上海富艺幕墙工程有限公司 201604
摘要：建筑幕墙结构在建筑工程施工中占据重要地位，其施工质量很大程度的影响着建筑工程质量及后期使用安全。所以有必要做好建筑幕墙结构优化设计，解决现存问题，加强建筑幕墙的实用性。本文就对建筑幕墙结构设计及优化措施展开分析探讨，以供借鉴。
关键词：建筑幕墙;结构设计；优化措施；
建筑幕墙是建筑外观结构，除能增强建筑美观性外，还对建筑起到一定的保护作用。所以在设计中，要对该结构实行科学规划和处理，促使其功能的发挥。不过从目前情况分析，建筑幕墙结构设计仍存在较多问题，这就需要设计人员做好优化调整，保证建筑幕墙质量。本文将结合工程案例，对建筑幕墙结构优化设计展开分析探讨。
1建筑幕墙的分类及特点
全面了解建筑幕墙的分类标准以及各类幕墙的结构特点，是优化建筑幕墙设计的必要前提。本文主要围绕单元式幕墙和全玻璃式幕墙两种幕墙形式展开系统探究，具体内容如下所述。
1.1单元式幕墙
单元式幕墙既是一种极具代表性的建筑幕墙结构形式，又是建筑行业普遍运用的外墙结构形式。单元式幕墙拥有极高的推广应用价值和发展潜力。通常来说，单元式幕墙都是预制加工和批量生产的。通过集中化、批量化、标准化的预制加工，采用一系列先进生产技术，确保幕墙结构达到国家质量标准与行业质量标准。由于流水线加工生产效率较高，受到业内人士的高度推崇。
单元式幕墙具有生产加工进度快、施工周期短，投资成本低廉的优势特点，整个加工生产流程都在流水线上完成，可以实现集中化、批量化与标准化生产，帮助建筑企业节省大量的时间成本、人力成本和资金成本，实现经济效益最大化。此外，单元式幕墙以密封结构替代密封胶材料对墙板进行连接，不仅减少了密封材料损耗量，也有效避免了外界环境变化的不利影响[1]。由此，单元式幕墙具有密封性、抗风化能力与耐腐蚀能力强等优势特点，符合国家倡导的可持续发展理念的基本要求。
1.2全玻璃式幕墙
全玻璃式幕墙是一种由型钢骨架、玻璃面板与连接构件共同组成的外围护强结构形式。全玻璃式幕墙可以提升室内空间环境的视野开阔性与采光效果。与此同时，全玻璃式幕墙的使用，也可以增强整体建筑的美观性。由此可知，全玻璃式幕墙不仅可以起到建筑外围保护作用，还可以进一步增强整体建筑物的美观效果。全玻璃式幕墙所用的玻璃面板体量轻便，施工操作简便，而且，投入使用过程中便于清洁。总而言之，与传统建筑外围护结构形式相比，全玻璃式幕墙在实用性、耐久性与美观性等方面体现出一定的优势。
2建筑幕墙结构设计原则
在建筑幕墙结构设计时，设计人员既要充分考量幕墙的结构特点、使用功能与美观效果，又要重点考虑整体建筑物的装饰装修风格特征。建筑幕墙结构的设计原则如下所述。
2.1保证设计的稳定性
建筑幕墙作为建筑的第一层保护结构，与外界接触较为频繁，且很容易受到外力影响出现各种问题。为延长建筑幕墙的使用寿命，在设计过程中，除要考虑美观性外，还需对其稳定性加以把控。设计人员要对可能出现的突发状况展开分析探讨，给出合理的解决措施，完善设计内容，以加强建筑幕墙的抵抗能力，保障建筑幕墙后期使用的稳定性。
2.2做到综合考量和分析
建筑幕墙结构设计，需要从美观性和承重能力两方面加以综合考量，既要注重建筑幕墙美观性，提高建筑外观质量和观赏价值，还需在设计过程中，考虑幕墙结构的可操作性，在确保幕墙结构质量的同时，尽可能降低资金成本消耗，优化幕墙功能，优化建筑质量。
2.3确保功能性与安全性
尽管建筑幕墙在投入使用过程中不需要承担建筑结构荷载作用力，但需要承担一定强度的外围护结构荷载作用力。可以说，建筑幕墙的承力可靠性与稳定性，决定了整体建筑结构的安全稳定性。为此，在建筑幕墙设计时，设计人员要重点考量功能性、安全性与美观性[2]。尤为关键的是，设计人员不能单纯注重视觉美观效果，而忽略幕墙结构的承力稳定性。
3.建筑幕墙结构设计要点
3.1选定设计方案
设计人员要结合艺术造型、使用功能与整体设计效果对建筑幕墙结构所需的型钢支撑骨架、玻璃面板及连接构件加以合理选择。按照结构形式差异，可将建筑幕墙结构划分为全隐式幕墙、半隐式幕墙、明框幕墙和干法隐框幕墙等类型。按照构成材料差异，可将建筑幕墙划分为玻璃幕墙、石板幕墙与金属幕墙等类型。近年来，随着太阳能的大力开发和利用，光伏电板幕墙的运用也越来越普遍。设计人员要结合室内外的环境特点，对建筑幕墙结构形式实行合理选择。在所有材质的幕墙结构中，由于铝合金幕墙的自体重量较小，耐用性突出，故而适用范围较广。针对跨度较大的工程项目，出于对硬度条件的考量，以钢立柱为主，进一步加强室内空间环境的视野开阔性，或者也可采用支点幕墙结构形式。
3.2结构受力分析
尽管幕墙结构不需要承受建筑结构产生的荷载作用力，但是，要承受温度应力荷载、风力荷载与自体重量荷载。对于冬季降雪量较大的北方地区来说，还应考量积雪荷载。针对幕墙结构实行荷载力试验检测，明确荷载力极限值，使幕墙结构的承载负荷能力达到标准要求。此外，设计人员还需考虑幕墙材料的弹性形变量与塑性形变量，使幕墙结构在外部环境条件变化的影响下。也能够保持结构完整性与性能稳定性。
3.3合理选择材料
目前，较为常见的幕墙结构包括石板幕墙、陶瓷幕墙、玻璃幕墙和金属幕墙。若想使幕墙结构的使用功能、质量安全与美观效果达到预期要求，必须合理选择幕墙材料。例如，广州图书馆的石材幕墙、中航紫金广场的玻璃幕墙、佛山怡丰城的铝板幕墙以及太仓市图书馆的金属幕墙等，都是建筑幕墙结构的典型工程案例。
3.4外观设计
建筑幕墙结构的外观设计要在保证结构体系完整性与使用功能完善性的基础上，确保幕墙结构与外部环境的协调平衡性，提升整体幕墙结构外观美观性。
3.5受力设计原则
图1 固定支座可三维调节的连接件
建筑幕墙结构作为整个建筑外围结构中不承力的结构，在实际设计时，可以排除结构传力路径的影响。但是，要重点考量幕墙的自体重量和风力荷载。与此同时，还要充分考虑地质环境变化与自然环境变化对玻璃幕墙水平位移、热胀冷缩效应及不规则形变的影响。建筑幕墙使用的连接构件，既要起到支承玻璃面板的作用，又应增强幕墙与梁、柱的连接稳定性。可以说，受力均衡性与安全可靠性是建筑幕墙结构设计的关键要点。
4.基于具体项目的建筑幕墙结构设计及优化措施分析
4.1项目简介
以厦门市重点会展场馆建筑幕墙结构设计为例。该项目被作为金鸡百花奖电影节的典礼主会场。场馆位于会展路198号，周边交通便利。工程占地47万平方米，与法海和金门岛遥遥相望。本项目由于规模较大，故将其划分为四期工程进行。前三期工程已经完成34.6万平方米的建设，目前开展的工程项目为第四期主题展馆建设。本文就对四期工程中，幕墙结构设计展开分析探讨。该工程内包含的幕墙结构以玻璃、石材、铝单板、铝板雨棚、外立面装饰、穿孔铝板三重檐口为主，设计内容较多，需加以重视。
4.2工程项目疑难点
该工程玻璃幕墙的层间跨度较大，超过常规跨度限定标准，在一定程度上增大了工程设计、预制加工与现场施工难度；该工程采用三重檐屋檐结构形式，采用铝制面板，且铝制面板的穿孔率较高。由于工程项目毗邻大海，风力荷载较大，对铝制幕墙结构的抗风力荷载能力提出了一定的要求。该工程项目作为市级重点工程项目，对设计艺术性与美观性也提出了较高的要求；仿木纹铝型格栅的艺术造型难度与玻璃幕墙安装难度较大，使得有限的施工工期更加紧张。
4.3设计中的问题
1）设计理念落后
建筑幕墙在我国已经有较长一段时间的发展，但至今为止，专业领域对于建筑幕墙的设计，仍处于较为落后的局面，这就导致在设计工作开展中，建筑幕墙结构规划出现不合理情况，再加上设计人员重视度不足，幕墙结构设计合理性有所下降，在实际作业中存在诸多问题，阻碍了幕墙性能的发挥，降低了建筑外观的美观性。
2）建筑施工与幕墙施工间关联性不高
建筑工程作业中，幕墙结构施工与建筑施工之间存在矛盾和冲突性，因为两方沟通交流上的不科学、不及时，很多工作内容并未加以科学调整，导致幕墙施工时，与原施工作业产生冲突，影响了施工质量，甚至导致前期施工被否决，需重新规划和处理，进而延长工期，带来较大的资金、资源的损耗。为此，设计人员要做到科学把控，提高沟通交流效率，完善设计内容[3]。
3）设计能力不高
建筑幕墙结构设计中，对设计人员专业能力要求较高，如果设计人员专业能力无法达到规定要求，在设计中也无法实现全面管控，设计内容会存在一些偏差，降低设计质量。同时在设计过程中需结合建筑实际需求，设计幕墙结构，根本不能根据工程实际情况考虑幕墙的设计要求，使得最终设计不符合预期，不能反映幕墙的美感。
4.4优化设计
1）安全优化
幕墙结构安全优化设计应考虑到荷载负荷和整体安全性能这两方面内容，在保证结构可靠性的基础上，实现细节处理和优化，提高安全等级。设计中，设计人员要考虑到采光顶消防设计的合理性，如果是选用玻璃材质设置采光顶，需确保其耐火等级在三级以上，并能够持续抵抗0.25小时以上的火灾侵袭。另外，根据建筑所在区域特点，对幕墙的防雷、防坠落、防恶劣天气等性能加以优化，减少外界环境对建筑幕墙结构的影响，确保建筑的安全性。在优化设计中，幕墙的安全防护应根据自身特点进行科学规划，提高建筑质量。
2）载荷优化
载荷优化是非常必要的。设计人员需要参照建筑要求对幕墙结构形式及材料予以综合考量，确保建成幕墙结构的载荷在安全规范范围内，减少危险的发生。在载荷优化设计中，还要考虑到外界环境变化特征，对风力实行准确把控，并随着建筑高度增加，提高风力荷载抵抗能力，规避危险事故。一般情况下，会采取加筋和折边连接的方式实现。
3）功能优化
对建筑幕墙采光保温功能展开优化设计时，应在保证工程美观性和安全性的基础上，优化幕墙的采光保温性能，收集和利用热能，降低能源损耗。值得注意的是，在设计过程中保温与隔热功能的实现可能会存在冲突性。如在使用玻璃幕墙时可以保证其采光性，但保温隔热的效果就会变差。这时需选择不同传热系数的玻璃，对密封方式加以优化，必要时可以采用双层幕墙，不仅可以加强幕墙的功能性，还更加节能环保。
4）经济性优化
经济性优化是在改进结构质量的同时，对其经济性加以把控，减低成本消耗。经济性优化设计中，设计人员要对荷载及结构尺寸进行明确掌控，根据这些参数对结构形式实行优化调整。在最终方案确定上可采取对比分析方式，选择最为合适的安全方案，达到经济性控制目标[4]。
4.5疑难问题解决方案
首先，本项目玻璃幕墙的跨度较大，最大位置达到11米左右，再加上所处区域临海，经常会受到台风等恶劣天气的影响，如果使用传统的铝合金龙骨，很难保证幕墙结构安全性，增加危险系数。所以在优化设计中，设计人员先要做好力学计算，对幕墙承担荷载实行详细了解，之后选择合理材料设置幕墙结构。按照本项目特点，可采用铝包钢的方式开展幕墙施工，结构内部受力构件尺寸控制在100*300*12，结构外侧利用氟碳喷涂铝合金型材进行包裹，以提高幕墙耐久性和安全性。
其次，三重檐穿孔铝板最高位置在建筑35米位置上，承受的风力荷载相对较大，长时间处于该环境下，结构会存在变形问题。所以在优化设计中，板块中间可添加劲肋。由于穿孔板内外侧均外露，常规U型加劲肋会影响外观效果，因此改用6毫米厚，高度42毫米的扁铝加劲肋，按照间距不大于0.5米的布置要求，在穿孔板背衬有效焊接，以抵御穿孔板的抗风变形，不影响外观效果。而檐口周边弧面穿孔板需要按照图纸设计内容构建模型，在模型内完成分析探讨，对该区域结构尺寸加以调整和优化。
最后，在幕墙外侧铝合金安装时，如果采用传统焊接工艺，会存在时间消耗较长的问题，拖慢工期进度。所以经过讨论和研究，最终采用不同造型的铝型材拼装组合的形式，将花格栅提炼出标准的单元板块样式，通过不同截面的铝材机械组装固定成标准的单元板块，每个单元板块现场再安装到每个立面的幕墙外侧连接件上，这样不仅施工方便，还能保证工期，灵活拆卸更换。
4.6本人负责具体事项
施工图纸审核及结构计算与校核；图纸交底；根据现存影响因素给出专业建议和意见，完善方案内容；材料加工图的编制和审核；清单编制；设计变更处理；绩效成果总结。按照优化设计要求，最终工程建设取得良好效果，受到领导的高度认可。
5.结语
总之，设计人员在日后的幕墙结构优化设计中，应做到多方面的分析和考量，从安全、载荷、功能、经济性等方面展开幕墙设计优化工作，以此保障建筑整体的安全性，提高工程的建设价值。
参考文献：
[1]王曙芬.建筑幕墙结构设计及优化措施探讨[J].河南建材,2019(06):261-262.
[2]唐雅芳,韩烨,王骅,刘雄.建筑幕墙风险因子分类及技术类风险浅析[J].建设监理.2020(06)
[3]蔡金栋.建筑幕墙结构设计与优化探究[J].建筑与预算,2020,No.294(10):94-96.
[4]颜子聪.浅谈建筑幕墙结构设计要点与优化策略[J].中国室内装饰装修天地,2019,000(001):171.
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本次测试还模拟了罕遇地震环境，在此环境下除了对比非隔震结构与隔震结构的位移角以外，还考虑了隔震结构中是否使用阻尼器对其抗震效果的影响，测试结果如表3所示。
表3中，与非隔震结构建筑各个楼层间的位移角相比，采用隔震结构建设的建筑位移角更小，其数值大约是非隔震结构位移角数值的1/4，随着楼层的增加位移角发生小幅度的增加。自第9层以后，位移角随着楼层的增加出现小幅度减小变化趋势。当隔震结构中添加阻尼器时，位移角变得更小。由此看来，隔震加阻尼器结构，对改善高层建筑抗震性能的帮助最大。
结束语
高层建筑抗震性能的提升是建筑行业发展期间需要解决的重要问题之一，本研究采用剪力墙结构为项目的结构类型，运用隔震方法进行设计，合理布置建筑结构，设计隔震结构各参数数值。模拟测试结果表明，本文提出的隔震结构建设方案各楼层剪力明显下降，可以有效应对多遇地震。因为罕遇地震烈度较大，所以在隔震结构中添加了粘滞阻尼器，测试中发现该装置的添加改善了建筑结构抗震性能。
参考文献
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[3]赵雪飞，卢小玉．浅谈建筑结构设计中“隔震减震控制技术”的应用和发展趋势［J］．建材与装饰，2019，15(2):133－134．