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摘要：进入21世纪，玻璃幕墙设计方式已经成为现代建筑设计人员经常使用的建筑形式，玻璃幕墙作为一种美观新颖的墙体装饰办法，是现代主义高层建筑时代的明显特点。使用玻璃幕墙作为外围护构造愈来愈普遍，而且变成一种大家乐于接受的方式。但幕墙构造的设计不像陈旧结构专业那样，有非常多成熟的资料可参考学习，因此不免发生这样或那样的疏漏。所以，本文依据笔者从事幕墙设计几年的工作经验，关键对建筑中的玻璃幕墙设计实施分析，仅供同行参考。
关键词：幕墙设计；主体结构；抗震设计；方法；研究
一、分析玻璃幕墙的结构特征
从构造上分析，一般而言建筑的幕墙通常由两部分构成：（1）支撑构造系统；（2）面板。这样的设计能够对主体构造产生一定的位移，同时建筑的外围护构造与装饰性构造则不参与到分担主体构造所受作用力层面上。尤其值得一说的是，玻璃幕墙中面板的材料是玻璃。玻璃幕墙这样才算组成了。而支撑材料能够有下面的选择：（1）铝材；（2）钢材；（3）不锈钢材。而玻璃通常使用夹层玻璃或者是钢化镀膜玻璃和钢化中空Low-e玻璃等等。经过结构胶或者是连接件把玻璃面板与龙骨连接起来。这样的在设计上风在经过玻璃的时候把作用力输送到龙骨上，再经过横竖龙骨轴向作用力输送到主体构造之上，这样对于安全性是特别有帮助的。因此说，我们一定要在实施高层建筑玻璃幕墙设计的时候有着相关的防火、抗震、避雷等有关技术要求，要知道，这些都是和人民的财产安全息息相关的。所以，我们在实施建筑玻璃幕墙的设计制作和安装经过当中格外重视质量问题以确保建筑工程的质量安全问题。
二、目前玻璃幕墙设计存在的问题
幕墙设计和施工一体化机制，对幕墙项目建设和幕墙技术的发展不利。幕墙设计凭借于施工企业，设计为施工服务、设计为施工“让路” 已是铁一样的事实，幕墙项目的质量安全在现在没有专科幕墙监理的情况下令人担心。幕墙招标时使用设计和施工分开招标的形式，由幕墙设计中标单位和建筑设计企业配合完成幕墙的设计工作并对幕墙技术负责，并规定设计中标企业不能参加施工投标，对施工招标的公正性有利。适时拟定有关法规，推动幕墙设计和施工的分离。幕墙设计限于构造和结构设计，缺乏对建筑设计的认识和贯彻。建筑设计由之前的“适用、经济、美观”的根本要求发展到“安全、绿色、可持续发展”的更高级的要求，对幕墙设计的了解发展也要从“制作图设计”“幕墙构造设计”发展到“建筑幕墙设计”。就是幕墙设计要有整个建筑的大局观念。
三、玻璃幕墙的建筑设计
首先是玻璃幕墙的选型问题，当今玻璃幕墙形式成多元化发展，种类繁多，建筑师应根据建筑物的艺术造型、建筑的使用功能、当地的地形和气候条件以及经济技术条件选用明框，隐框、半隐框或者是全玻璃幕墙等。其次型式确定后应提出幕墙性能等级要求，玻璃幕墙的性能主要有风压变形、空气渗透、雨水渗漏、保温隔热等，建筑师应根据建筑物所在地区、气候条件、建筑物高度和体型、建筑物功能和重要性等明确等级要求。最后就是玻璃幕墙的构造设计及安装工艺，这点对于玻璃幕墙的整体性和外观至关重要，同时也对幕墙的使用寿命、日常维护、工程造价具有决定性意义。各种类型玻璃幕墙的构造设计及安装各不相同，但都应处理好以下几个方面：1、伸缩缝、温度缝、沉降缝的处理，使其既美观又起到变形的要求；2、幕墙构件的面板和边框所形成的空腔应采用等压设计，防止室外空气压力将雨水压入腔内，以提高幕墙抗渗性；3、对于可能产生渗水的地方和容易结露的部位预留泄水孔道，集水后由管道排出；4、板材与边框连接处必须用硅酮密封胶进行处理，密封材料应能在长期压力下保持良好的弹性；5、由于幕墙位移和温度收缩，幕墙某些部位会发生摩擦，影响建筑物的使用，所以要考虑在该部位设置垫片来减少摩擦；6、各种五金件、连接件、设计要防止不同金属相互接触所产生的电化腐蚀；7、要考虑擦窗机的设置问题；8、降低能耗损失，满足节能要求应重视玻璃幕墙中玻璃的选择；9、玻璃幕墙还应注意防雷电措施。
对于很多建筑师来说，在设计中采用建筑幕墙，往往更加着重的是营造建筑立面，而对不同类型的建筑幕墙带来的不同的室内空间效果和建筑幕墙的技术手段缺乏深入的认识。往往是设计了一个新颖的立面，而把这个立面的技术细节留给幕墙厂家进行二次设计，厂家的幕墙设计在满足造价和立面后，要么满足不了设计的技术要求（如冷桥、隔热等问题，在工程验收时很难发现，而在使用过程中不断暴露）；要么忽略室内空间的效果（如竖向龙骨排布给空间带来凌乱的感觉），或者各种弊病并存。建筑师的幕墙设计不能简单的只从几个方面控制住幕墙厂家，就算完成任务，而应该和厂家的二次设计及施工人员密切合作共同完成，这也是建筑幕墙技术进一步发展的必然要求。二十一世纪建筑正日益追求绿色建筑，建筑师还应该重视新型幕墙设计的研究和应用。
四、玻璃幕墙的结构设计
玻璃幕墙作为建筑物的围护体系，属于非结构构件。主要承受自重、风荷载、地震作用以及温度效应，其支撑条件需有一定的变形能力以适应主体结构的变形位移。根据工程经验及震害分析，它的破坏形式有：第一、玻璃幕墙自身强度不足产生的破坏。对于竖向的玻璃幕墙，风荷载为主要作用，在风压较大的地区，玻璃将产生较大的弯曲变形；第二、玻璃幕墙与主体结构的连接破坏。地震作用对连接件影响很大，以至于玻璃幕墙发生脱落或倒塌；第三、主体结构的变形导致玻璃幕墙的破坏。主体结构在外力作用下产生位移，通过连接件使玻璃幕墙产生过大的应力。如何避免这些破坏，结构师应把握以下几个方面：1、玻璃幕墙设计时，应计算地震效应（包括自身重力效应和支座相对位移产生的效应）和其他荷载效应的组合，同时还应考虑地震效应与风荷载效应的组合，摩擦力不作为抵抗地震作用的抗力。2、玻璃幕墙在位移方向上的刚度应根据实际连接状态分别采用刚接、铰接、弹性连接或滑动连接等简化模型。3、支撑玻璃幕墙的结构构件，应将玻璃幕墙的地震作用效应作为附加作用对待，并满足连接件的锚固要求，且对连接部位采取加强措施。4、玻璃幕墙的主要构件应悬挂或支撑在主体结构上，按非结构构件设计，不承受主体结构的荷载及地震作用。5、玻璃幕墙及连接件应有足够的承载力、刚度和与主体结构相适应的变形能力。6、应预估玻璃幕墙设置位置对主体结构的不利影响，避免不合理设置而导致主体结构的破坏。
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对于大多数结构师而言，玻璃幕墙与主体结构的设计是分开进行的，玻璃幕墙设计时，其与主体结构的连接点假定为支座；主体结构设计时，则将幕墙以荷载的形式作用于主体结构上；对于一般的工程结构而言，这样的假定和分析是合理的，但是如果幕墙结构的自身刚度加大且不能忽略时，就应对上述方法进行修正。最好的办法是将玻璃幕墙结构与主体结构结合在一起，整体来考虑结构的动力性能，并通过调整幕墙结构体系的相对约束度来改变整体结构的抗侧刚度以及总荷载作用在玻璃幕墙和主体结构之间的受力分配，从而得到一个最为安全、经济、合理的设计方案。
五、建筑玻璃幕墙的设计方法
1.幕墙的结构设计
建筑物的外围护构件是玻璃幕墙，关键承受自重、直接作用于其上的风荷载、地震功能和温度功能，其支承条件要有必然的变形能力，以适应主体构造的位移。当主体构造在外力作用时，不能让幕墙形成太大的内力。对于竖直的玻璃幕墙，风荷载是关键的作用，其数值能达2到3KN/M，玻璃形成非常大的弯曲应力，所以对幕墙构件本身来说，抗风是关键的考虑原因。但是，地震力的作用对连接节点会形成相对大的影响，让连接节点出现震害，进而让建筑物幕墙脱落、倒坍，因此在抗震结构上还一定要给予注意。
2.幕墙防雷防静电设计
幕墙体系的防雷与防静电设计是保证幕墙项目的安全设计。优良的防雷与防静电功能能保证幕墙不遭雷击或由于静电失火与影响整个建筑室内电器设备的正常应用。因为在幕墙体系中多处由于防腐、防噪等因素设置了PVC装置，造成建筑物防雷装置不可以直接起到接闪与防雷功能。这样，闪电对建筑的雷击常常也就成为了闪电对玻璃幕墙的雷击。幕墙作为一种复合体系，部分使用了很多金属构件，幕墙的金属材质因为雷电的效应，将会形成静电感应功能。当天空中的云因为摩擦或碰撞形成雷电与大地产生电场时，幕墙的金属杆件就会积聚很多的感应电荷，而且这种感应电荷和雷云极性相反；当雷云瞬间放电后，突然消失的云和大地的电场，这时幕墙的金属杆件感应电荷不可以以相关的速度流散，将会形成高达万伏以上的对地电位，这种静电感应电压对人与设备形成危害。因此，一定要消除静电对幕墙的影响。依照标准要求，在建筑标高30mm以上，幕墙一定要使用防雷措施。
3.防火防烟设计
3.1在幕墙中防火玻璃的应用
幕墙使用的防火玻璃要为单片防火玻璃和其制品，现在以使用单片铯钾玻璃为多。防火玻璃能够在下面场合使用：（1）防火墙两侧的玻璃面板；（2）楼层间水平隔烟层；（3）小于800mm的楼层构造高度，没有设实体窗下墙时，楼板上（下）的面板；（4）楼层中的透明防火隔断。支承防火玻璃的金属骨架要使用钢结构，不能使用铝型材。防火试验说明，在高温下铝型材快速熔化，会让玻璃失去支承而坍落，导致防火墙、防火带失效；而钢型材能够保持比较长的时间不软化。
3.2双层通风幕墙的防火问题
双层通风幕墙经过热通道中的气流调节热通道的温度，使室内温度和外界的温差减少，让节能要求得到满足，要使用多层风道的通风形式。但现在我国消防标准需要层间设置封闭隔烟层，所以热通道只可以是一个层高。为防止本层排风口排出的空气又被上层进风口吸入而产生气流短路，能够在满足防火隔烟要求的前提下，使用下列通风形式之一：（1）把排风口和上层进风口的竖向距离加大；（2）使用本跨进风、在邻跨排风的S形通风路线形式。当外幕墙使用透明玻璃、需要高度通透时，层间隔烟层能使用单片铯钾防火玻璃。某电视中心拉索点支外幕墙就使用了这种透明隔烟方法。
4.玻璃幕墙的受力设计
4.1幕墙构造安全度：荷载的大小与材料的强度跟幕墙的安全度相关，在对两者进行设计计算时的标准务必要相同，不然就会导致设计出偏低的安全度。
4.2设计承载力：关键分2种承载力设计的表达形式：表达内力形式与表达应力形式。由于所受外力繁杂的玻璃幕墙，表达应力式法在设计中要多使用。
4.3荷载和功能效应的组合：同时会受到几种荷载功能的幕墙，幕墙在综合荷载下的受力状况一定要思考，要小于材料强度现实值的是其承载力设计值，并各类荷载要应用弹性计算方法实施组合计算。
4.4设计风荷载：幕墙风荷载是关键的受力方式，其是一种是在幕墙上直接作用的垂直力，按照规范需求，风在2.0kN/m～5.0kN/m之间的作用力，在其作用下幕墙会形成比较大的弯矩，因此要主要预防幕墙的弯曲。
4.5地震作用：突发性与破坏性是地震的最大特点，地震波会严重影响到幕墙，受力状况复杂，详细设计依照GB50011-2010建筑抗震设计标准实施计算。
六、结束语
通常来说，建筑玻璃幕墙的运用让建筑外立面的整体结果展现出现代化，给人以高贵典雅的感觉，带给人们视觉冲击的结果。在现代装饰中运用的愈来愈多，因此对其设计要求、设计要点、设计原则一定要研究清楚，拟定一个更加科学的设计方案，让玻璃幕墙既可以增加主体建筑的魅力，又可以确保其安全性。玻璃幕墙具备非常宽阔的运用前景，有了对其的具体研究，相信它会被更好的运用到将来建筑的装饰中去。
参考文献：
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[3]包浪华.对建筑玻璃幕墙节能设计的探讨[J].建材与装饰，2012（21）.
论文作者:董士杰
论文发表刊物:《基层建设》2016年18期
论文发表时间:2016/11/30
标签：幕墙论文; 玻璃幕墙论文; 荷载论文; 结构论文; 建筑论文; 主体论文; 玻璃论文; 《基层建设》2016年18期论文;