一种新型穿孔铝板建筑外装饰结构

李峰

摘    要：本文简要介绍一种新型穿孔铝板建筑外装饰结构，它依据南通开发区文体中心项目实际情况而设计，其表皮及龙骨均参与受力，融建筑幕墙、泛光照明为一体，对大尺寸外装饰穿孔铝板装饰结构设计有一定的指导意义。

关键词：羽毛状穿孔铝板;表皮参与受力;大尺寸

1  前言

建筑本身位于南通开发区能达商务区核心景观北侧地块，建筑性质为文化建筑，3类民用建筑，设计使用年限为50年。建筑高度为23.5m（从室外地坪到屋面结构层），地上建筑共五层。建筑定位为公共文体活动中心，功能包括区级文化馆、图书馆、档案馆、青少年活动中心。

建筑位置及功能定位使得建筑设计采用了大尺寸的构件，且装饰线条柱要做到一个层间一根，面材不允许在楼层内断开。由于建筑设计有“白鹤晾翅”的寓意，所以装饰线条柱表面为羽毛状镂空铝板。外装饰线条柱与建筑整体呼应，简洁、大气。

2  设计方案

呼应建筑设计有“白鹤晾翅”的寓意，镂空铝板花纹为不规则羽毛状。且装饰线条柱本身有一部分遮阳作用，建筑部分窗开在装饰线条柱背后，利用镂空装饰线条通风。装饰线条柱宽度有400mm，最远点距离玻璃表面为600mm，最大跨层为5100mm。

装饰线条柱不仅仅是装饰构件，同时也起到遮阳、自然通风作用为绿色建筑评级需求。且不规则羽毛状镂空铝板装饰线条柱，其本身并不是一个三棱柱;它由顶底两个有有相对旋转角度的三角形、及连接这两个三角形的线构成。

为了便于加工生产，保证加工质量，不规则羽毛状穿孔铝板应用激光雕刻技术，并尽可能简化羽毛花纹，使得羽毛花纹为一个区域图像的复制。铝板装饰柱表面展开后面积不超常规铝板尺寸，可由一块1500mm宽[×]6000mm长的市场常规铝板加工而成。

为满足装饰线条表面无紧固件，将穿孔铝板作为面板自支撑体系来设计，其再连接到建筑幕墙表面的钢架上。所有铝板的的紧固钉锚固在钢架上，羽毛状穿孔铝板不规则装饰柱与钢架在工厂整体加工完，再运输到现场，进行吊装，完成安装。

3  羽毛状镂空铝板装饰柱计算

3.1  带装饰条的幕墙龙骨校核

3.1.1  计算说明

本部分计算的是带竖向穿孔铝板玻璃幕墙，分为一个装饰条支撑在一个立柱及两个立柱上的两种情况。穿孔铝板无中间支撑，通过转接件与背部钢架连接，背部钢架通过三排竖向连接件将竖向自重传至立柱，通过两排水平连接件将侧向风荷载传至横梁，单柱情况下由横梁承受转接件扭矩，双柱情况由立柱承担。

本节校核的龙骨包括立柱、及钢构件，玻璃面板荷载按双向板规则传递至各龙骨，装饰条荷载简化为线荷载和力偶作用在钢架上。横梁及立柱转接件采用6063-T6型材，采用刚度等效原则简化为矩形截面，立柱及钢龙骨之间上下插接，模型中采用束缚，约束水平位移，采用有限元计算软件sap2000 V15进行建模计算.

3.1.2  荷载计算

（1）计算说明。玻璃幕墙面板承受水平风压，竖向装饰条及外凸石材承受侧向荷载。

（2）正向荷载。荷载标准值：

Wk=1.36kN/m2

组合设计值：

W=2.10kN/m2

侧向荷载： 荷载标准值：

qck=1.91kN/m

3.1.3  材料属性及其截面参数

结构中的幕墙立柱与横梁采用6063-T6鋁合金开模，外装饰线条采用Q235B钢材做面板支撑。根据线条所在不同部位，分为单双立柱。材料参数为：

铝型材强度设计值：150N/mm2，铝型材弹性模量：

E=0.70×105 N/mm2

塑性发展系数：γ=1.0

Q235B钢材冷弯型材强度设计值：fs=205N/mm2，冷弯型材塑性发展系数：γ=1.0，热轧型材强度设计值：fs=215N/mm2，冷弯型材塑性发展系数：γ=1.05型材弹性模量：E=0.70×105N/mm2

3.1.4  玻璃幕墙龙骨校核

荷载组合及各种玻璃幕墙中最不利情况下对玻璃幕墙龙骨进行校核。

（1）单立柱。

[①]强度校核。荷载组合及各种玻璃幕墙中最不利情况下：

抗弯强度校核：

校核依据：

按DGJ 08-56—2012《建筑幕墙工程技术规范》第12.5.2条

立柱抗弯强度符合规范要求。

[②]刚度校核。

按DGJ 08-56—2012《建筑幕墙工程技术规范》第12.5.5条

因此，立柱刚度符合规范要求。

（2）双立柱。

[①]强度校核。荷载组合及各种玻璃幕墙中最不利情况下，立柱内力图如下：

抗弯强度校核：

校核依据：

按DGJ 08-56—2012《建筑幕墙工程技术规范》第12.5.2条

立柱抗弯强度符合规范要求。

[②]刚度校核。

校核依据： df≤df，lim=[B180]且不大于30mm。

按DGJ 08-56—2012《建筑幕墙工程技术规范》第12.5.5条

立柱刚度符合规范要求。

3.1.5  装饰条钢龙骨构件校核

采用软件校核，杆件最大应力比[Φ]=0.743，故钢架强度满足设计要求。

各杆件变形绝对值如下：

钢架刚度满足设计要求。

3.2  穿孔铝板计算

（1）计算说明。本节计算的的面板采用4mm厚折弯穿孔铝板，折角内部采用铝型材加强，仅顶底及背部与钢龙骨连续机制钉连接，不加肋，整个装饰条由一块铝板通过折边形成四面锥体。取高度5100mm进行验算，采用有限元軟件ANSYS14.5进行计算分析。

（2）铝板面板强度校核。装饰条整体承受2.0体形系数的侧向风荷载组合。

①校核依据：

按《建筑幕墙工程技术规范》DGJ 08-56—2012表3.2.9

②荷载计算。风荷载标准值：

设计组合值：

③铝板面板强度校核。铝板面板应力云图。

σmax：铝板面板产生的最大应力：

因此，铝板面板强度符合规范要求。

（3）铝板面板刚度校核。校核依据：

①铝板面板刚度校核。

df：铝板面板产生的最大挠度：

因此，铝板面板挠度符合规范要求。

4  与泛光照明的结合

在设计上采取灯具与穿孔铝板装饰构件柱在工厂内一体化制作安装，形成整体，从工厂运输装饰饰构件柱到现场，再吊装到建筑外立面。穿孔铝板装饰构件在顶底预留接头，泛光照明专业仅需完上下两个装饰构件预留接头的对接即可。

因灯具的使用寿命多为3年5年，幕墙顶部封修预留顶部可拆卸面板。幕墙顶封修分为前后两部分，后半部分为幕墙完成自身防水、保温、气密性等性质所必须的构造，前半部分为灯具更换构造。幕墙顶封修前半部分由4块铝板组成，铝板拼接处为小扣条。

灯具更换时，先拆掉小扣条，再去处4块铝板，用钢丝绳吊着工具，从羽毛状穿孔铝板顶部向下放线。待灯具到了对应位置，用长柄螺丝刀从穿孔处固定即可完成灯具更换。

5  结束语

根据项目自身情况，结合建筑需求，并根据材料特性做出结构优化， 南通开发区公共文体中心的羽毛状镂空铝板装饰柱在保证安全的前提下，满足了建筑设计的要求，体现了建筑设计的理念，并结合泛光照明实现建筑外立面与泛光照明一体化。

本次羽毛状镂空铝板装饰柱不仅在结构形式上做出了创新，并实现了多土建专业的协同设计，节省了造价并节约了项目建造时间。同时，也是一次材料科学、建筑美学、结构力学、工程建造等多学科的一次有效探索。本次的新型羽毛状镂空铝板装饰柱也为可持续优化设计、多学科综合提供一种新思考。

参考文献：

[1] DGJ 08-56-2012.建筑幕墙工程技术规范[S].

[2] GB 20429—2007.铝合金结构设计规范[S].

[3] GB/T 21086—2007.建筑幕墙[S].

[4] JGJ 133—2001.金属与石材幕墙工程技术规范[S].

[5] GB 50017—2003.钢结构设计规范[S].