卢建华
华东建筑设计研究院有限公司华东建筑设计研究总院，上海 200002
摘要：幕墙作为建筑施工项目的基础内容，在设计期间选用科学的受力模型，并保障相应的荷载与组合可以增强幕墙结构的承受能力，且可以充分展现所用材料的力学性能。本文在研究上海虹桥商务区核心区（一期）8号地块D23街坊项目设计施工建设情况的基础上，基于其实际幕墙设计内容和要求，分析结构计算的实现。
关键词：幕墙；建筑施工；结构；荷载；材料；力学性能
0引言：建筑幕墙属于一种全新且独立的围护结构，其在建筑施工中具有独特的应用优势，同时也需要施工人员根据以往工作经验处理实践设计与操作难题。本文根据上海虹桥商务区核心区（一期）施工项目内容，对其所提出的幕墙设计及其结构计算进行深入探讨，而后通过对比最终结果明确幕墙设计的独特性和有效性。
1.工程介绍
本文概述案例地处上海虹桥核心区商务区的最南边，地块的东边是申贵路，南边是建虹路，西边临近申长路，北边临近甬虹路。整体建筑施工项目规划建设的最终目的在于综合展现商业、娱乐以及酒店、办公等功能，并在选择材料和施工方案时严格遵守低碳环保与绿色节能的理念，将其打造成了后世博最佳实践区，在实践应用中具有极强的示范性和复制性。如下图1所示，其为本项目工程3号楼倒锥体玻璃幕墙提出的幕墙设计内容样式图，为项目中最复杂一块的设计和结构计算内容之一：
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图1 大样图
2.选取计算模型
2.1单跨梁
选用这种计算模型能在计算抗风压的过程中，逐步优化立柱的计算步骤，并得到简支梁计算简图。假设立柱是选用连接件作为支座所构建单跨梁，那么就需要选用这种方法来进行计算分析。根据《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ102-2003和《上海市建筑幕墙工程技术标准》DG/TJ08-56-2019可知，承受轴力与弯矩作用的立柱，在计算承载水平时，要符合N/An+M/YWn<f这一公式要求。如果此时单跨梁的跨中弯矩最大可以达到0.13ql2（q为垂直于面板的面荷载，l为支点之间的距离），那么跨中剪力将为0；而支座剪力最大数值达到0.5ql的情况下，支座弯矩也将为0。换句话说，弯矩控制截面不存在剪力，且剪力控制截面没有弯矩。由此可知，在实际计算时只需要按照弯矩效应和剪力效应对抗风压进行计算。
运用这种模型进行分析，立柱将在简化后成为楼层上的简支梁，并且利用层高来计算跨度。这种简化过程也直接展现了立柱的受力情况，且计算操作也非常简单。但从实践应用角度来看，这种模型与实际受力是有区别的，最终得到的结果并不经济和安全，因此经常用于处理初步选取立柱及其截面大小，抑或是估算材料所需大小。
2.2双跨梁
双跨梁为在楼板边梁区域上下设计两个支座，且上边的第一个支座具有固定性，相邻的第二个支座要改成滑动性。如果两者之间的距离是0.125L（L为立柱的长度），且立柱悬挂在主体结构的上面，下面则需要让插芯和下层立柱彼此相连，以此构成第三个支座。此时，双跨梁弯矩的最大数值为是0.08ql2（q为垂直于面板的面荷载，l为支点之间的距离），而支座剪力的最大数值是0.73ql，前者相比简支梁降低了大约38.5%，而后者相比，简支梁提高了46%。对比分析可知，在各项条件基本一致的情况下，立柱设计属于拉弯构件时，可以明显看到双跨梁模型相比简支梁模型更能控制立柱材料的消耗，但也会增加转接件或埋件的数量，由此可见并不是所有项目的幕墙立柱都要选用这种模型进行计算。按照实际理论研究和项目累积经验分析，选用双跨梁计算模型要符合两种情况：一方面幕墙的跨度过大且风格宽度较宽；另一方面幕墙立柱的短跨跨度和长跨跨度的比值超过或等于0.1。
2.3多跨铰接梁
在计算过程中，建立模型得到的结果与实际情况非常接近。通过保障所有楼板边缘区域都要设置一个支座，且假设立柱和支座向上悬挑段的长度是0.125 L（L为立柱的长度），而后运用插芯和上层立柱彼此相连，以此形成铰连接[1]。在这一过程中，立柱水平活动会受到限制，但竖向依旧可以自由调节并不断重复，最终构成多跨铰接连续静定梁。多跨铰接梁弯矩的最大数值是0.07ql2（q为垂直于面板的面荷载，l为支点之间的距离），而支座剪力的最大数字是0.50ql。相比简支梁发现，弯矩的最大数值下降了大约46.2%，但剪力相差不大；与双跨梁相比可知，弯矩没有过多变化，但剪力的最大数值下降了大约31.5%。
结合对比分析结果探讨发现，在各项条件基本一致的背景下，在立柱设计属于拉弯构件时，可以发现这种计算模型要比简支梁模型更加有效，不仅能减少资源损耗，而且非常符合实际受力需求，因此这类模型主要运用在高层或超高层建筑设计中。
3.荷载的选取与组合
如下图2所示，其为本概述案例幕墙设计的节点图：
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图2 节点图
这项工作必须要从保障整体结构设计的安全性入手，同时也是减少资源消耗和成本支出的基础内容。按照现有《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ102-2003和《上海市建筑幕墙工程技术标准》DG/TJ08-56-2019提出的要求分析，本文概述项目的幕墙设计风荷载标准数值需要按照标准进行计算，且不能低于1.0KN/m2。而地震作用的取值也要根据上述规范要求进行计算分析。
在明确荷载组合效应时，本文概述案例的幕墙设计主要考虑两种极限受力状态，并按照承载水平和正常应用两种极限状态进行组合优化，而后选择对应数据进行设计分析，按照多跨铰接梁分析和设计计算。
4.对幕墙设计及其结构计算的深入了解
4.1预埋件锚筋的长度
现如今很多幕墙设计都存在问题，出现这一现象的主要原因在于整体设计方案和构造措施没有运用正确且合理的方案。由于在幕墙设计期间，设计和施工人员必须要严格遵守项目施工提出的各项规范和技术要求，所以在保证所选材料和技术方案科学性的同时，还要做好施工现场的安全管理工作[2]。尤其是对预埋件锚筋而言，这一内容的长度需要根据相关技术规范内容进行明确和优化。如果过于机械化的采用，会产生不必要的资源损耗，因此在实践施工设计期间，设计人员要对《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ102-2003、《上海市建筑幕墙工程技术标准》DG/TJ08-56-2019和《GB50010-2010》混凝土结构设计规范（2015年版）内容进行简单了解和认识：在计算过程中，如果合理运用锚筋的抗拉强度，再对锚筋的长度进行计算。而设计具有抗震性的幕墙时，钢筋锚固长度需要按照规范计算数值的1.1倍设计采用。另外，在锚筋拉应力设计数值低于钢筋抗拉强度设计数值fy的情况下，其锚固的长度可以适当的进行调整，但不能比15倍的锚固直径小。结合这些规范内容分析：第一，混凝土结构梁作为幕墙施工预埋件连接的重要依据，施工前期会设计多种截面尺寸宽度，如200毫米、250毫米以及300毫米。结合上述理论分析，就算按照60%la应用，依旧无法满足需求；第二，假设按照锚筋的抗应力设计数值低于钢筋抗拉强度设计数值fy，那么就要取1.5倍的锚固直径，虽然可以满足锚固尺寸需求，但钢筋锚固长度并不能保障达到规范设计要求，需采取贴焊锚筋的机械锚固措施。
4.2幕墙立柱受拉杆
这一内容也需要结合《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ102-2003和《上海市建筑幕墙工程技术标准》DG/TJ08-56-2019进行全面思考，并对相应的幕墙立柱设计进行明确规范。一般来讲，最佳的立柱设计就是拉弯构件，且运用上端悬挂的方式进行处理。一方面，在立柱设计属于拉弯构件的情况下，设计人员要在达到构造要求的基础上，只分析整体承载水平与挠度限制；另一方面，在立柱设计属于压弯构件的情况下，必须要达到截面宽厚比的规定，且弯矩作用方向的平稳性和长细比都不能超过150。除此之外，在达到承载水平和挠度要求的基础上，要通过对比上述两种不同类型立柱的横截面，并进行合理分析和选择[3]。由此证明，立柱拉弯构件设计对幕墙施工而言至关重要。
结语
综上所述，结合本文概述施工项目案例分析可知，幕墙设计必须要保障工作人员具有全局意识，注重从整体角度入手，对幕墙结构和所选材料的进行科学研究和全面掌控。同时，要将结构计算看作幕墙设计的基础依据，在实践设计施工时必须要做好这一工作。另外，还要根据现场施工情况，科学考虑设计内容的经济性、安全性以及合理性的内容，并注重提出具有针对性的处理对策和管理方案，还要根据不同岗位员工全面落实预期提出的职责要求，只有这样才能从基础上保证建筑幕墙设计质量安全。
参考文献
[1] 吕静品. 幕墙设计中结构计算的实现和理解[J]. 中国建筑装饰装修, 2020, No.209(05):85-87.
[2] 梁宏琨. 建筑幕墙设计中节能技术的应用[J]. 工程技术研究, 2020, 005(007):P.208-209.
[3] 陈宁. 建筑幕墙结构设计及优化措施探讨[J]. 建筑与装饰, 2020, 000(001):P.8-8.