建筑幕墻鋼結構裝飾設計要點及其技術應用研究

吳和坤 單宏偉 趙 舉 宋首憲 謝志威

現階段，鋼結構在建筑布置得到了靈活應用，且以其為基礎的新型墻體對于提升建筑的節能性、環保性及安全舒適性具有積極的促進作用[1]。在城市不斷發展的背景下，存在大量舊建筑，并針對該類建筑存在的問題，可以對其進行拆除處理[2]，借助鋼結構建筑的高回收利用率及可持續性的屬性特征，上述問題也均可以得到不同程度的解決[3]。但值得注意，以鋼結構幕墻為基礎的建筑雖然在諸多方面均表現出了其顯著的優點，但是也存在整體性和抗震性相對較低的問題，特別是作為建筑結構的重要組成部分（幕墻）時[4]，如何通過合理的連接方式建立幕墻鋼結構與主體結構之間的一體化關系，成為了建筑幕墻鋼結構裝飾設計階段面臨的重點和難點[5]。為此，本文提出建筑幕墻鋼結構裝飾設計要點及其技術應用研究。

1 建筑幕墻鋼結構裝飾設計

1.1 建筑幕墻剛性構件結構設計

建筑幕墻的剛性構件是指具有較高剛度和抗變形能力的結構構件，在幕墻系統中起著支撐、連接和穩定作用。具體設計方式如圖1 所示。

圖1 建筑幕墻剛性構件結構（來源：作者自繪）

在具體的設計過程中需要注意，幕墻支承構件[6]承受水平荷載的方式大多以簡支或連續的梁式受彎方式進行，而對應豎向荷載，其主要是以軸拉或軸壓的方式承受。針對這一屬性特征，本文在對該部分構件進行設計時，按拉彎或壓彎構件進行。

拉彎和壓彎構件形式如圖2 所示。拉彎和壓彎構件在建筑幕墻系統中扮演著重要的角色，不僅支持和傳遞荷載，還能夠實現幕墻的整體結構性能和功能要求。根據具體的設計要求和施工情況，要合理選擇和使用拉彎和壓彎構件，并確保其材料、尺寸和連接方式的可靠性和適應性。

圖2 拉彎和壓彎構件形式（來源：作者自繪）

1.1.1 拉彎構件

拉彎構件主要承受拉力以及柱向荷載，并將這些力傳遞給幕墻的其他部分。常見的拉彎構件有螺桿、牽引桿、懸掛桿等。拉彎構件通過端頭連接或固定接頭連接到結構體系，經過拉伸形變，對幕墻系統進行拉伸支撐，同時還能夠抵抗外部的風力和重力荷載。

1.1.2 壓彎構件

壓彎構件主要承受壓力以及梁向荷載，并將這些力傳遞給幕墻的其他部分[7-8]。常見的壓彎構件有鋁合金型材、鋼制型材等。壓彎構件通過連接件連接到結構體系，并通過受壓形變來對幕墻系統進行壓縮支撐，以滿足幕墻整體的穩定性和剛度要求。

圖2 中，e通常為應力狀態中軸向力作用點與截面幾何形心之間的距離；N為作用在構件上的垂直于構件軸線的力，可以是壓縮力（負值）或拉伸力（正值），對構件的承載能力和穩定性有重要影響；M為作用在構件上的使其發生彎曲的力矩，通常因外部載荷的施加產生。彎矩會導致構件發生彎曲應變，要考慮構件的截面形狀和材料特性來進行彎曲承載能力的計算。

通過這樣的方式，最大限度保障幕墻支承結構的剛度能夠滿足建筑的抗震性能要求，對應的整體變形也能穩定在相對較小的水平。在對立柱和橫梁進行設計時，本文為二者建立了正交關系，使其組成實腹構件框式結構，這樣做的目的是使建筑在視覺上具有更加輕巧通透的特點，最大限度體現幕墻的應用效果。

1.2 建筑幕墻柔性構件結構設計

本文以單層索網為研究對象―裝飾性的幕墻構件，常用于建筑外立面的裝飾和遮陽等功能[9]。它由一組水平和垂直方向的鋼索組成，通過連接節點形成網格狀結構。單層索網實際圖如圖3 所示。

圖3 單層索網實際圖（來源：作者自攝）

單層索網采用輕型材料（如不銹鋼或高強度鋼絲繩）制成，具有較高的強度和剛度，同時重量相對較輕[10]。其網格結構呈現出透明性，可在保證室內采光的同時提供外界的視覺連接。單層索網采用一定的網孔間距和索桿的排布方式，通過節點的連接形成一個整體的網狀結構。水平方向的鋼索分別負責承受水平荷載和自重，垂直方向的鋼索則對抗豎向荷載。這種結構能實現相對自由的形狀和曲線。單層索網有較高的透光性和通透性，允許室內外的光線和空氣交流。其輕質化的特點使安裝和維護變得更加簡便和經濟高效。此外，單層索網還有一定的自潔性能，能減少污染物的附著。

與其他類型的柔性構件相比，單層索網對于支撐體系所占用空間的要求實現了最大限度減少，同時對于增強整幅幕墻的通透感也有極為重要的促進作用。在具體的設計過程中，從拉索應力剛度的角度出發，結合單層索網施工環境的實際工況，為其施加了預拉力，具體的設置標準為在預拉力的作用下，單層索網體系在各種荷載作用下不出現松弛情況，通過這樣的方式，使鋼索材料的強度優勢能得到最大限度的利用。對于單層索網，豎向索承擔主要負責承擔由玻璃自重帶來的荷載。對于水平風荷載，本文利用水平索非線性幾何大變形進行抵消，使預應力軸力剛度能在水平風荷載的作用下保持穩定。其中，在對單層索網平面外變形程度進行設置時，將幕墻支承結構跨度的1/60 ～1/40 作為其限值。對單層索網立面尺寸的設置（一般以25 m×40 m 為宜），可降低水平向和豎向不銹鋼索直徑，節點間距應控制在22 ～25 mm 區間范圍內即可。

2 應用測試分析

2.1 工程概況

在測試過程中，本文以某實際建筑的幕墻鋼結構為基礎開展了對比測試。鋼結構施工材料性能參數如表1所示，表中的性能指標包括鋼梁翼緣屈服應力、鋼管柱屈服應力、鋼梁翼緣彈性模量、鋼管柱彈性模量、鋼梁腹板屈服應力、軸心抗壓強度、鋼梁腹板彈性模量、軸心彈性模量，結合這些指標設計人員可以選擇合適的鋼材和構件尺寸，確保幕墻鋼結構具有足夠的強度和穩定性，同時滿足對剛度和變形控制的要求。 從柱高、柱截面、梁長、梁截面、墻板尺寸、墊板設置、軸壓比等方面確定了三榀幕墻鋼框架結構參數，通過確定這些結構參數，可以實現結構的安全穩定、經濟高效、功能滿足和符合規范等目標，以得到優化的幕墻鋼框架結構設計方案。三榀幕墻鋼框架結構的具體尺寸要求如表2 所示。

表1 鋼結構施工材料性能參數

表2 三榀幕墻鋼框架結構參數

2.2 測試結果與分析

在上述基礎上，將正向BIM 技術、雙曲面穿孔技術以及本文技術作為實驗對比技術，通過分析幕墻鋼框架的屈服點、極限點、破壞點等位移和荷載參數，并對不同技術的建筑幕墻鋼結構抗震性能進行了深入分析，得到的數據信息如表3 所示。

表3 不同技術下建筑幕墻鋼結構抗震性能統計表

在正向建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM） 設 計 方法的測試結果中，雖然幕墻鋼框架在屈服點、極限點以及破壞點的荷載強度處于相對較高的水平，分別達到了130.0、140.0 及160 kN 以上，但是對應的位移相對較大，分別達到了80、90 及110 mm 以上，MQG002 的抗震性能最優，但是屈服點的位移也達到了65 mm 以上，極限點的位移達到了77 mm 以上，破壞點的位移達到了100 mm 以上。在雙曲面穿孔設計方法的測試結果中，幕墻鋼框架在屈服點、極限點以及破壞點的位移與正向BIM設計方法相比明顯下降，分別在80、92 以及115 mm 以內，但是荷載強度相對偏低，其中，MQG002 屈服點、極限點以及破壞點的荷載強度分別為192.21、202.65 及222.01 kN，與正向BIM 設計方法相比降低了13.05 kN。相比之下，在本文設計方法的測試結果中，三榀幕墻鋼框架結構的抗震性能表現出了較為明顯的優勢，其中，幕墻鋼框架在屈服點、極限點以及破壞點的荷載強度分別達到了140、150及170 kN 以上，對應的位移分別穩定在75、87 及110 mm 以內，與對照組的測試方法相比，穩定性明顯提升。

3 結語

以建筑鋼結構式幕墻抗震性能為核心對設計進行深入研究與分析具有極其重要的現實意義。本文提出建筑幕墻鋼結構裝飾設計要點及其技術研究，通過對幕墻鋼結構進行合理設計以期提高建筑幕墻的穩定性與抗震性。通過實驗測試證明，本文技術應用下三榀幕墻鋼框架結構的屈服點、極限點及破壞點的荷載強度較高，位移較短，說明該技術應用下的三榀幕墻鋼框架結構穩定性較高。希望借助本文設計的建筑幕墻鋼結構裝飾構建方法，能為實際建筑中幕墻鋼結構的應用和施工提供參考，助力幕墻鋼結構能夠在更大范圍內得到有效應用。