建筑幕墙结构设计的若干理念及应用

1、建筑幕墙结构设计的若干理念与应用李少甫（清华大学土木工程系 北京 100084）E-mail: lishf第一部分 引言一、 建筑幕墙及其组成1、 建筑幕墙：是表面具有屏幕效应的一种建筑工程构筑物。2、 建筑幕墙结构的组成：是由玻璃、石料、等面板、与铝、钢等支承结构连接、安装组成的一种建筑工程结构，它可以相对独立或依附于主体建筑结构。二、 建筑幕墙的类型1、 按用途分类：（1） 围护性建筑幕墙；（2） 装饰性建筑幕墙；2、 按构造分类：（1） 构件式幕墙；（2） 单元式幕墙；（3） 双层幕墙；（4） 天幕；（5） 楼层。3、 按面板材料分类：（1） 玻璃幕墙；（2） 金属幕墙；（3） 石材幕墙

2、；（4） 复合材料幕墙；4、 按面板支承状况分类：（1） 框支式：明框，隐框，半隐框玻璃幕墙（2） 点支式：有孔玻璃幕墙；无孔（补丁）玻璃幕墙；（3） 肋支式：玻璃肋支全玻幕墙等。5、 按密闭类型分类：（1） 封闭式建筑幕墙；（2） 开敞式建筑幕墙。6、 按支承结构材料分类：铝型材，钢材，玻璃。7、 按支承结构性状分类：（1） 刚性结构：梁格；桁架；网架；格栅；刚架；拱；（2） 柔性结构：拉索；张拉索杆体系等。三、 建筑玻璃幕应用设计的趋势1、 近年的几座公共建筑设计构思·北京植物园温室：叶对根的回报。·国家大剧院：天鹅水中下的蛋，顶盖覆盖平面为：212.24×1

3、43.64m的椭球形壳体杆系结构。·首都新博物馆：展现长城、巨型青铜器文物至现代化的理念，东立面为 40×60m的玻璃幕墙，并支承悬挑21m的屋盖部分。·首都新天文馆：显示宇宙弦象理念，采用了四个沿高度变截面及变形心座标的龙卷风样筒体。部分主墙面为曲面玻璃幕；马鞍喇叭形出入口，采用多曲面的中空钢化、加层玻璃。·深圳机场新航站楼：显示大鹏展翅形态。屋盖135×195m，最大悬挑18m，幕墙支承结构上端节点与屋架采用三维可动连接。·湖南国际会展中心：总用地76000；总建筑面积95638占地28196，东西长242。8米，南北宽141。0

4、米，地上2层，局部6层，檐口3039米；屋盖主桁架设计呈巨龙腾飞型。· 济南遥墙国际机场航站楼：建筑造型呈现展翅飞翔的大鸟，总长486米，宽66。7145米，屋面高1432米。2、 建筑设计的趋势·理念构思新颖；·寓意概括形象：·体形怪异复杂；·空间灵便巨大；·内外通透交流；·结构外露优美；·功能齐全完善。四、建筑幕墙结构的设计趋势特征 建筑幕墙结构是用以支承建筑幕墙的骨架，需要配合并适应建筑设计的要求。由于上述建筑设计的趋势要求，其支承结构的设计也具有与之相应的以下趋势和特征：1 空间、跨度巨大；2 类型多样，体

5、系复杂；3 杆件稀少，截面细小：4 节点可靠，美观大方： 5 材质优良，加工精良；6 便于维修，耐用久长；五、建筑幕墙设计的一些基本理念1、玻璃幕建筑的设计涉及许多方面，是多学科多工种众人的共同创作；需要各方相互尊重、切磋配合、协调一致。2、设计应以建筑为主导，结构为基础，功能为关键，并把结构可靠放在第一位。3、玻璃幕建筑是由脆性材料玻璃，弹塑材料金属，粘弹性材料结构胶等多种性质不同材料组成的建筑结构，其结构设计的成败在于能否统筹兼顾，合理利用各种材料特性组成的性能可靠，经济合理，效益良好的建筑工程构筑物。它必须具备建筑工程结构的必要功能特征。第二部分建筑幕墙结构设计的基本理念李 少 甫（清华

6、大学土木工程系 北京 100084）E-mail: lishf一、建筑幕墙结构的构成 ·建筑幕墙结构是由玻璃、石材、铝材、钢材等加工成的板件，经连接、安装而构成的一种建筑工程结构。 ·工程结构是人们为社会生活需要而设计建造的一种工程构筑物，它需要承受各种可能的作用，并能满足各项预定功能的要求并具有足够的可靠性（安全性、适用性和耐久性）。 ·施加于结构物的作用可分为自然和人为环境两类作用。直接施加在结构上的作用又称荷载，如风，雪，雨，海浪，人群，设备，等；非直接施加在结构上的直称其为作用，如地震，温度，支座沉降，强制装配等。二、结构设计的目的 钢结构设计的目的在于使

7、所设计的构筑物，在建造时和建成后，在各种可能作用下具有足够的可靠性，并使其与社会经济效益有最佳平衡。三、建筑幕墙支承结构的类别1、 按材料分类：·铝合金支承结构；·钢、不锈钢支承结构；·玻璃（肋）支承结构。2、 按支承结构体系分类：梁格；桁架；网架；格栅；刚架；拱架；拉索；张拉索杆体系；组合体系；杂交体系等。3、 按支承结构受力变形特征分类：刚性（线性）结构；柔性（非线性）结构。 4、 按支承结构所用钢材型号的分类：·轻型钢结构，主要以厚度（1.56.0）钢板和小型号型钢组成的钢结构；·普通钢结构，主要以普通厚度（840） 钢板和普通型号型钢组

8、成的钢结构；·重型钢结构, 主要以较厚度（40100）钢板和大号型钢组成的钢结构；5、 按支承结构构件截面成型方法分类： ·热轧型材； ·冷弯、挤压型材； ·焊接等的组合截面型材。四、建筑幕墙结构的一般设计程序与方法1、 建筑幕墙结构的设计程序 （中关村文化大厦中庭外立面30×70米幕墙； 沈阳方圆大厦25×25米方空幕墙为例说明）（1） 根据建筑物特点及建筑设计的要求选择结构体系；（2） 布置结构体系构件；（3） 根据结构体系所受作用的状况和结构体系的工作性能确定结构分析（计算）简图（模型）；（4） 结构体系的荷载组合与受力分析；（

9、5） 面板厚度设计选择和/或验算；（6） 支承结构构件设计和/或验算；（7） 连接节点设计和/或验算；（8） 绘制图纸和编制技术文件。 2、建筑幕墙结构的设计方法根据工程状况，按需要，分阶段，依程序进行。3、建筑幕墙结构设计可分为以下三个阶段设计：（1） 初步设计，或称概念设计（CONCEPT DESIGN）：选择承载结构体系；布置结构；选择连接方法；用材品种和用量估算。其技术文件包括图纸和说明书。（2） 技术设计，或称基本设计（BASIC DESIGN）：在初步设计基础上的深入细化设计：绘出结构布置详图；进行结构分析并确定板件截面形式、尺寸；给出各品种型材规格、用量；绘出重要连接节点图。 技

10、术文件包括为绘制幕墙结构施工图所必需要的一切图纸和说明书。（3） 施工设计（CONSTRUCTION DESIGN），或称制造、运输、安装设计：是技术设计的具体细化，应满足幕墙结构加工、制造、运输和安装所需要的一切技术参数、图形和文字说明。技术文件包括施工用详细图纸和说明书（包括仿真软件）。 建筑幕墙结构的设计可根据工程规模、复杂程度、建筑设计的进展以及工作要求等状况，采用以上的三阶段，或将（1）及（2）合并为一段与（3）的，即所谓的扩大初步设计与施工设计的两阶段设计。对于较简单的建筑幕墙结构工程，也可将（1），（2），（3）合并为一阶段设计。五、建筑幕墙结构体系的工作特征建筑幕墙结构主要是由

11、各种杆件组成的不同种类的杆系类结构。1、 体系结构类别与受力工作特征（1） 梁式结构由若干受弯工作的梁，排列组成的结构体系，又称梁格。梁格结构有以下几种型式：·简单梁格：单方向排列的梁格；·普通梁格：主、次梁交叉排列的梁格；·复杂梁格：主、次梁及小次梁相互交叉排列的梁格；梁是受有横向荷载而弯曲工作的构件，其内力主要是弯矩和剪力，当在弹性范围内工作时，截面材料强度利用不充分；完全塑性范围工作时，将形成塑性铰，致使结构约束度退化，甚者转变为机构。其截面设计原则上是：当承受动力荷载时，限制在弹性范围内工作；当仅承受静力荷载时，可考虑截面有部分塑性发展，即可在弹塑性范围内

12、工作。（2） 桁架结构：由若干杆件其端部互相铰接于一点并以三角形规则形成的结构体系。在节点荷载作用下杆件仅受有轴向力。·平面桁架结构：桁架结构所有的杆件轴心线在同一平面内。平面桁架结构本身仅能承受作用于其平面内的荷载；平面外荷载及其稳定性，常需由其它结构或必要的支撑承受和保证。·空间桁架结构：桁架结构的杆件轴心线不完全在同一平面内。该桁架结构本身就能承受作用于其平面内、外的荷载；不需要由其它结构或支撑承受和保证其稳定性。（3） 网架结构是空间桁架结构的一种开拓与发展，具有空间桁架结构的构成规则和受力工作特征。（4） 刚架结构：由若干杆件其端部互相刚接形成的结构体系（可不以三

13、角形规则）。在荷载作用下杆件受有弯矩（包括扭矩）、剪力和轴向力。它比桁架结构体系有更大的空间灵活性。·平面刚架结构：刚架结构所有杆件的轴心线在同一平面内。平面刚架结构本身仅能承受作用于其平面内的荷载；平面外荷载及其稳定性，常需由其它结构或必要的支撑承受和保证。·空间刚架结构：刚架结构的杆件轴心线不完全在同一平面内。该桁架结构本身就能承受作用于其平面内、外的荷载；不需要由其它结构或支撑承受和保证其稳定性。（5） 格栅：一种斜交叉非常规的平面刚架或其组合体系，其构件受力较复杂。以上几类体系，通常均由刚性杆件构成，设计合理时，应属于刚性结构体系。（6） 拉索结构体系：由张拉索（或

14、拉力杆）及其支承结构组成的结构体系，它是一种受力柔性工作的结构体系。这类结构体系受力时，其几何形状将随荷载作用的大小、位置和方向不同而改变；拉索需施加预张力且仅能承受拉力，即内力应是正定的。（7） 张拉索杆结构体系：由张拉索（或张拉杆）、撑杆及必要的支撑结构组成的结构体系，具有柔性结构的一些特征。例如，张拉索（或张拉杆）应在设计、施工和使用全过程中使其具有张力，即其内力始终应是正定的；任一撑杆不许因失去承载力而退出工作。（8） 混合、杂交体系：以上几种体系的混合或（和）杂交的体系。受力工作性能依混合、杂交情况而定。其总体上可以是刚性的，柔性的；或者部分刚性和部分柔性的。2、体系的构件布置，可根

15、据建筑空间状况和要求灵活安排，但是，对于非柔性结构而言，必须使之组成的是一个空间几何不变性的结构体系。即便是柔性结构，也应使之组成的是一个相当程度的空间几何不变性的结构体系。其目的均在于使该结构体系工作可靠，受力合理，经济高效。（1） 工作可靠，是指体系在各种可能作用下具有足够的安全、适用和耐久性。（2） 受力合理，是指体系构件间的受力明确，传力的路径清晰、短捷、作用直接。（3） 经济高效，是指体系的建造、使用、维护等的综合经济效益高。3、支撑的作用、设置与类型。（1） 作用：·与构件或平面结构组成空间几何不变的结构体系；·承受结构平面外荷载作用；·减少结构或构件

16、自由变形长度，保证结构体系、构件稳定性；·增强结构体系或构件刚度，减小振动。（2） 设置部位：可根据需要设置在建筑幕墙结构的任何必要部位。（3） 支撑的类型：·十字形；人字形；八字形；角隅斜撑。·柔性支撑（长细比400）；·张拉柔性支撑（不限其长细比400）。·刚性支撑（长细比200）；·偏心支撑（可引起被支构件附加弯矩），可增大结构延性；·无偏心支撑（不引起被支构件附加弯矩），结构刚度较好。六、建筑幕墙结构的分析 1、结构的分析的原则：根据结构类型、荷载性质和要求的不同，采用不同的分析方法。分述如下。 2、结构体系的类型和

17、荷载性质（1） 体系类型：刚性结构体系，柔性结构体系； 平面结构体系，空间结构体系。（2） 荷载性质：静力荷载，动力荷载，冲击荷载；重复荷载；随机荷载；谱荷载。3、分析要求：（1）静力（反应）分析。（2）动力（响应）分析。（3）疲劳（损伤、健康与寿命评估）分析。4、分析方法：（1） 线性分析法，是指基于结构受荷变形前的结构分析；可在各荷载下单独进行结构分析，再内力组合。（2） 非线性分析法，是指基于结构受荷变形后的结构分析。它可以有以下几种：·几何非线性分析法；·材料非线性分析法；·几何与材料非线性分析法；应先荷载组合，之后，分级施加组合荷载进行结构分析。刚性小变

18、形性结构一般可按线性分析，必要时需进行非线性分析；柔性或大变形性结构一般可应进行非线性分析。特定条件下，可按线性分析。3、结构分析（计算）简图的必要条件：（1）结构几何图形及尺寸；（2）构件几何特性：长度，截面形状、尺寸、几何特性（面积、惯性矩、面积矩、抵抗矩、回转半径、扇性特性）（3）材料特性：极限强度，屈服强度，疲劳强度；弹性模量，剪切模量，波桑比。（4）荷载性质、大小、作用位置与方向；（5）板、件边界约束：六个自由度的约束要求；（6）结构支承状况：刚性支承，柔性支承；铰结支承，固结支承，弹性支承；一维性，二维性，三维性的支承。4 、结构分析（计算）结果：·受力反应：内力，F（M

19、，N，V）x,y,z或应力，x,y,z，ij ；·形变反应：位移，Dx,y,z或应变，x,y,z，ij ；·振动反应：频率 x,y,z ；振幅ax,y,z ；速度 åx,y,z ；加速度äx,y,z。·损伤健康寿命评估：结构性能退化程度，剩余寿命估算，加固修复措施要点。七 结构的构件与截面设计应根据构件的受力状况和使用要求，选择构件与截面型式和尺寸，使之在满足可靠性（安全性，适用性，耐久性）要求的前题下,力求有最好的经济和社会效益。 ·足够的承载力是结构安全性和耐久性的保证；适宜的刚度（形变、振动反应）是结构适用性的必需条件，二者相互

20、关联，但有区别。 ·结构体系、构件和截面的承载力，是指其抵抗所受可能荷载作用而不破坏的最大能力，须根据其受力可能的破坏形态，合理设计。八、结构的破坏形态与设计对策1 破坏形态：（1） 韧性破断, Ductility Break(DB)；（2） 脆性断裂, Brittle Fracture(BF)；（3） 疲劳破坏, Fatigue Failure(FF)；（4） 曲屈失稳, Buckling Instability(BI)；（5） 机构塌毁, Mechanism Failure (MF)；（6） 过大变形（包括塑性变形和裂纹）, Over Deformation(OD)；（7） 不适

21、振动, Unsatisfactory vibration(UV)。其中：（1）（5）表明结构是否安全或耐久；（6），（7）表明结构是否适用。2 各类钢结构的主要破坏形态及其主要防止对策 玻璃、石材结构的破坏，通常呈脆性破坏；铝合金结构的破坏与钢结构的破坏形态类似。（1）各类钢结构的主要破坏形态·普通钢结构： 1 2 3 4 5 6 7·轻及超轻型钢结构： ·重型钢结构: （2）主要防止对策：应根据不同类型钢结构的破坏特征，从以下几方面采取防止对策和措施。A、 材料选择：强度级别；质量等级；特殊技术条件要求。B、 构件设计：按承载能力和正常使用极限状态设计算和构造。

22、C、 节点设计：按承载能力极限状态计算和构造。D、 制造工艺；E、 安装方法等。（3） 各破坏形态的主要防止措施 破坏形态 主要防止措施、要求·韧性破断 A B C fu·脆性断裂 A C D K1K1C·疲劳破坏 A C D K1K1C·曲屈失稳 B C E b/t, L0/r, fy·机构塌毁 B C E b/t, L0/r, fy·过大变形 B C E L0/r, fy·不适振动 B C E L0/r, fy其中： K1=Ya1/2-应力强度因子； K1C钢材的断裂韧性； Y与裂纹状况有关的参数; 场应力； a裂纹长度

23、。九、建筑结构用钢1 类别：·强度级别：Q235，Q345；·质量等级：Q235AD；Q345AEA级（保証抗拉强度fu、屈服强度fy，伸长率5，冷弯；硫，磷合格，但是，无AK值保证，且碳、锰含量不作为交货条件）；B级（增加200±50C 下的AK值，和碳、锰含量合格保证）；C级（增加00C 下的AK值和碳、锰含量合格保证保证）；D级（增加200C 下的AK值和碳、锰含量合格保证保证）；E级（增加400C 下的AK值和碳、锰含量合格保证保证）；2 基本物理力学性能指标含义：（1） 强度，低抗破坏应力的程度：·抗拉强度 fu·屈服强度 fy

24、83;疲劳强度 f（2） 塑性:·伸长率 5 , 10，材料在单向拉伸下的变形能力；·冷弯角 ，材料在综合受力下的变形能力和内部品质的一种显示；·断面收缩率=100(A-A0)/ A0%，复杂受力，和抗层状撕裂性能的一种表征。（3） 韧性：·冲击韧性AK27 J/cm2(Q235钢) AK29 J/cm2(16Mn钢)不同型材，不同温度的实际AK值不同。·断裂韧性 K1C ，K1d ，CTOD。（4） 加工工艺性能：·冷加工工艺性能；·焊接性能。（5） 特殊性能： ·耐候性；·耐火性；·低燥声。

25、3 钢结构对钢材的三项基本力学性能要求：fu ，fy ，5 （或10）。4 选用钢材的主要依据：（1） 结构类别：轻型，普通，重型；（2） 连接方法：焊接，非焊接；（3） 荷载性质：静力，动力；单次，多次；（4） 环境条件：结构工作的环境温度；（5） 经济效益。5 关于钢材的设计强度（1）一般钢材的设计强度：f=fy/R（2）抗力分项系数R，它是可靠度与计算方法综合考虑下的结合值。常用钢材Q235或Q345，R=1.0871.110。（3）不锈钢的抗力分项系数；R=1.15；（4）钢绞线（钢丝绳）抗力分项系数、设计强度与设计抗力。·钢丝破断强度fu下建议:R=2.2, ·单

26、根钢丝的设计强度 fgs=fu/2.2,总安全系数K1.4×2.23。·钢绞线的设计抗力Ngjx： Ngjx=Ags×fu/2.5， 总安全系数K1.4×2.53.5; 或 Ngjx=Ntu/K= Ntu /3.0。其中：Ntu,为钢绞线总的最小破断拉力值。十 建筑结构的构件与其截面设计 首先根据受力状况和使用要求选择构件类型及截面形状，再进行承载能力和刚度计算。1、强度计算选择截面。初选截面应留有余量，以备验算；2、稳定性、屈曲验算；3、疲劳破坏等验算；4、刚度核算。十一 建筑结构的连接设计的主要理念1、连接的概念：零件、杆件、构件、结构之间的相互连系

27、与结合。2、设计原则：受力合理，传力明确，途径直接，刚柔适度，构造简单，外形美观，节省钢材，能够施工。受力合理是指：·受力性质于设计实际一致；·承载能力足够；·板件边界条件于设计实际一致。3、连接方法：焊接，铆、螺、销钉等机械连接，胶粘接（瞬时荷载强度较高；持久荷载强度很低）4、连接型式：对接，丁接，角接；5、计算方法：弹性分析，应力控制；极限分析，承载力控制。十二 钢管结构的设计要点 圆钢管结构1 设计要点 ·使钢管桁架的节点数最少； ·杆件轴心线应交会于一点，否则应在杆件和节点设计中考虑其影响； ·一般使弦管径厚比D/T=2030

28、； ·支管壁厚t<T,T-弦管壁厚；·应根据节点类型校核节点承载力，当不满足要求时，调整弦，支管尺寸。2 杆件设计 ·杆件截面应力状态与径厚比限值： 受弯全屈服无转动约束的塑性铰 D/T502；受弯全屈服有转动约束非塑性铰 D/T702； 受弯仅边缘屈服 D/T902； 全截面受压（无缝管） D/T1002； 全截面受压（焊接管） D/T602。 D-钢管外径，T-壁厚，=（235/fy）0.5。 ·焊接钢管桁架杆件计算长度系数 弦管：桁架平面内 =0.9； 桁架平面外 =1.0； 支管：桁架平面内、外 =0.75, 以上仅适用于 d/D0.6 时

29、。·根据杆件受力选择管径、壁厚，验算强度和稳定性。3节点设计 ·普通焊接管节点是指由钢管相互直接相焊而无加劲肋也不搭接的节点。 ·普通焊接管节点类型与承载力：（1） 类型：T、K、Y、X型及其空间型管节点。（2） 承载力：与类型、几何形体、受力状况及其弦、支管的管径、壁厚、和其相互比例有关。通常应使：D/T50（T，K，Y型）； D/T40（X 型）； 0.2d/D1.0；d/t50；300900（弦管与支管间夹角）。其中：T，D弦管壁厚，管径； t, d支管壁厚，管径。 ·普通焊接管节点受力复杂，应力集中严重，验算疲劳时，应用热点应力幅，=max-mi

30、n ，拉应力为“+”，压应力为“-”。 4、加工制作安装（1） 管端切割，宜支管内壁与弦管外壁密合，其两管外壁间隙适当，即“内密外适”，使连接裂纹性缺陷少，强度高，焊接金属省，焊接残余应力低。（2） 钢管对接时应为内衬钢管的熔透焊缝；（3） 编制工地环状熔透焊缝的焊接技术措施等。 方钢管结构1、设计要点 ·使钢管桁架的节点数最少； ·杆件轴心线应交会于一点，否则应在杆件和节点设计中考虑其影响；-0.55e/h0.25 ·一般使弦管板件宽厚比15b0/t035； ·一般使支管板件宽厚比:bi/ti1.25（E/fy）0.5（T，X，Y节点）;bi/ti35 ( K,N间隙节点及bi/b00.1+0.01×b0/t0)；支管壁厚ti<t0,；·应根据节点类型校核节点承载力，当不满足要求时，可调整节点域的弦，支管尺寸或壁厚。2、杆件设计 ·杆件截面应力状态与宽厚比限值： 腹板受弯全屈服可转动的塑性铰h1/tw72； 腹板受弯全屈服不动的非塑性铰 h1/tw83； 腹板