建筑幕墙设计要点分析及技术方法优化探讨

谷文龙

中宏汇达（北京）建筑工程有限公司 北京 102399

引言

建筑幕墙是建筑的外围护结构或装饰性结构，主要由结构框架与镶嵌板材组成，无须承担主体结构的载荷与作用。建筑幕墙从1851年英国伦敦国际展览馆—“水晶宫”为开端历经170余年发展，应用范围主要从车站、展览馆等建筑扩展到如今的各类标志性建筑、普通宾馆、写字楼及高层超高层建筑。 中国的建筑幕墙起步于1978年的北京长城饭店，虽然起步较晚，但经过多年的发展，截至目前，中国建筑幕墙的年产量和已存量两方面均列世界第一位[1]，每年有大量幕墙工程涌入市场，幕墙设计发展潜力巨大。

施工工艺与幕墙材料的不断更新，要求幕墙设计在技术性、安全性、功能性及经济性等多方面入手，不断更新设计理念，以满足不同用户的个性化需求。

本项目通过综合应用有限元计算、犀牛建模及安装过程的演示动画等多项技术方法，从建筑整体效果表现、幕墙设计节点深化、指导现场施工全过程入手，对工程安全性、功能性及美观性等方面进行优化，提高了设计、施工质量，实现了项目预期效果。

1 建筑幕墙设计要点

1.1 整体设计要点

在设计过程中，设计者不仅要了解不同幕墙材料的应用条件，还应全面考察施工现场的整体情况，确保幕墙设计符合施工技术的设计和使用要求。同时，在材料强度等方面应根据实际情况留出空间，提高整体施工的便捷性。

1.2 结构设计要点

幕墙是现代建筑的重要组成部分，虽然无须承担主体结构的载荷与作用，但结构设计仍然是幕墙设计的重中之重。设计人员应立足于不同幕墙结构刚性特征，考虑幕墙结构在长期荷载及雪荷载、风荷载等短期荷载作用下所受到的影响，保证结构关键节点的连接稳定性和可靠性。

1.3 细节设计要点

作为整体建筑的外围维护结构，建筑幕墙的防水、防火性能尤为重要。设计过程中，设计人员要加强防水线的连续性及防火分区的隔离性。在保证安全的前提下，还应充分考虑节能环保因素，以减少能耗和污染为出发点，以科学的理念为指导，有效增强建筑的舒适性和美观性。

2 建筑幕墙设计中的常见问题分析

建筑幕墙安全问题层出不穷，本文主要分析由于设计原因造成的连接件失效、幕墙渗漏及幕墙防火三大类建筑幕墙安全问题。

2.1 连接件失效

出现连接件失效，主要是由于主体结构施工招标与幕墙施工招标时间无法统一，致使主体结构施工时只能大致依靠幕墙分格来进行预埋，无法精确定位预埋件位置，导致预埋件位置偏差问题[2]。另外设计过程中图纸简单，不能精准设计埋设位置，对预埋件结构力学的计算检验和复核能力欠缺[3]。

2.2 建筑幕墙渗漏

建筑幕墙渗漏往往是造成其他安全事件的间接诱因。建筑幕墙发生渗漏后，易造成结构胶老化、支撑结构锈蚀等问题[4]。在设计阶段，对开启扇节点的设计不够合理，在开启扇的上端未设披水板，设置玻璃高度过低等均会导致幕墙渗漏[3]。

2.3 建筑幕墙防火

在设计阶段，未按照规范要求进行防火设计，在幕墙与楼板之间、幕墙与防火墙之间没有留足够间隙来做防火封堵[4]。起火时，浓烟经过缝隙向上扩散，导致串烟引火，从而加剧了火势的蔓延[4]。

3 技术优化

为确保建筑幕墙设计得以达到预期效果，在项目设计、建造以及运营全周期的管理过程中，避免出现由于设计原因造成的连接件失效、幕墙渗漏及幕墙防火三大类建筑幕墙安全问题，工程设计人员应积极掌握应用新技术新方法方法，对建筑幕墙设计流程的不断优化提升。随着信息技术的高速发展，设计方式也应逐渐形成从传统二维设计到三维设计的革命性转变。例如，将设计图纸从传统的二维模式替换为三维建模形式，克服二维方式在表达方式方面，由于存在抽象性与信息量有限的缺点，有效避免出现大量信息分散在其他资料的情况。利用三维建模技术自身可视化、虚拟化的功能特点，不仅可以提高设计审查效率以及优化设计质量，而且可实现对项目设计、施工以及运营全周期管理，保证建筑幕墙设计预期效果。

4 技术优化案例分析

4.1 项目概况

某项目建筑主体采用装配式钢结构，幕墙系统单元板块较大，多数板面宽度为2000～3000mm，板面高度为4000～5000mm。本项目难点在于寻求一种高性能的外立面材料，能满足建筑超大分格需求，比如规格2500mm×5000mm，并完美解决异型拼接问题。

4.2 设计优化要点

本文主要从单元板块设计优化与单元板块安装的数字化应用入手进行优化设计。

4.2.1 单元板块设计优化。为满足建筑超大分格需求并完美解决异型拼接问题，本项目初步确定采用新型的UHPC单元板块系统，该主要由UHPC面板、背负钢制框架、钢制挂件组合而成。UHPC面板在设计过程中，依据材料性能及项目所在地气候特性，通过有限元计算分析及加工厂配合试验，历经多次优化调整。

前期板厚暂定为60mm，连接件直接与UHPC浇筑为一个整体，这样做的优点在于材料类型较少、工序简单，但弊端却很明显。板块整体自重大、成本造价高、运输困难、对连接件强度要求高，施工难度大。经过多次电脑模拟和试件试验后，最终板材厚度优化为30mm，为减小挠度变形量，板块后方设置背负钢制框架并通过植钉方式浇筑为整体结构。

通过优化UHPC单元板厚度，板块自重减少了近一半，施工安全、成本造价、运输安装等多方面得到大幅度改善。

图1 UHPC墙板主应力云图

图2 方钢框架主应力云图

4.2.2 UHPC单元板块安装的数字化应用。在本项目设计阶段，为更顺利的进行设计工作，我们以施工图为依据，结合现场实测数据对整体幕墙的UHPC板块做了犀牛建模及安装过程的演示动画。在进行全过程虚拟建造中，提前发现潜在的设计问题与施工问题。以实际数据为基础的数据化模型可以精确、直观地表现出每块板材的尺寸、角度和造型。在设计下单过程中可以直接提取数据，保证面板下单准确率，大大缩短下料时间；在施工过程中，通过动画演示，让施工人员更好地掌握安装流程，模型中每块板块的定位坐标都可提取，提高安装效率。

图3 UHPC单元板块数字化模型

5 结束语

本项目在实际设计过程中，通过有限元计算分析及加工厂配合试验，多次优化调整将自重减少了近一半，施工安全、成本造价、运输安装等多方面得到大幅度改善；以施工图为依据，结合现场实测数据对整体幕墙的UHPC板块做了犀牛建模，保证面板下单准确率，大大缩短下料时间；BIM安装动画施工模拟演示，在现场施工过程中起到很好的指导作用。

本项目通过综合应用有限元计算、犀牛建模及安装过程的演示动画等多项技术方法，从安全性、功能性及美观性等方面进行优化，提高了设计、施工质量，实现了项目预期效果。