钢铝组合结构幕墙设计的应用

孙建华 赵相文

摘要：幕墙设计正逐步朝向大空间及大跨度的方向发展，因此较多使用钢铝组合结构。在幕墙设计中，合理运用钢铝材料，能够充分体现出幕墙的艺术美。当然任何事物都是利弊共存的，钢铝结构的幕墙设计也存在一定的局限性，还需要进一步进行改进和完善，方能最大限度的发挥出钢材及铝材的优良性能。因此文章就钢铝组合结构的幕墙设计进行相关探讨。

关键词：钢铝组合结构；幕墙设计；应用

在现代幕墙设计中，钢铝组合结构因其性能的可靠性及成本的节约型等优势，得到了业界人士的广泛青睐。因此研究钢铝组合结构在幕墙设计中的具体应用对于推动幕墙技术的进一步发展具有十分重要的意义。

一、幕墙设计中应用钢铝组合结构的主要优点

钢铝组合结构在建筑幕墙设计中的广泛应用并非是偶然的，这和钢铝组合结构自身的技术优势脱不了关系。整体而言，钢铝组合结构具备以下主要优势：①用钢铝组合结构有着重量轻的特点，由于大跨度幕墙结构，若是用纯铝框的形式，有可能会设计成实芯的形式，重量较大，成本较高，不具备可操作性，所以，重量轻是个相当突出且明显的技术优势；②强度较高，使用钢铝组合结构进行幕墙结构的施工设计，可以获取较高的强度，通常情况之下对于高层和大规模的建筑施工，由于计算强度及挠度方面的需求，使得建筑设计不达标的情况时常发生，而应用钢结构进行施工设计，可以获得较高的强度和弹性能模量，再加上铝材料的应用，可以使得整个建筑项目的荷载承重能力大大增强，更好的符合建筑需求；③采用钢铝组合结构进行设计和施工，在设计的类型和方式上具有灵活多变的特征，相关技术将弹性强、刚度大以及价格低等优势集中在一起，同时综合性的运用相关技术还可以有着较强的装饰效果和极强的耐腐蚀性，在轻巧性和灵活性方面，也有着突出的优势，所以，相关钢铝组合结构是一种相当出色的设计类型；④采用钢铝组合结构进行幕墙结构的施工，还可以使得防火性能大大增强，当前建筑的防火设计是一项关键性的设计环节，对于工艺技术标准有着极高的要求，一般情况之下铝材料的温度在250摄氏度时，其强度会降至原来的一半左右，而温度进一步升高，则其强度会逐渐消失，所以，在设计的过程当中还需要对相关材料的特点和性质进行掌握，全面的提升设计工作的防火性能，在实践的应用过程当中，钢结构材料有着较好的防火性，其强度比铝材料在高温情况下会持续更长时间，所以，钢铝组合结构进行幕墙的施工，可以获得较强的防火性能，进而更好的满足当前现代化建筑施工的基本需求。

二、幕墙设计中应用钢铝组合结构存在的局限性

现阶段，在建筑物的幕墙设计中，应用范围最为广泛的依然是玻璃幕墙，主要原因在于其能够表现出极佳的光感及色彩的效果，具备着十分巨大的市场潜力。但是就目前的应用形式而言，还存在很多的局限性。一方面，在实际的应用过程中。由于铝以及钢自身化学成分的影响，其在应用的过程中极为容易出现所谓的双金属腐蚀，不利于整个幕墙建设的安全性。所以为有效避免出现双金属腐蚀，还需要在设计阶段避免将两种材料直接接触。施工阶段严格按设计要求安装，，方能确保幕墙建设的安全性和可靠性；另一方面，目前在应用钢铝组合结构的时候，还缺乏必要的行业准则及操作规范，导致未形成统一的技术标准，这就使得对其进行技术改进难以得到有效保障。国家虽然也出台了部分政策法规，但是在配套措施方面明显不足，使得相应的操作体系和政策间还存在一定的差距，降低了监理管理力度，进而影响到整个工程项目的发展。

三、钢铝组合结构幕墙设计的应用策略

在建筑幕墙设计中，采用钢铝组合结构，能够充分发挥出钢、铝两种材料的优势，适宜用于层高较高、跨度较大且结构变化比较大的建筑物中。钢铝组合结构的做法主要有“铝穿钢”和“铝包钢”两种方式（如图1，图2），二者的受力特点以及工程应用存在较大的不同。以下就二者的具体应用进行探讨。

图1 “铝穿钢”立柱横剖节点 图2 “铝包钢”立柱横剖节点图

1.“铝穿钢”钢铝组合结构

“铝穿钢”钢铝组合结构主要是将钢芯穿入到铝型材的腔体中，使得钢和铝型材之间通过紧固件连接起来，共同承受荷载力，以满足安全以及挠度等要求。“铝穿钢”钢铝组合结构主要适用于建筑层高较高、跨度较大，且铝合金型材的强度和刚度无法满足需求的状况下。采用加入型钢内芯的做法来提高铝合金立柱的抗风压、地震以及自重等荷载的能力。“铝穿钢”在结构计算上通常采用刚度分配法，假定钢材与铝型材在承受荷载后，挠度相等，钢、铝型材沿轴向不产生相对位移；在立柱与横梁连接、立柱与主体连接的部位要做到钢、铝同时受力，钢、铝承担的荷載是与各自的刚度成正比。“铝穿钢”钢铝结合结构利用螺栓使钢、铝二者共同受力。立柱与主体结构连接采用对穿螺栓，在立柱跨度范围的多道横梁也采用对穿螺栓与立柱连接。合理地确定对穿的连接螺栓的规格和数量是铝合金型材内嵌钢套共同受力的可能和构造保证。“铝穿钢”钢铝结合结构为满足钢、铝同时承受荷载，设计中应把握三个技术要点：横梁、立柱龙骨的钢、铝部分应紧密结合；横梁应与立柱的钢材部分有效连接；立柱与主体结构连接的挂件、转接件、钢角码等，应与立柱的钢材部分有效连接。

2.“铝包钢”钢铝组合结构

“铝包钢”钢铝组合结构在设计力学计算模型中仅钢材承受荷载，铝型材只起到装饰作用，相对“铝穿钢”钢铝组合结构在构造上相对简单，只需要利用螺钉或螺栓等紧固件把钢铝结合的部分处理好，使得玻璃板块所受的面荷载能有效传递到横梁或立柱上，横梁所受荷载可直接传递给钢立柱，再由立柱转接件传递到预埋件及主体结构中。“铝包钢”钢铝组合结构通常是在结构变化大、具有特殊造型而普通的铝合金结构难以满足要求的情况下采用。“铝包钢”将立柱视为单纯靠钢型材受力的体系，施工时只需要保证钢结构杆件的可靠连接，即可保证立柱受力的合理有效。铝型材在设计上自由度大、灵活性强，铝型材仅起到面板连接、装饰作用。

总之，幕墙设计在现代建筑设计中已不再陌生，其已经广泛的应用于各类建筑工程中，并日渐受到设计人员的广泛青睐。在目前建筑结构朝向大跨度及大高度发展的时代背景下，建筑幕墙设计也应该顺应时代潮流，逐渐朝向大跨度及大高度的方向转变。同时为确保建筑幕墙功能的有效发挥以及整体结构性能的安全可靠性，建筑幕墙设计中应大力推行钢铝组合结构形式，不断优化建筑材料搭配，有效避免钢铝组合结构中存在的各种局限性，大胆创新，确保钢铝组合结构形式在建筑幕墙设计中发挥重要作用，同时推动建筑幕墙设计技术的进一步完善和发展。

参考文献：

[1]刘洪涛，刘春涛，刘祥众.浅谈幕墙结构的分类及特点[J].门窗，2010，08.

[2]陈华晋.建筑幕墙在我国的应用及存在的问题[J].中国建筑金属结构，2013，06.

[3]高树鹏.玻璃幕墙存在的安全隐患与解决途径[J].建筑安全，2015，06.