主体加以明确，划定权责范围。在设计主体未如期编制建筑幕墙设计方案，或是出现设计滞后问题时，则对相关责任人进行追责惩处；将幕墙设计招标以及工程施工招标进行分离，在非必要情况下，尽可量预防工程设计施工一体化问题的出现。如此，可以确保所编制建筑幕墙设计方案得到有效监管审核，可以及时发现并解决各项设计问题，如设计参数计算错误、图纸缺项漏项等等；明确建筑幕墙设计收费准则。企业应结合项目建设情况及设计工作量，合理设定建筑幕墙工程的设计收费标准，避免在设计招标环节出现虚报价目问题。同时，也可为投标方提供一定的保障，在客观上提高各项投标书的建筑幕墙设计水平；提前做好建筑幕墙设计规划工作，为各项具体设计工作的开展预留出充足的时间。
2.协调建筑设计及幕墙设计关系
设计人员必须正确认识到建筑设计以及幕墙设计二者之间密不可分的关系，持续采集建筑工程设计方案与相关工程信息，将其作为建筑幕墙设计的主要参照，为建筑工程及幕墙协同设计工作的开展提供基础条件。为此，应明确划定幕墙设计以及建筑设计之间的具体范围、明确建筑工程设计工作的主体地位，以及设计工作的开展顺序；加强各设计单位及人员之间的沟通力度，实时共享各项工程信息与设计参数。同时，相互之间交换设计理念、思路及意见，有效预防设计碰撞问题的出现。企业可选择运用BIM技术，基于工程设计方案构建三维建筑信息模型，模型将直观化显示实时设计状态与各项参数；开展设计方案与工程图纸审核工作，企业既要对建筑幕墙设计方案的合理性与可行性进行论证，发现并解决所存在各项问题，并开展图纸碰撞检测等工作。同时，也应同时对幕墙设计方案与建筑设计方案进行审核，重点检查两套设计方案之间是否存在专业碰撞、设计冲突问题，将各项问题进行标记、反馈与解决。
3.强化幕墙设计人员专业培训力度
为保障建筑幕墙工程设计质量、确保所编制设计方案切实可行、预防各类设计问题的出现。企业应及早建设专业化设计团队，具体策略为：首先，提高人员专业素养培训工作力度，并将全新的设计理念、技术理论以及同类工程设计方案作为主要培训内容；其次，推动人员专业素养培训方式的多元化发展，如定期举办专项培训活动，组织各设计单位进行交流学习等等；第三，健全人员专业素养考核评审体系，定期对设计人员的专业素养进行考核，并将考核结果作为设计团队配置的主要依据。同时，对设计人员的从业资质进行审核；积极借鉴国内外先进、成熟的建筑幕墙设计理念与方式；死地，随着信息化时代的到来，在建筑幕墙设计领域中，BIM等信息化技术得到广泛应用，可以辅助或替代人工完成数据采集、工程量计算、图纸绘制等工作。但是，部分设计人员的信息化素养较差，对各项信息化技术、设计软件缺乏深入了解。因此，企业应将信息化素养纳入人员培训、考核体系中，及早构建复合型设计团队。
结语：综上所述，虽然建筑幕墙在各类建筑工程中得到广泛应用，工程设计水平尚存在一定的优化空间。因此，设计人员要深入了解建筑幕墙设计过程中所面临的各项问题，采取科学的设计理念和方法。同时，积极借鉴上海国际金融中心项目幕墙工程所面临的各项设计难点及解决措施，提高建筑幕墙设计水平，推动我国建筑业的可持续发展。
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