建筑幕墙钢结构装饰设计要点及其技术应用研究

吴和坤 单宏伟 赵 举 宋首宪 谢志威

现阶段，钢结构在建筑布置得到了灵活应用，且以其为基础的新型墙体对于提升建筑的节能性、环保性及安全舒适性具有积极的促进作用[1]。在城市不断发展的背景下，存在大量旧建筑，并针对该类建筑存在的问题，可以对其进行拆除处理[2]，借助钢结构建筑的高回收利用率及可持续性的属性特征，上述问题也均可以得到不同程度的解决[3]。但值得注意，以钢结构幕墙为基础的建筑虽然在诸多方面均表现出了其显著的优点，但是也存在整体性和抗震性相对较低的问题，特别是作为建筑结构的重要组成部分（幕墙）时[4]，如何通过合理的连接方式建立幕墙钢结构与主体结构之间的一体化关系，成为了建筑幕墙钢结构装饰设计阶段面临的重点和难点[5]。为此，本文提出建筑幕墙钢结构装饰设计要点及其技术应用研究。

1 建筑幕墙钢结构装饰设计

1.1 建筑幕墙刚性构件结构设计

建筑幕墙的刚性构件是指具有较高刚度和抗变形能力的结构构件，在幕墙系统中起着支撑、连接和稳定作用。具体设计方式如图1 所示。

图1 建筑幕墙刚性构件结构（来源：作者自绘）

在具体的设计过程中需要注意，幕墙支承构件[6]承受水平荷载的方式大多以简支或连续的梁式受弯方式进行，而对应竖向荷载，其主要是以轴拉或轴压的方式承受。针对这一属性特征，本文在对该部分构件进行设计时，按拉弯或压弯构件进行。

拉弯和压弯构件形式如图2 所示。拉弯和压弯构件在建筑幕墙系统中扮演着重要的角色，不仅支持和传递荷载，还能够实现幕墙的整体结构性能和功能要求。根据具体的设计要求和施工情况，要合理选择和使用拉弯和压弯构件，并确保其材料、尺寸和连接方式的可靠性和适应性。

图2 拉弯和压弯构件形式（来源：作者自绘）

1.1.1 拉弯构件

拉弯构件主要承受拉力以及柱向荷载，并将这些力传递给幕墙的其他部分。常见的拉弯构件有螺杆、牵引杆、悬挂杆等。拉弯构件通过端头连接或固定接头连接到结构体系，经过拉伸形变，对幕墙系统进行拉伸支撑，同时还能够抵抗外部的风力和重力荷载。

1.1.2 压弯构件

压弯构件主要承受压力以及梁向荷载，并将这些力传递给幕墙的其他部分[7-8]。常见的压弯构件有铝合金型材、钢制型材等。压弯构件通过连接件连接到结构体系，并通过受压形变来对幕墙系统进行压缩支撑，以满足幕墙整体的稳定性和刚度要求。

图2 中，e通常为应力状态中轴向力作用点与截面几何形心之间的距离；N为作用在构件上的垂直于构件轴线的力，可以是压缩力（负值）或拉伸力（正值），对构件的承载能力和稳定性有重要影响；M为作用在构件上的使其发生弯曲的力矩，通常因外部载荷的施加产生。弯矩会导致构件发生弯曲应变，要考虑构件的截面形状和材料特性来进行弯曲承载能力的计算。

通过这样的方式，最大限度保障幕墙支承结构的刚度能够满足建筑的抗震性能要求，对应的整体变形也能稳定在相对较小的水平。在对立柱和横梁进行设计时，本文为二者建立了正交关系，使其组成实腹构件框式结构，这样做的目的是使建筑在视觉上具有更加轻巧通透的特点，最大限度体现幕墙的应用效果。

1.2 建筑幕墙柔性构件结构设计

本文以单层索网为研究对象―装饰性的幕墙构件，常用于建筑外立面的装饰和遮阳等功能[9]。它由一组水平和垂直方向的钢索组成，通过连接节点形成网格状结构。单层索网实际图如图3 所示。

图3 单层索网实际图（来源：作者自摄）

单层索网采用轻型材料（如不锈钢或高强度钢丝绳）制成，具有较高的强度和刚度，同时重量相对较轻[10]。其网格结构呈现出透明性，可在保证室内采光的同时提供外界的视觉连接。单层索网采用一定的网孔间距和索杆的排布方式，通过节点的连接形成一个整体的网状结构。水平方向的钢索分别负责承受水平荷载和自重，垂直方向的钢索则对抗竖向荷载。这种结构能实现相对自由的形状和曲线。单层索网有较高的透光性和通透性，允许室内外的光线和空气交流。其轻质化的特点使安装和维护变得更加简便和经济高效。此外，单层索网还有一定的自洁性能，能减少污染物的附着。

与其他类型的柔性构件相比，单层索网对于支撑体系所占用空间的要求实现了最大限度减少，同时对于增强整幅幕墙的通透感也有极为重要的促进作用。在具体的设计过程中，从拉索应力刚度的角度出发，结合单层索网施工环境的实际工况，为其施加了预拉力，具体的设置标准为在预拉力的作用下，单层索网体系在各种荷载作用下不出现松弛情况，通过这样的方式，使钢索材料的强度优势能得到最大限度的利用。对于单层索网，竖向索承担主要负责承担由玻璃自重带来的荷载。对于水平风荷载，本文利用水平索非线性几何大变形进行抵消，使预应力轴力刚度能在水平风荷载的作用下保持稳定。其中，在对单层索网平面外变形程度进行设置时，将幕墙支承结构跨度的1/60 ～1/40 作为其限值。对单层索网立面尺寸的设置（一般以25 m×40 m 为宜），可降低水平向和竖向不锈钢索直径，节点间距应控制在22 ～25 mm 区间范围内即可。

2 应用测试分析

2.1 工程概况

在测试过程中，本文以某实际建筑的幕墙钢结构为基础开展了对比测试。钢结构施工材料性能参数如表1所示，表中的性能指标包括钢梁翼缘屈服应力、钢管柱屈服应力、钢梁翼缘弹性模量、钢管柱弹性模量、钢梁腹板屈服应力、轴心抗压强度、钢梁腹板弹性模量、轴心弹性模量，结合这些指标设计人员可以选择合适的钢材和构件尺寸，确保幕墙钢结构具有足够的强度和稳定性，同时满足对刚度和变形控制的要求。 从柱高、柱截面、梁长、梁截面、墙板尺寸、垫板设置、轴压比等方面确定了三榀幕墙钢框架结构参数，通过确定这些结构参数，可以实现结构的安全稳定、经济高效、功能满足和符合规范等目标，以得到优化的幕墙钢框架结构设计方案。三榀幕墙钢框架结构的具体尺寸要求如表2 所示。

表1 钢结构施工材料性能参数

表2 三榀幕墙钢框架结构参数

2.2 测试结果与分析

在上述基础上，将正向BIM 技术、双曲面穿孔技术以及本文技术作为实验对比技术，通过分析幕墙钢框架的屈服点、极限点、破坏点等位移和荷载参数，并对不同技术的建筑幕墙钢结构抗震性能进行了深入分析，得到的数据信息如表3 所示。

表3 不同技术下建筑幕墙钢结构抗震性能统计表

在正向建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM） 设 计 方法的测试结果中，虽然幕墙钢框架在屈服点、极限点以及破坏点的荷载强度处于相对较高的水平，分别达到了130.0、140.0 及160 kN 以上，但是对应的位移相对较大，分别达到了80、90 及110 mm 以上，MQG002 的抗震性能最优，但是屈服点的位移也达到了65 mm 以上，极限点的位移达到了77 mm 以上，破坏点的位移达到了100 mm 以上。在双曲面穿孔设计方法的测试结果中，幕墙钢框架在屈服点、极限点以及破坏点的位移与正向BIM设计方法相比明显下降，分别在80、92 以及115 mm 以内，但是荷载强度相对偏低，其中，MQG002 屈服点、极限点以及破坏点的荷载强度分别为192.21、202.65 及222.01 kN，与正向BIM 设计方法相比降低了13.05 kN。相比之下，在本文设计方法的测试结果中，三榀幕墙钢框架结构的抗震性能表现出了较为明显的优势，其中，幕墙钢框架在屈服点、极限点以及破坏点的荷载强度分别达到了140、150及170 kN 以上，对应的位移分别稳定在75、87 及110 mm 以内，与对照组的测试方法相比，稳定性明显提升。

3 结语

以建筑钢结构式幕墙抗震性能为核心对设计进行深入研究与分析具有极其重要的现实意义。本文提出建筑幕墙钢结构装饰设计要点及其技术研究，通过对幕墙钢结构进行合理设计以期提高建筑幕墙的稳定性与抗震性。通过实验测试证明，本文技术应用下三榀幕墙钢框架结构的屈服点、极限点及破坏点的荷载强度较高，位移较短，说明该技术应用下的三榀幕墙钢框架结构稳定性较高。希望借助本文设计的建筑幕墙钢结构装饰构建方法，能为实际建筑中幕墙钢结构的应用和施工提供参考，助力幕墙钢结构能够在更大范围内得到有效应用。