摘 要:我国建筑幕墙工业从1978年开始起步,经过二十多年的发展,幕墙设计已取得很大的进步。随着建筑个性化发展要求,建筑对幕墙的要求也越来越多、越来越高。本文根据笔者从事幕墙设计多年的工作经验,主要对建筑中的玻璃幕墙设计进行分析,仅供同行参考。
关键词:建筑工程;玻璃幕墙;幕墙设计
1 国内幕墙设计的现状
国内幕墙设计的现状主要可以概括为三点:一是具备幕墙设计资质的单位都是幕墙施工单位。也就是幕墙设计由幕墙施工单位完成。二是幕墙设计工作开展一般在建筑设计完成,建筑施工开始以后。三是大部分幕墙工程的设计与施工同时招标。
2 幕墙建筑设计
2.1 幕墙的换气和通风
在幕墙建筑设计中,过去强调以人工换气、通风为主,不主张开启或尽量少设开启扇,以降低能耗,防止开启扇破损,也使立面较为美观,因此JGJ102—96规定开启扇面积不大于幕墙面积的15%。2003年“非典”影响后,许多幕墙界人士通过反思,形成了加强幕墙通风、换气的识,共至许多业主要求将部分固定玻璃更改为开启扇。所以在JGJ102—2003新修订版本中,取消了开启扇面积不大于15%的规定,开启扇设置由实际需要确定。
采用双层通风幕墙时,室内可以从热通道取得新风,外幕墙有进风口进风,可不必设开启扇,从而在保证自然通风的同时,使幕墙保持美观和安全。
2.2 防火防烟设计
2.2.1 防火玻璃在幕墙中的应用
幕墙采用的防火玻璃应为单片防火玻璃及其制品(如中空玻璃),目前以采用单片铯钾玻璃为多。防火玻璃可以在下列场合采用:
(1)防火墙两侧的玻璃面板;
(2)楼层问水平隔烟层;
(3)楼层结构高度小于800mm,未设实体窗下墙时,楼板上(下)的面板;
(4)楼层中的透明防火隔断(透明防火墙)。支承防火玻璃的金属骨架应采用钢结构,不宜采用铝型材。防火试验表明,铝型材在高温下迅速熔化,会使玻璃失去支承而坍落,造成防火墙、防火带失效;而钢型材可以维持相当长的时问不软化。
2.2.2 双层通风幕墙的防火问题
双层通风幕墙通过热通道中的气流调节热通道的温度,减少室内温度与外界的温差,满足节能要求,宜采用多层风道的通风方式。但目前国内消防规范要求层问设置封闭隔烟层,因此热通道只能是一个层高。为避免本层排风口排出的空气又被上层进风口吸入而形成气流短路,可以在满足防火隔烟要求的前提下,采用下列通风方式之一:
(1)加大排风口与上层进风口的竖向距离;
(2)采用本跨进风、在邻跨排风的S形通风路线方式。
当外幕墙采用透明玻璃、要求高度通透时,层间隔烟层可采用单片铯钾防火玻璃。某电视中心拉索点支外幕墙就采用了这种透明隔划措施。
2.2.3 高度很大的内天井、内庭的防火问题
目前有些建筑设置了很高的内庭或内天井,如北京电视台的内庭高度达180m,为防止火灾和烟雾在层间扩散蔓延,天井周边采用了单层铯钾防火玻璃围成井筒,并采用型钢骨架。
2.2.4 实体墙面上的防火封堵
在裙房中常有大面积混凝上墙体,塔楼部分也常有连续多层的混凝土墙体,在实体墙上建造金属和石材幕墙,层间防烟层难以施工,此时可在门窗洞口周围设置衔实的防封堵。
2.3 双层通风幕墙的选用
双层通风幕墙可节能40～60%,降噪声可达35～40dB,表现了良好的建筑性能。根据全围会计师培训中心北京基地的实测结果,其K值可达1.0(冬天)和1.1(夏天),降噪声可达37dB,均提高性能等级l～2级。
但是,双层通风幕墙造价高,技术复杂,并占用建筑面积3～5%,会增大投资。外幕墙还降低了房间私密性,增人了相互干扰。因此,双层通风幕墙应经过经济技术比较后选择应用。
3 荷载和地震作用
3.1 风荷载计算
(1)风荷载计算应按GB50009—2001进行。采用50年一遇的基本风压,对体型复杂、高度超过200m的幕墙,宜进行风洞试验。
(2)采光顶的体型系数可参照荷载规范采用,形状复杂、周围有高大建筑的采光顶,宜进行风洞试验确定其体型系数。
(3)由于荷载规范中没有明确列出水平采光顶、雨棚应考虑正风压,为安全起见,建议考虑可能出现正风压的作用,并考虑下列两种组合:
1.2G+1.4W
1.35G+0.6×1.4W
式中:G和W分别代表恒载和向下的风荷载。
(4)双层幕墙的风荷载问题相当复杂,目前尚无明确定论。建议外幕墙按荷载规范计算,内幕墙的风荷载可按外幕墙的风荷载适当折减。
3.2 地震作用
按修订后的抗震规范,作用于幕墙平面垂直方向的地震作用扩大系数取为5.0。除石材幕墙外,地震作用力一般较小,不起主要作用。地震作用参与组合时,组合值系E取为0.5。采光顶、大面积雨篷宜考虑竖向地震作用。按Ⅷ度抗震设计时,竖向地震力可按恒载加活载的10%考虑(上、下两个方向)。
3.3 振动台试验
虽然幕墙上作用的地震力较小,不起主要控制作用,但地震是动力作用,会对幕墙的节点和结构形成大的冲击,甚至造成损坏、失效。对节点和连接构造的可靠性,可以通过振动台试验予以验证。
目前国内已进行过石材幕墙的背栓连接、短槽连接、背槽连接和背卡式连接的振动台试验;铝板幕墙和框支承玻璃幕墙(明框、隐框)的振动台试验和陶板幕墙的振动台试验,对试验条件、测试方法和结果分析已积累了较丰富的经验。
3.4 直接吹风试验
采用飞机螺旋桨对幕墙进行直接吹风试验(飞机头试验)在国内已经进行。试验对了解遮阳板、遮阳百叶在风力作用下的振动和啸叫声有直接的结果,有利于修改设计。双层幕墙的风力问题,也有望采用这种试验加以解决。
4 结构设计的一般问题
4.1 幕墙设计的一般要求
目前建筑幕墙类型繁多,构造形式多变,无法对其连接构造作出十分具体的规定,因此在设计原则上要求建筑幕墙应有足够的承载力、刚度、稳定性和相对于主体结构的位移能力。其中,相对于主体结构的位移能力通过胶缝、构件间的缝隙、可微动连接(如长圆孔螺栓等)、可动连接(如铰支座、滑动连接、摇臂机构、弹簧机构等)来实现,一定要求处处连接均为螺栓连接。因此,规定所有连接均采用螺栓是不尽合理的。只要满足幕墙与主体结构间有一定位移能力的要求,部分节点采用焊接是可以的。
4.2 钢铝型材的混合使用
在跨度较大情况下,采用钢型材与铝型材混合构件在原则上是允许的,但实际操作中存在以下难点:
(1)为保证两者共同受力,必须保证两者受力后变形(挠度)相同,这就要求钢型材紧密插入铝型材中,或者两者用密排螺栓、铆钉连接,两种方法施工都较困难;
(2)型钢与铝型材之间电化学绝缘困难。
因此,更方便的方法是采用钢型材,外包装饰铝板。
4.3 结构的稳定性问题
目前幕墙支承的跨度越来越大,受压和受弯构件的稳定性问题逐渐突出,若考虑不周,就容易造成稳定性破坏,其破坏性很突出,危险性很大。
全玻幕墙的玻璃肋很薄,在风力作用下易产生受弯梁的平面外屈曲,例如某工程玻璃肋高16m,自由边缘全长无平面外支承,存在安全隐患。因此,高8m以上的玻璃肋应考虑稳定性问题,必要时应采取防止平面外失稳的措施。
对单根支承钢结构在平面外的稳定问题应予注意,压杆、压弯杆件无支承长度不应超出长细比为150的规定。作为估算,圆钢管的无支承长度不应超过直径的50倍。
平面桁架、张拉索杆结构平面外应设计布置防止失稳的撑杆、拉杆或桁架。
5 框支承玻璃幕墙
(1)玻璃面板计算弹性薄板应力和挠度计算公式只有在玻璃板挠度不大于板厚的一半时才是正确的。在玻璃实用范围内,挠度远大于板厚之半,计算出的应力与挠度偏大,不能正确反映实际情况,因此要采用折减系数n予以调整。“夹层玻璃系数厚度取单片玻璃厚度的1.25倍、中窄玻璃等效厚度取单片玻璃的1.2倍”的方法,只在两片玻璃等厚度、等强度时才适用。在玻璃厚度不等、一片钢化一片非钢化时,不能采用这种简单的折算方法。必须将外荷载按其厚度的三次方比例分配(中空玻璃外片荷载加大10%)后,再分片各自计算。
(2)横梁和立柱的最小厚度横梁和立柱戳向的受力部分(参加计算的部分),截面最小厚度应考虑以下因素:
①宽厚比b/t的限制;
②采用螺纹直接受力连接的铝型局部厚度不小于螺钉直径:
③构造最小厚度。其中,b/t的限值由钢材或铝材的犁号决定。
构造最小厚度:
钢型材:横梁不小于2.5mm,立柱不小于3.0mm;
铝型材:横梁,跨度不大于1.2m时不小于2.0mm,跨度大于1.2m时不小于2.5mm,立柱,开口部分不小于3.0mm,闭口部分不小于2.5mm。
(3)挠度的限值
四边支承的玻璃面板为短边的1/60;铝型材为跨度的1/180;钢型材为跨度的1/250。由于横梁和立柱在实际工程中跨度变化很大,不可能也不必要采用绝对挠度值控制。
6 全玻幕墙
6.1 全玻幕墙的支承方式
规定一个统一的高度,超出此高度后就必须吊挂的作法不十分合理。应对不同的玻璃厚度规定不同的高度限制。规定厚度不超过l2mm时,下端支承玻璃最大高度为4m:15mm时为5m;19mm时为6m是较为合理的。
6.2 玻璃肋的材质
目前已经有工程发牛施工过程中钢化玻璃肋自爆、突然飞散的事例。玻璃肋是幕墙的支承结构,一旦自爆或在冲击下飞散,面板将失去支承而坍落,造成较严重的后果。因此,玻璃肋不宜采用单片钢化玻璃;当采用夹层有困难时,宁肯采用普通浮法玻璃。因为浮法玻璃开裂后并不立即飞散,有时间采取抢救措施。对采用点支承的玻璃肋,则应采用钢化夹层玻璃。
6.3 防止玻璃开裂的措施
全玻幕墙玻璃开裂的一个主要原因是玻璃变形受限,例如玻璃在上、下不锈钢槽中空隙过小,密封胶硬化;玻璃嵌入结构、装修的槽口中未留足够空隙或后加装修顶死玻璃板面等。玻璃开裂的另一个主要原因是玻璃受力不均匀,例如两个吊夹松紧不致,拉力不一致;两个吊夹不在一个平面上,玻璃受平面外剪力和弯曲;玻璃下端支承橡胶垫块厚薄高低不同等。要防止玻璃开裂,就要加强施工中的管理,消除上列各种因素。
6.4 防止玻璃肋失稳的措施
玻璃肋厚度小板面宽,形成的薄腹梁在风吸力作用下,自由边缘受压,易丧失稳定。当肋高超过12m时,宜采取防止失稳的措施,例如设置固定于自由边缘的水平不锈钢拉杆、设置水平玻璃肋等。
在风荷载标准值作用下,玻璃肋的挠度不宜火于跨度的1/200。
7 点支承玻璃幕墙
7.1 面板
存支承点附近,玻璃面板会产生很大的应力,面板应采用钢化玻璃、钢化夹层玻璃或钢化中空玻璃。
采用有限元方法精确分析点支承玻璃的应力在理论上是可行的,但在工程中应用育一定的难度:在孔洞或夹片支承处边界条件难以准确给出,若约束条件稍有差异,其应力计算结果因相差很大难以应用,因此存工程设计中仍多采用公式计算。采用弹性小挠度计算公式时,应考虑折减系数。
点支承面板的挠度值由风荷载标准值或重力荷载标准值计算得出,其限值取支承点间沿长边距离的1/60。
7.2 支承装置
采用带球铰支承头的钢爪支承装置是目前应用最多、最为成熟的支承方式。由于支承头穿过玻璃,必须注意密封防渗;中空玻璃还要采用多道密封措施防止漏气。
采用夹片式支承装置,玻璃可以不用开孔,不存在漏气问题,在广州会展中心、天津泰丰植物园中应用效果很好。夹片中应设置水平托板和柔性垫片支承玻璃白重。
背栓式支承在固内已有应用,背部开锥孔,用锥形锚栓固定的方式可以避免出现冷桥,板面美观。背栓式连接对设备、支承装置和施工工艺有较高的技术要求,要总结验,推广应用。
7.3 支承结构
[JP2]点支承玻璃幕墙的支承结构可采用玻璃肋或钢结构,目前钢结构应用最为广泛。支承钢结构的一般分析方法是采用通用计算软件如SAP、ANSYS、3D3S等,张拉杆索结构计算中宜考虑几何非线性影响。简单结构可以采用手算方法。[JP]
梁、柱、桁架、网架、网壳等由刚性杆件组成的支承结构,要注意杆件的长细比满足规范的要求,一般情况下,杆件长细比在受压时不应大于150;受扣时不宜大于250。刚性支承结构的挠度控制值可取为跨度的1/250。
张拉杆索结构作用于主体结构上的预拉力在设计时应予考虑。采用由周边拉索和中央承压杆组成的自平衡体系,张拉力由中央承压杆承受,不会将预拉力作用在主体结构上。拉杆采用不锈钢圆钢,直径不应小于10mm;拉索可采用不锈钢绞线或铝包高强钢绞线。拉索不宜采用由细钢丝组成的钢丝绳。拉索最小直径为8mm。张拉杆索结构的挠度控制值可取为跨度的1/200。
7.4 单层索网
单层索网由刚性的边框和双向张拉索网组成,它遮挡少,无刚性支承构件,幕墙明快通透。单层平面索网工作时会有较大的挠度,设计时索网的挠度控制值可取为跨度的1/50。在两座建筑物之间张拉索网时,由于地震中两座建筑物会有相对位移,因此水平拉索要设置弹簧机构用以吸收地震中过大的拉索伸长,防止拉断。
8 结束语
随着我国经济的快速发展,面对当前国内建筑市场高速发展的机遇,我们要以更高的责任感和紧迫感来重新认识幕墙设计。以求建立健全幕墙设汁的完善体系,从建筑师幕墙设计师的培养、建筑设计的管理入手,让幕墙设计发挥出其应有的价值,来创造建筑设计的真正完美。