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摘要：工程设计成本的控制是技术和经济的结合，用科学的方法进行系统分析，达到经济的最优化。
关键词：力学模型、构造、系统、优化
目前幕墙行业的竞争日趋白热化，市场竞争的加剧，客观上要求企业不断地提升自身的综合实力。其中通过技术设计降低工程成本是提升企业综合实力重要的途径之一。随着行业标准的日益规范，技术手段的不断进步，优化和精细设计的会越来越有了保证。
通过技术设计降低工程成本的一直都有着巨大的潜力。降低工程材料成本，涉及到诸多方面。本篇将着重从以下几个方面加以阐述。
一、力学模型的优化
选择不同的力学模型，对结构的计算会产生较大的差异，通常我们在计算幕墙龙骨时，按简支梁进行计算，其强度计算和挠度计算公式如下。
这类计算公式在初步设计中用起来方便快捷，但往往偏于保守，因此在深化设计中，尽可能采用连续梁加以计算。如某工程，层高4米，横向分格1400mm，如果按简支梁计算，立柱要采用120x60x4的钢方管挠度才能满足要求，如按连续梁计算100x60x4方管就能满足要求。如果再进一步考虑采用80x60x4的钢管，通过优化力学模型有没有可能呢？连续梁的力学模型计算中，挠度最大值发生在第一跨，如果在结构上能设置一个支撑点，就可以有效减小挠度，经过多次对比计算，在第一跨设置一个支撑点，采用80x60x4的钢管就可以满足要求。通过以上的实例可以看出，优化力学模型，可以明显降低材耗。
在采用连续梁的计算中，有两个细节也会影响计算结果：一是伸缩缝的位置设置，不同的位置（每跨悬挑的长度）对连续梁计算结果影响较大，这可以通过有限元来优化计算；二是荷载的取值，用连续梁计算分析时，我们一般按最大标高计取风荷载，但实际首跨的风荷载比顶层风荷载小，而计算挠度又相对较大，因此当计算挠度只是较小超标时，可以在连续梁模型中给不同的层间按照实际标高施加不同的荷载，其计算的结果会更接近实际。例如按四跨连续梁计算为例，结构起始层（标高为20米)风荷载标准值为1.06KN/M2，顶层标高为26米的风荷载的标准值为1.279 KN/M2，风荷载的值大小相差20.6%，可见计算结果会产生较大的差异。
另外在剪力墙部位，通过增加支点可以大幅度的减小型材的截面积，一方面点位的增加将导致埋件、连接件和安装的费用增加，另一方面型材重量的减少，费用减少，这样可以通过不同力学模型的比较，优化出最佳的增加支点的数量。
一些特殊部位可以建立特殊的力学模型，如支撑点考虑为固支。如，某程首层层高为6米，横向分格为1300mm，且和二层以上没有连接关系。在反复比较计算中，龙骨的挠度计算仍然不能达到要求，钢材截面偏大。如果把下端支撑点设置为固支，上端设为简支，则挠度的计算结果相差2.4倍，具体的计算公式见下表：
采用钢铝结合的龙骨，其中钢材可以直接和埋件焊接在一起，按照固支计算力学模型是合理的。
为了减少开模数量，降低费用，我们经常使用以前工程的模具，但以前工程的模具并不完全适合新的工程。比如某项目的二期工程，一层的玻璃幕墙形式上是普通的断热冷桥幕墙，但建筑立面分格却较大，竖向尺寸为5米，横向分格为2.1米，直接使用以前的模具，型材的强度和挠度都达不到要求，而重新开模具费用又太高，特别是幕墙面积也不大，开模更不经济。为了解决这一矛盾，可以采用钢铝结合的幕墙形式，在进行力学计算时同时考虑铝材和钢材的受力，并考虑变形协调条件，即可计算出铝材和钢材的强度和变形，其力学计算式如下：
仅采用以前的模具计算时，强度或变形超出许用值，而采用钢铝结合则可以满足要求。
横向型材的受力计算与竖向型材受力有相同的地方，也有差异。横向材料要考虑两个方向的受力，优化横向型材的力学模型同样有利于降低材耗。比如某改造工程，横向跨度为1500mm,竖向高度为4000mm，采用的是10+12A+10的中空玻璃，如果按均布荷载承受重力，龙骨的变形不能满足要求，按下列力学模型计算重力荷载，可以使型材满足受力要求。
上述力学模型中，选取适当的玻璃垫块位置（尺寸B’）可以减小型材的变形和弯矩。而按常规选取B’=B/4则在重力方向引起的变形和弯矩过大。施工中则根据B’的数值来设置玻璃垫块的位置。风荷载和地震荷载作用于横向型材，也应根据实际情况分别考虑荷载梯形分布、三角形分布、集中荷载的作用，而简单地按均布荷载作用计算则比较保守。
在选择力学模型时，不得不提一下开模设计时，应对截面进行优化设计，矩形截面力学特性如下：
根据矩形的截面特性公式，设计中应注意两点：一是选择合理的截面高度和宽度，在保证截面的厚度满足规范要求的前提下，尽可能增加截面的高度，且上下两端的壁厚大于或等于两侧的壁厚；二是截面的质心位于高度中间位置。
一般来说，力学模型越是合理优化，计算上越是复杂，同时要求我们力学概念越清晰。在力学计算中我们除了使用现有的力学软件，有时还需要自己编制简单的程序，来减轻烦琐和大量的计算工作量。总之，力学模型合理优化可以明显达到降低材耗的作用。
二、构造的优化
幕墙是通过一定的构造形式来实现的，幕墙的构造首要的是实现幕墙的性能（抗风、防水、保温、抗震、并满足建筑美观、满足建筑使用年限等要求）。而构造的合理与否又直接决定工程的成本，因此优化构造设计是幕墙设计中的一项重要工作。作好构造的设计，需要我们积累大量的素材，并对各种构造的设计透彻理解，并能灵活地加以运用。在构造设计方面遵循以下几个基本规律：
一、构造的安全性必须保证。不管构造如何新颖，必须保证安全，只有结构安全才能经得起时间的考验。保证构造的安全，首先要从规范着手，设计时必须以规范为依据，特别是规范的强制性条文，更应该遵守；其次，设计的基本原理和方法是科学的。比如防水采用等压原理会更有效、采用一些可调节的连接方式更有利于适应结构和加工误差等等。
二、构造必须具有系统性。单一强调一点而不及其余一定不会是一个好的构造。某工程，是一个以三角形分格组成的球体铝板幕墙，投标中业主要求外幕墙、保温、内饰面一体施工，因此在设计中必须通盘考虑，如果按常规的龙骨、托盘和连接件固定，内饰面在三角形的拼角处不好处理。为此经过多方案对比和技术创新，采用了以下构造（见下页图片），使得幕墙、保温、内饰面有机地结合在一起，而且连接钢材用量比连接件方管连接的方式降低了不少，施工安装也很方便，既节省了材料费，又减少了人工费。
系统性设计是全方位的，既有考虑功能的要求，又考虑有良好的加工工艺和安装工艺性能，只有整体的优化，才能保证成本的降低。
三、设计中应讲求实效。理论和实践中证明是好的构造，在设计中应该积极采纳，而一些似是而非的概念，则不应轻易在工程上应用。讲求实效，就是要简单实用，因此在设计中，要善于使用“减法”，多研究在保证构造功能的前提下，减掉多余的部分。
三、立面分格的优化
立面分格多数情况下是设计院提供的，但是设计院主要是从建筑美学的角度出发，而忽视了材料和规范的一些特殊要求。因此对立面的优化是大有作为的。从成本上讲，分格的大小，直接影响材料的利用率，而不同的材料规格在价格上又有很大的差异，因此立面装饰分格的优化既是美学的范畴，也是关乎工程造价，通过多方案的比对是完全可以找到平衡点。
综上所述，通过设计降低成本是一项复杂而有意义的工作，建筑幕墙设计阶段对成本的控制起决定性的作用。把技术与经济融为一体，在设计中既保证幕墙实用美观，又做到控制降低成本，是施工企业适应市场的关键。对成本的控制并不等于一味的降低成本，忽视使用功能和安全性，而是依靠设计人员的综合素质，依靠技术和经济的紧密结合，通过“成本不变－功能提高、功能不变－成本降低”的途径，设计出更合理的幕墙产品。
参考文献：
[1]《玻璃模墙工程技术规范》JGJ102-2003
[2]《建筑结构静力学计算手册》
[3]《钢结构设计与计算》
[4]《金属与石材幕墙工程技术规范应用手册》
[5]《建筑幕墙产品系列标准应用实施指南》
论文作者:蔡卫勇
论文发表刊物:《城镇建设》2019年第07期
论文发表时间:2019/6/28
标签：力学论文; 荷载论文; 幕墙论文; 挠度论文; 模型论文; 截面论文; 工程论文; 《城镇建设》2019年第07期论文;