建筑幕墻的結構設計和優化措施探討

楊 斌 建峰建設集團股份有限公司

1 前言

建筑幕墻具有色彩絢麗、外觀時尚等特點，集建筑設計、藝術、環境等多個領域學科為一體。自從1851年倫敦世博水晶宮首次運用玻璃帷幕的手法開始，世界各國在建造大型建筑物時逐漸將其引入設計中，展現出各種不同的美學風格。我國也在改革開放后引入這一技術，國內建筑幕墻行業在近幾十年來獲得空前的發展。但由于建筑幕墻本身對結構設計上有較高的要求，而國內行業在設計、施工、材料質量、維護等方面尚存在一些不足，均可能會使建筑的整體效果達不到預期，甚至可能導致安全事故。因此，探索有效的優化措施，是建筑幕墻設計、建造中的首要任務。

2 建筑幕墻結構設計的內容

在我國建筑部門頒布的暫行《建筑幕墻工程設計專項資質分級標準》中，對具體的幕墻適用類型進行明確規定，指出了其適用范圍為組合幕墻和采光頂部分，而在實際使用中，還包括門窗、遮陽，金屬的墻面、屋面，玻璃屋面、隔斷，以及各種裝飾架構等。

在結構設計的具體內容中，主要包括設計方案、受力分析以及材料選擇三大方面。

①幕墻的設計需要兼顧美觀、實用和功能性，一般來說，主要有半隱式、全隱式、明框樣式、干法隱框樣式等，具體需根據其實際使用場合、建筑的功用、幕墻面板布置、整體風格等來決定，并以此為依據來確定主要負責支撐的結構、形式和邊界條件。同時，還需考慮其綜合荷載能力及具體功用，根據室內外實際情況，確定所需達到的藝術效果，選擇相應材料，如想要獲得較為開闊的視野，可選取點支式幕墻、桁架結構等，若只需常規分格，選取鋁合金立柱即可，但如果處于跨度較大的情況，則應首選鋼立柱，視結構可連接支撐點數來決定支梁為單跨或雙跨等?？偟膩碚f，設計方案的目的在于確保幕墻的安全可靠和功能完善，以及整體的美觀。

②成功的結構設計除了外觀和功能，還必然有合理的受力和傳力，這一點在建筑幕墻上也得到充分體現。只有對幕墻結構進行受力分析，保證受力的合理性，才能盡可能提高材料利用率，降低多余的損耗，并做到整體效果的美觀大方。其受力影響因素主要包括重力、對風雪雨的荷載能力、溫度張力等，即除了常規因素外，還需要將當地氣候、自然災害等因素考慮在內，預先判斷上述因素可能導致的外形變化，通過設計中對材料彈性、平面變形、風壓變形等方面的控制，對在之后使用中可能面臨的受力變化進行調節，來促進結構的安全性。

③為實現設計方案的預期效果和對受力的調控，合理的材料選擇是基礎，這就需要對結構受力、功能、加工工藝、施工等方面有充分的了解。其中，材料的性能是決定性因素，需要根據其所具體使用的位置來進行選擇，如幕墻和土建結構間的轉接件，選用6061-T6鋁型材料，有更好的承受力，還能降低經濟成本，但在用量較大或加工工序較多的立柱上卻不建議選擇該型鋁材。目前來說，市面上流行的多為石材、玻璃類、金屬板、陶瓷等，均需根據材料的使用位置、功能、外觀需要等進行選擇。

3 建筑幕墻結構設計的原則

在幕墻設計的原則來看，主要是應該傳達出建筑設計的理念，也就是要和建筑的整體設計保持一致性，而非過于突出自己的風格。作為室內向室外的過渡及整個建筑的保護外殼，幕墻首先是會被人第一眼所看到的建筑結構，應以服從于建筑整體設計、體現其風格和理念為首要任務，也可以說，幕墻設計的好壞，直接影響到人們對建筑的第一眼印象，也會影響到建筑設計的成敗。因此，對于建筑整體風格的展現和理念的傳遞來說，幕墻有著極為重要的意義。

當前，可供選擇的幕墻產品種類眾多，需要設計者結合建筑風格進行認真挑選，以免應生搬硬套而影響到整體美感，應在保證安全性、實用性的基礎上，體現出建筑的藝術性。此外，還需要服從相關法律法規的要求，以行業規范為準繩來制定設計和施工技術標準，詳細分析在今后使用過程中可能面臨的各種力學影響因素，對結構中各個部件受力進行精準計算，考慮使用要求和足夠的強度、剛度，合理選擇材料和設計方案，保證每個部件都有足夠強度，及幕墻和主體結構間的相對位移能力，以最大限度地保證幕墻的安全性，并優化結構的經濟指標，避免過度浪費。

4 當前建筑幕墻結構設計中存在問題分析

4.1 缺乏現代化的設計理念

從建筑設計的發展趨勢來看，裝配便捷、綠色環保、節能低耗、智能調節等，必然是未來人們的首選，在此基礎上，外觀的設計感、居住或工作的舒適，也會給人們帶來更好的使用感受。但就目前而言，不少建筑幕墻在設計理念上仍沿襲傳統模式，停留在保證建筑的強度基礎上，材料選擇中也沒有充分的考慮綠色環保性，與建筑結構、功用、整體美觀需求等不符，也難以滿足人們越來越高的使用要求。

4.2 施工單位和設計人員因素

不少建筑施工時，存在主體和幕墻承擔施工的單位不一致，相互之間缺乏溝通，較難做到統一管理，在施工技術標準上也都存在不一致的現象，使整個施工進度、結構設計、材料選擇上都存在問題。設計人員個人資質、能力不足，也會導致其美學、設計能力不能體現出幕墻所應表現出來的藝術張力，不利于最后的整體效果。同時，若施工方和設計方之間缺乏良好的溝通，不能完全按照施工圖紙和要求，擅自改動，也可能影響到幕墻最后的質量和美觀。

4.3 缺乏突發情況穩定性設計

作為建筑的保護外殼，當出現突發狀況時，幕墻會是首先被侵襲的結構，因此，近年來，行業開始越來越重視這個問題。雖然也出臺了不少相關的安全標準和技術方面的行業規定，但在實際設計中，仍有不少建筑的幕墻結構并沒有將自然災害等因素考慮在內，導致建筑幕墻本身沒有足夠的穩定性，使得一旦出現突發的自然災害，甚至僅僅在惡劣的自然氣候下，幕墻即可能因過大的載荷而出現安全事故，引起人民生命、財產的損失。

4.4 缺乏功能性和經濟性的綜合考慮

除了安全、力學性能上的要求，現代建筑也對幕墻在功用上提出了更高要求。在幕墻的使用中，往往還承擔了采光、保溫等方面的功能，以及高度的安全性。但在實際工作中卻發現，由于設計及施工技術上存在的缺陷，使幕墻功能未達預期，在采光、安全、節能等功能上并不能滿足人們的實際需要，或者僅僅在某一方面基本達標，卻不能兼顧其他方面的功能，甚至以犧牲其他功能為代價來滿足某方面的功能標準，如一些材料建造的玻璃幕墻只保證了采光性，卻缺乏足夠的保溫隔熱性。

5 建筑幕墻結構設計的優化措施探討

5.1 安全穩定性優化

既往對此類事故的調查中發現，脫落事件多發生于垂直幕墻，所以，設計時需著重在垂直幕墻的剛度和穩定性上下功夫，做到各結構關鍵節點連接的穩定可靠。特別是玻璃幕墻，需考慮到玻璃材料對穩度的承受能力，以免爆炸。設計節點時，還需要考慮到邊界問題，應事先在邊緣和鑲嵌槽底板間預留好足夠的間隙，以免玻璃在應力作用下出現破裂。在安全穩定性的設計中，主要應考慮到突發事件的情況，如對大型玻璃采光頂的消防設計，首選耐火極限高于0.25h的三級耐火級吊頂，對各類幕墻結構設計中均應兼顧防火、防墜物、防雷、防冰雹等要求。除此之外，抗震設計中，還需要保證有足夠的鑲嵌深度，并做好消防安全通道的布局，尤其是各連接點的設計優化。

5.2 開發和應用新的玻璃幕墻材料

傳統材料有不少都存在一定弊端，比如重量較大，可能會因連接不當而出現脫落，自身強度不足，防爆性能較差等，這就要求在設計中尋找更多的新型材料，來改善幕墻的功能。如橫梁和立柱部分，可以在保證其承載力的前提下，選擇質量更好的材料；在幕墻表面覆蓋有自清潔作用的涂層，使其在光照環境下即可發揮自清潔作用，或者鍍上低輻射膜，提高幕墻的隔熱、保溫作用；以及運用熱傳導系數較低的中空幕墻等。多空腔節能玻璃有著較好的隔熱、隔聲、隔紫外線等功能，節能環保性較傳統材料更佳。此外，在玻璃幕墻表面粘貼鈦合金膜，可以提高玻璃材料本身的強度和韌性，增加幕墻的防震效果。

5.3 采光、保溫等功能優化

在建筑幕墻的諸多功能中，除了本身的美觀性，采光和保溫功能是其中較為重要的內容，也是使其快速發展的主要原因之一。但在既往的使用中發現，兩者之間有時會存在一定沖突，如注重采光效果卻往往保溫隔熱效果不佳，而若過于考慮保溫作用，可能在采光上就無法達到預期標準。所以，若能選擇隔熱斷橋鋁型材為框架，以及熱傳導系數不同的玻璃，以雙層幕墻的方式加強密封設計，可比傳統模式節省50%左右的能源。

5.4 經濟性優化

設計中，除了考慮外觀與建筑風格的一致性，獲得整體上的美感，保護、采光、保溫、防震等功能特性，還需要將其經濟性也納入設計原則中，應在盡可能滿足設計需要的基礎上，降低成本，以保證整體的經濟效益。一般來說，為降低幕墻自身重量，不少設計者都會選擇輕質材料。但由于多數材料會存在強度與厚度成正比的情況，在選擇輕質材料時必然需額外增加局部的筋肋和折邊工藝。所以，需將上述內容也算入成本中，綜合考慮設計方案，以盡可能減少因設計不合理而增加的消耗。玻璃幕墻需注意監控硅酮結構膠的質量，框格幕墻則應嚴格計算橫梁、立柱的承載力，以更簡單實用的方式來實現功能性和經濟性的平衡。

6 結束語

總之，隨著建筑行業的發展，幕墻的形式會越來越多。設計者們需要結合建筑本身的風格和功能來完善對幕墻的設計，并應將設計、加工、施工等各環節相結合，盡可能做到安全、節能、美觀、舒適，推動我國幕墻行業的發展。