建筑幕墻結構設計與優化探究

王俊彪 旭輝集團股份有限公司

1 前言

為了增強城市的美感，確保建筑的不同特點，幕墻的應用和發展起著重要的作用。根據建筑幕墻在結構、材料、受力等方面，展開相應的設計方法。建筑幕墻作為一個完整的結構體系，其主體具有一定的獨立性，不承擔相應的荷載，它由面板和支承結構組成，具有一定的抗震、隔熱和氣密性，為了延長其使用壽命，保證使用的穩定性，本文圍繞幕墻結構設計展開分析研究。

2 建筑幕墻結構設計的要點

2.1 構件式幕墻的結構設計

結構幕墻是一種新型的結構形式，有隱框、半隱框、明框等多種形式。需在工廠開展設計和制造，并將其運送到工地進行裝配。在構件型幕墻的設計中應充分重視整體，使其與主體建筑有機地融合，并注重各個工藝環節的高效銜接，從而確保在使用過程中構件的穩定。

首先，設計師要開展幕墻結構的設計，獲得有關技術指標和數據，并詳細說明工程項目的高度、龍骨截面積等，選取明框式、半隱式等建筑結構，以決定構件數量、規格等。

在開展結構的設計過程中，還要注意安裝與維修，確保按實際工程的要求予以合理的安裝。分析建筑物的桿件和預制件的布置條件，在預埋件的設計中，應確保錨筋、螺紋鋼等部件均符合相關規范要求，并按工程要求進行。

2.2 單元式幕墻的結構設計

在單元式幕墻中，它的作用是將外墻的面材、構件支承體系和金屬裝飾線作為一個整體，并結合掛件位置、玻璃、金屬分格等各方面因素，決定了柱子和孔的位置，并采用工藝和焊接的方式，構成了一體化龍骨體系。在完成接頭處理和接收工作后，要將接頭和柱子之間的連接用不銹鋼螺栓固定，然后再通過移動吊車和電吊車實現整個吊裝；安裝完畢后，幕墻接頭應該用螺釘固定。

在安裝時，本體預制和接頭必須采用焊接或螺絲固定，以實現構件的連接。二樓的上部和下部采用公、母相結合作為主體，在各單元的裝配和檢驗通過后，即可實施整體裝配，從而實現整體式玻璃幕墻的施工。在施工項目中，板塊調節是單體幕墻施工的關鍵環節，它在單體幕墻的施工中占有舉足輕重的地位。在調整單元板底不貫通的橫向構件（見圖1）時，施工人員應理解并把握板塊的基本原理，板塊的整理工作應該遵循“橫平豎直”的調整原則。

圖1 單元板塊底部非通長橫梁示意圖

單元式幕墻具有其獨特的特點，具體包括以下幾點。

（1）節約能源和環境保護。采用單元式幕墻具有節約能源、環境友好等優點，可降低現場施工噪聲，實現防雨水滲漏，并具有防風等作用。

（2）使用方便。不管是裝配還是安裝，都很簡單，可以在大樓里完成，降低了起重機和大型腳手架的使用率。

（3）具有很高的工業水平。無論是單體幕墻的設計與制造，還是選用材質與構造，抑或是經營及維修單位，都需要在廠房內完成；而且，這些廠房都是專業化的，可以保證每一個生產過程的品質，同時也可以對其嚴格管理，如此，玻璃幕墻在工程上達到很高的工業水平。

2.3 全玻璃幕墻的結構設計

玻璃幕墻是一種以玻璃加強筋與玻璃片構成的建筑系統。在實際工程中，能夠確保玻璃幕墻的整體和透氣性，在一些辦公樓、商業櫥窗中都被大量使用。通過將其分割為幾個部分，使其達到充分的透光度，同時減小了墻體的豎向和橫向間距，從而增強了景觀的觀感。

首先，在玻璃結構的結構設計中，幕墻設計師必須對玻璃面板展開結構設計，明確玻璃的類型、受力體系，從抗震級別和周圍的環境條件出發，對玻璃的表面結構、強度和防污性進行研究。按照不同的特性，合理使用玻璃板材，并從其力學性能、密封性能和材料性能等方面加以分析，并開展工藝設計。

另外，在整體玻璃幕墻的設計中，還必須考慮到其材料、工作原理、密封條件等方面問題，如采用鋼、鋁合金等材料，可以增加其承載力，并將其運用于工程實踐中，確保整個幕墻的安全性和穩定性。

3 建筑幕墻結構設計優化的具體措施

為進一步優化建筑幕墻結構設計效果，不斷優化設計質量，針對建筑幕墻結構設計特點，分別從結構材料、結構計算方法、結構設計方法和設計人員等角度探討優化思路。

3.1 結構材料的優化

首先，支撐體系以鋼材為主。在開展結構設計時，要明確其主要的物理特性，確定其密度、膨脹系數等技術指標的變動幅度，以保證其強度設計、標準值和限制值，并對鋼的焊接工藝也進行了最優設計，規范其厚度、焊條類型等?？辜魪姸?、抗拉強度等指標均滿足設計規范的要求。

另外玻璃是幕墻中最常用的一種材料。員工必須具備鋼化玻璃、鍍膜玻璃和膠質玻璃的綜合知識，并能根據其重量、應力和性能作出合理的選用。通過專家厘清其強度的界限，以確保其在幕墻結構中的合理使用。

3.2 結構計算設計的優化

首先，在對建筑物面板進行分析時，針對不同的結構形式和面板分析板受載荷時的受力情況，從線性和非線性等不同的方面加以分析，以確保結構的均衡，進而求出板的應力等，并進行相關的計算。另外，還要開展幕墻的支承系統的設計。結合施工現場，分別展開橫向和縱向載荷的分析，并采用影響效果因子進行計算。在此基礎上，建立相關的數學建模，以確保計算中的邏輯聯系。

3.3 結構設計方法的優化

首先，有必要對BIM技術開展工程設計。BIM技術是一種三維可視性技術，它可以與各種計算機軟件的功能相融合，為工程的開發工作搭建一個合適的平臺，從而達到信息交換和分享的目的。結合工程場地條件，對其進行優化。此外，利用機器學習、神經網絡等智能技術對數據進行有效的處理，實現對各種數據的快速運算，以確保精度。

3.4 設計人員的優化

在進行幕墻結構的優化時，應強化工程設計者的整體素質和能力，使其具備一定的技術與實際工作經歷，同時，在工程施工之前，必須開展系統性訓練，以加強設計師的完整性。只有經過相應的考核，方可進行施工幕墻的施工，確保施工工作的有條不紊，并能對施工中的問題及時加以解決。

4 實例分析

4.1 工程概況

某建筑幕墻工程項目，幕墻系統有以下幾種：100系統單元式玻璃幕墻、200系統框架式玻璃幕墻系統、300系統豎明橫隱框架式幕墻系統、800系統金屬網吊頂系統。

4.2 整體設計理念

整體結構龐大，內部結構錯綜復雜。從設計到施工，再到完工和使用，環環相扣。因此，在這種情況下，必須建立起一套方法合理、系統完備、組織高效的結構系統，并在各個環節之間進行高效的協同與協作。

從設計之初，設計師就系統地整理了所需設計問題，采用創新的設計思想，將設計目標、技術標準、技術難點等問題整合到整體技術架構中，以BIM技術為基礎的數字管理和控制體系，形成整體的系統化、一體化的設計思路。從工程的整體規劃到建設，保證工程的品質和工期。

4.3 建筑表皮設計技術

該建筑外墻是一套綜合了主動與無源技術的智能化幕墻體系。寫字樓室外使用了兩種通風復合遮陽幕，集圍護、觀景、遮陽于一體，節能智能集成肌膚體系。單片幕墻是一種將幕墻結構、遮陽系統和通風系統整合為一個工廠型的結構體系，并在現場進行裝配。100系統的外墻采用了內、外兩種玻璃結構的內通風型雙層幕墻。在此過程中，還設有感知光、熱、照度等外界環境。能夠根據外界環境的不同，自主地打開或關掉智能的遮光裝置，調整辦公環境中的光、熱環境，營造出舒適的辦公環境。

4.4 外幕墻設計體系

中庭空間的外側幕墻是由大型吊頂與支承組合而成，最大限度地分割出最大面積的玻璃窗和最大的透明幕墻，確保了整個幕墻的透明，與室內的空間模數和室外的大面積的都市空間形成一致。300號幕墻系統窗戶的玻璃板為雙層空心特級鋼結構，該系統主受力龍骨采用350mm×80mm×12mm鍍鋅鋼立柱，深暖灰色（Q235B，氟碳噴涂），橫向設有不銹鋼鋼索（高釩索Φ12mm），鋼索與鋼立柱之間通過定制鎖具（V形鋼索夾扣和索夾扣套筒）固定，鋼索張拉完成后擰緊鎖具不銹鋼螺釘，以保證幕墻結構體系側向穩定性。

在垂直鋼龍骨架的前部，安裝了10mm厚度的碳纖維板，用于承受垂直地震時的重力，以及在垂直方向受力的情況下，玻璃與玻璃板之間的連接部，使用了耐候膠，確保其密封性。

4.5 吊頂設計體系

創新的室內和室外天花板使用了干式金屬張力網片。張力網上的花紋方向各不相同，一邊是鱗片，一邊是平整的，從四面八方都能看到不同的畫面。

4.6 玻璃幕墻設計的主要技術措施

由于該工程中的幕墻體系占據了工程的絕大部分，因此為了進一步提升設計的有效性，打造精細化的管理方案，本項目采用BIM技術，將BIM技術應用到項目中，以提高其施工效率和項目的質量。BIM技術最大的優點就是可進行3D可視化轉換，能夠檢測出施工期間有無撞擊現象，進而對項目展開更好的規劃，降低在施工中出現的差錯和返工的概率，并顯著降低施工過程中的風險。

4.6.1 落實設計思路的優化

一般來說，在施工中，玻璃幕墻的制作周期較長，在最初的設計階段，要經過多次的修改和調整，方能達到后期的使用要求。但使用傳統的手工修正和調節方法，不僅效果不佳，而且還很難控制細節?；诮ㄖO計的高效性，運用BIM技術建立可視化的系統，使設計者可更好地展示出具體的建筑材料選擇、分析相關節點、確認螺栓型號等，使原本的設計方案更為精確，從而為后續的幕墻工程建設打下堅實的理論依據。

4.6.2 實現設計方案的優化

在以往的建筑系統中，工程的計劃和修改必須與建筑設計部門共同努力，并根據工程的具體施工條件，對工程的各種細節加以論證，并綜合考慮其功能、投資價值和外觀美感。通過BIM技術進行立體建模，使設計者和施工人員能更好地理解目前存在的問題和解決問題的狀況；同時展開相應的改進，既方便了招標文件的編制，又為幕墻工程的后續安裝提供了高效的保證。

4.6.3 優化幕墻設計工作，提升綜合性能

BIM技術在幕墻設計中的運用，既可優化工程前期和后期的各方面，又可以利用6D建模評價整體的性能，從而提高整體的設計效果。BIM模型不僅能顯示出單位幕墻部分的具體情況，還能進行撞擊探測，并依據設計結果做出相應的修改，大大降低了以后工程建設中出現的問題；減少了不必要的調試和施工。

在這一基礎上，運用6D建模方法，分析了幕墻工程的整體表現，具體包括：分析、探究幕墻的抗風性；仿真測試幕墻的地震性能；仿真幕墻施工后室內的通風狀況；檢查幕墻工程的設計結果是否符合有關標準；實施多種性能檢測，確保幕墻的整體經濟效益最優。

5 結束語

綜上所述，隨著我國經濟的高效發展，為了進一步推動城市化的發展，建設一個高質量的建筑業管理體系和設計體系已成為關注的焦點。在建筑幕墻的結構設計中，對于單元幕墻、構件幕墻和全玻璃幕墻等不同的結構體系，相關人員需具體研究幕墻的設計要點，了解設計中存在的問題，包括計算等，以便找到結構設計優化的主要思路。其中，BIM技術能有效提高建筑玻璃幕墻施工的科學性和合理性，三維模型和6D模型可準確檢測建筑幕墻本身的功能和細節，同時提高其綜合效益，延長幕墻的使用壽命。