建筑幕墙的结构设计和优化措施探讨

杨 斌 建峰建设集团股份有限公司

1 前言

建筑幕墙具有色彩绚丽、外观时尚等特点，集建筑设计、艺术、环境等多个领域学科为一体。自从1851年伦敦世博水晶宫首次运用玻璃帷幕的手法开始，世界各国在建造大型建筑物时逐渐将其引入设计中，展现出各种不同的美学风格。我国也在改革开放后引入这一技术，国内建筑幕墙行业在近几十年来获得空前的发展。但由于建筑幕墙本身对结构设计上有较高的要求，而国内行业在设计、施工、材料质量、维护等方面尚存在一些不足，均可能会使建筑的整体效果达不到预期，甚至可能导致安全事故。因此，探索有效的优化措施，是建筑幕墙设计、建造中的首要任务。

2 建筑幕墙结构设计的内容

在我国建筑部门颁布的暂行《建筑幕墙工程设计专项资质分级标准》中，对具体的幕墙适用类型进行明确规定，指出了其适用范围为组合幕墙和采光顶部分，而在实际使用中，还包括门窗、遮阳，金属的墙面、屋面，玻璃屋面、隔断，以及各种装饰架构等。

在结构设计的具体内容中，主要包括设计方案、受力分析以及材料选择三大方面。

①幕墙的设计需要兼顾美观、实用和功能性，一般来说，主要有半隐式、全隐式、明框样式、干法隐框样式等，具体需根据其实际使用场合、建筑的功用、幕墙面板布置、整体风格等来决定，并以此为依据来确定主要负责支撑的结构、形式和边界条件。同时，还需考虑其综合荷载能力及具体功用，根据室内外实际情况，确定所需达到的艺术效果，选择相应材料，如想要获得较为开阔的视野，可选取点支式幕墙、桁架结构等，若只需常规分格，选取铝合金立柱即可，但如果处于跨度较大的情况，则应首选钢立柱，视结构可连接支撑点数来决定支梁为单跨或双跨等。总的来说，设计方案的目的在于确保幕墙的安全可靠和功能完善，以及整体的美观。

②成功的结构设计除了外观和功能，还必然有合理的受力和传力，这一点在建筑幕墙上也得到充分体现。只有对幕墙结构进行受力分析，保证受力的合理性，才能尽可能提高材料利用率，降低多余的损耗，并做到整体效果的美观大方。其受力影响因素主要包括重力、对风雪雨的荷载能力、温度张力等，即除了常规因素外，还需要将当地气候、自然灾害等因素考虑在内，预先判断上述因素可能导致的外形变化，通过设计中对材料弹性、平面变形、风压变形等方面的控制，对在之后使用中可能面临的受力变化进行调节，来促进结构的安全性。

③为实现设计方案的预期效果和对受力的调控，合理的材料选择是基础，这就需要对结构受力、功能、加工工艺、施工等方面有充分的了解。其中，材料的性能是决定性因素，需要根据其所具体使用的位置来进行选择，如幕墙和土建结构间的转接件，选用6061-T6铝型材料，有更好的承受力，还能降低经济成本，但在用量较大或加工工序较多的立柱上却不建议选择该型铝材。目前来说，市面上流行的多为石材、玻璃类、金属板、陶瓷等，均需根据材料的使用位置、功能、外观需要等进行选择。

3 建筑幕墙结构设计的原则

在幕墙设计的原则来看，主要是应该传达出建筑设计的理念，也就是要和建筑的整体设计保持一致性，而非过于突出自己的风格。作为室内向室外的过渡及整个建筑的保护外壳，幕墙首先是会被人第一眼所看到的建筑结构，应以服从于建筑整体设计、体现其风格和理念为首要任务，也可以说，幕墙设计的好坏，直接影响到人们对建筑的第一眼印象，也会影响到建筑设计的成败。因此，对于建筑整体风格的展现和理念的传递来说，幕墙有着极为重要的意义。

当前，可供选择的幕墙产品种类众多，需要设计者结合建筑风格进行认真挑选，以免应生搬硬套而影响到整体美感，应在保证安全性、实用性的基础上，体现出建筑的艺术性。此外，还需要服从相关法律法规的要求，以行业规范为准绳来制定设计和施工技术标准，详细分析在今后使用过程中可能面临的各种力学影响因素，对结构中各个部件受力进行精准计算，考虑使用要求和足够的强度、刚度，合理选择材料和设计方案，保证每个部件都有足够强度，及幕墙和主体结构间的相对位移能力，以最大限度地保证幕墙的安全性，并优化结构的经济指标，避免过度浪费。

4 当前建筑幕墙结构设计中存在问题分析

4.1 缺乏现代化的设计理念

从建筑设计的发展趋势来看，装配便捷、绿色环保、节能低耗、智能调节等，必然是未来人们的首选，在此基础上，外观的设计感、居住或工作的舒适，也会给人们带来更好的使用感受。但就目前而言，不少建筑幕墙在设计理念上仍沿袭传统模式，停留在保证建筑的强度基础上，材料选择中也没有充分的考虑绿色环保性，与建筑结构、功用、整体美观需求等不符，也难以满足人们越来越高的使用要求。

4.2 施工单位和设计人员因素

不少建筑施工时，存在主体和幕墙承担施工的单位不一致，相互之间缺乏沟通，较难做到统一管理，在施工技术标准上也都存在不一致的现象，使整个施工进度、结构设计、材料选择上都存在问题。设计人员个人资质、能力不足，也会导致其美学、设计能力不能体现出幕墙所应表现出来的艺术张力，不利于最后的整体效果。同时，若施工方和设计方之间缺乏良好的沟通，不能完全按照施工图纸和要求，擅自改动，也可能影响到幕墙最后的质量和美观。

4.3 缺乏突发情况稳定性设计

作为建筑的保护外壳，当出现突发状况时，幕墙会是首先被侵袭的结构，因此，近年来，行业开始越来越重视这个问题。虽然也出台了不少相关的安全标准和技术方面的行业规定，但在实际设计中，仍有不少建筑的幕墙结构并没有将自然灾害等因素考虑在内，导致建筑幕墙本身没有足够的稳定性，使得一旦出现突发的自然灾害，甚至仅仅在恶劣的自然气候下，幕墙即可能因过大的载荷而出现安全事故，引起人民生命、财产的损失。

4.4 缺乏功能性和经济性的综合考虑

除了安全、力学性能上的要求，现代建筑也对幕墙在功用上提出了更高要求。在幕墙的使用中，往往还承担了采光、保温等方面的功能，以及高度的安全性。但在实际工作中却发现，由于设计及施工技术上存在的缺陷，使幕墙功能未达预期，在采光、安全、节能等功能上并不能满足人们的实际需要，或者仅仅在某一方面基本达标，却不能兼顾其他方面的功能，甚至以牺牲其他功能为代价来满足某方面的功能标准，如一些材料建造的玻璃幕墙只保证了采光性，却缺乏足够的保温隔热性。

5 建筑幕墙结构设计的优化措施探讨

5.1 安全稳定性优化

既往对此类事故的调查中发现，脱落事件多发生于垂直幕墙，所以，设计时需着重在垂直幕墙的刚度和稳定性上下功夫，做到各结构关键节点连接的稳定可靠。特别是玻璃幕墙，需考虑到玻璃材料对稳度的承受能力，以免爆炸。设计节点时，还需要考虑到边界问题，应事先在边缘和镶嵌槽底板间预留好足够的间隙，以免玻璃在应力作用下出现破裂。在安全稳定性的设计中，主要应考虑到突发事件的情况，如对大型玻璃采光顶的消防设计，首选耐火极限高于0.25h的三级耐火级吊顶，对各类幕墙结构设计中均应兼顾防火、防坠物、防雷、防冰雹等要求。除此之外，抗震设计中，还需要保证有足够的镶嵌深度，并做好消防安全通道的布局，尤其是各连接点的设计优化。

5.2 开发和应用新的玻璃幕墙材料

传统材料有不少都存在一定弊端，比如重量较大，可能会因连接不当而出现脱落，自身强度不足，防爆性能较差等，这就要求在设计中寻找更多的新型材料，来改善幕墙的功能。如横梁和立柱部分，可以在保证其承载力的前提下，选择质量更好的材料；在幕墙表面覆盖有自清洁作用的涂层，使其在光照环境下即可发挥自清洁作用，或者镀上低辐射膜，提高幕墙的隔热、保温作用；以及运用热传导系数较低的中空幕墙等。多空腔节能玻璃有着较好的隔热、隔声、隔紫外线等功能，节能环保性较传统材料更佳。此外，在玻璃幕墙表面粘贴钛合金膜，可以提高玻璃材料本身的强度和韧性，增加幕墙的防震效果。

5.3 采光、保温等功能优化

在建筑幕墙的诸多功能中，除了本身的美观性，采光和保温功能是其中较为重要的内容，也是使其快速发展的主要原因之一。但在既往的使用中发现，两者之间有时会存在一定冲突，如注重采光效果却往往保温隔热效果不佳，而若过于考虑保温作用，可能在采光上就无法达到预期标准。所以，若能选择隔热断桥铝型材为框架，以及热传导系数不同的玻璃，以双层幕墙的方式加强密封设计，可比传统模式节省50%左右的能源。

5.4 经济性优化

设计中，除了考虑外观与建筑风格的一致性，获得整体上的美感，保护、采光、保温、防震等功能特性，还需要将其经济性也纳入设计原则中，应在尽可能满足设计需要的基础上，降低成本，以保证整体的经济效益。一般来说，为降低幕墙自身重量，不少设计者都会选择轻质材料。但由于多数材料会存在强度与厚度成正比的情况，在选择轻质材料时必然需额外增加局部的筋肋和折边工艺。所以，需将上述内容也算入成本中，综合考虑设计方案，以尽可能减少因设计不合理而增加的消耗。玻璃幕墙需注意监控硅酮结构胶的质量，框格幕墙则应严格计算横梁、立柱的承载力，以更简单实用的方式来实现功能性和经济性的平衡。

6 结束语

总之，随着建筑行业的发展，幕墙的形式会越来越多。设计者们需要结合建筑本身的风格和功能来完善对幕墙的设计，并应将设计、加工、施工等各环节相结合，尽可能做到安全、节能、美观、舒适，推动我国幕墙行业的发展。