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镜月博客

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从小喜好美术、可是上学时却学的财会,还好命运只是和我开了一个玩笑,如今也算是和美术沾了点边了吧。

幕墙设计的一般原则  

2008-07-30 14:11:25|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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中国建筑科学研究院研究员

中国建筑装饰协会铝制品委员会专家组成员赵西安

1.幕墙

           幕墙是建筑外围护结构或装饰性结构,具有以下的特点: 它由面板和支承结构体系组成,是完整的结构系统; 它相对于主体结构有一定的位移能力; 它只承受直接作用于其上的荷载和作用,不分担主体结构的荷载和作用。 因此,固定窗不属于建筑幕墙;直接固定在实体外墙上的干挂石板也不属于建筑幕墙。

2.技术规范及其应用

       工程技术规范是已有成熟经验的总结,而不是对未来技术发展的展望。规范制定的原则是列入成熟的技术,成熟一条写一条。尚在发展中的新技术、试用中的新技术暂不列入,待应用较广泛、积累较可靠的经验、确有依据之后,再行列入。因此,规范并不限制新技术的应用,规范未列入的内容,只要是规范未禁止采用的,一般可以在工程中应用,在应用中总结经验,使它成熟起来。认为凡是规范未列入的技术不应采用的看法是不妥当的。当然,采用规范没有列入的新技术,应有充分依据,稳妥可靠,并且幕墙公司应承担相应的技术责任。 规范条文规定的严格性是不同的,应分别掌握,不能一律从严。规范的条文分为强制性条文和一般性条文。强制性条文用黑体字印刷,行文采用“必须”、“应”、 “不得”、“严禁”等文字进行最严格的限制,强制性条文必须执行,所作规定必须遵守。一般性条文用宋体字印刷,其严格程度稍作放松。一般性条文用词为 “应”、“宜”、“可”(相应反面词为“不应”、“不宜”、“可不”)三个等级,要区别对待。采用“应(不应)”等级的规定,正常情况下要执行;采用“宜(不宜)”的规定,优先采用;采用“可(可不)”等级的规定,可以灵活掌握,选择采用。认为只要规范条文涉及的事项,都一律按“必须”执行、不得偏离的看法是不妥当的。 由于各技术规范均在不断修改、更新,而各本规范不能同时修订、同时颁布,总是轮流先后更替,因此,在规范应用中,采用“以最新版本为准”的原则。在技术规范条文中,凡是引用相应规范时,如果只标明所引用相关标准的编号而无发布年份的,则以最新颁布的版本为准,随相关标准新版本的发表而变更,无须特别说明。例如《建筑结构荷载规范》(GBJ9-87)已于2002年12月31日废止,代之以GB50009-2001,所以,从2002年12月31日起,在《玻璃幕墙工程技术规范》、《金属与石材幕墙工程技术规范》中引用的风荷载计算方法和系数取值,均应以GB50009-2001为准,无须等这两本幕墙规范修订。

 3.建筑幕墙的高度


规范的适用范围不等于该项技术的适应范围。由于规范是成熟技术的总结,只能是归纳总结量大面广、使用较多、技术成熟的经验,所以规范中有“本规范适用于……”的适用范围的规定。在规范适用范围内的工程,可以采用规范的相应规定进行设计、施工而无需其他专门的措施。反之,超出了适用范围时,除应遵守规范中的有关规定外,尚应采取其他更有效的技术措施,保证幕墙的结构安全和建筑功能满足要求。例如,《玻璃幕墙工程技术规范》(JGJ102-96)规定规范的适用范围是150m高度以下,实际上1996年时我国已有几十幢玻璃幕墙高度超过150m,最高的金茂大厦已达420m;国外最高的已达445m(芝加哥西尔斯大厦)、412m(纽约世界贸易中心)。所以,150m的规定只是在当时条件下102规范的适用范围,而不是玻璃幕墙的适用范围。由于这几年大量的经验积累,新颁布的JGJ102-2003规范就取消了适用范围150m以下的规定。同样,在《金属与石材幕墙工程技术规范》(JGJ133-2001)中,规定该规范的适用范围是150m以下的金属幕墙和100m以下的石材幕墙。这只是规范的适用范围,而当时国内已建石材幕墙达175m高度,在建石材幕墙已达200m高度;国外已建石材幕墙许多超过300m。但必须指出:超规范高度的建筑幕墙应作专门的考虑,如采取必要的技术加强措施;加强设计与施工的管理、审查和监管;进行风洞试验和振动台试验等。同样建造超出规范适用范围的建筑幕墙,承建商应承担相应的责任。

 二、幕墙建筑设计

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SARS之后,许多幕墙界人士进行了反思,形成了加强幕墙通风、换气的共识,甚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.防火防烟设计
(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),目前采用单片铯钾玻璃为多。防火玻璃可以在下列情况下采用:
1)防火墙两侧的玻璃面板;
 2)楼层间水平隔烟层;
 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,使防火墙、防火带失效;而钢型材可以维持相当长的时间不会软化。
(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,达到节能的要求,宜采用多层风道的通风方式。但目前国内消防规范要求层间设置封闭隔烟层,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,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)采用本跨进风后,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。深圳电视中心拉索点支外幕墙就采用了这种透明隔烟措施。
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,如北京电视中心的内庭高度达到150m,为防止火灾和烟雾在层间扩散蔓延,在天井周边可采用单层铯钾防火玻璃围成井筒,并采用型钢骨架。 4)实体墙面上的防火封堵 在群房中常有大面积混凝土墙体,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。这时可以在门窗洞口周围设置密实的防烟封堵。
3.双层通风幕墙的选用
       双层通风幕墙可节能40%~60%,降噪可达35~40dB,表现了良好的建筑性能。全国会计师培训中心北京基地实测结果,其K值可达1.0(冬天)和1.1(夏天),降噪可达37dB,均提高性能等级1~2级。 但是,双层通风幕墙造价高,技术复杂,占用建筑面积3%~5%,增大投资;外幕墙还降低了房间私密性和增大相互干扰。因此,双层通风幕墙应经过经济技术比较后,选择应用。

 三、荷载和地震作用

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。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)荷载规范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 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,还没有明确的定论。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。
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,组合值系数ψE取为0.5。 采光顶、大面积雨棚宜考虑竖向地震作用,8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.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,但是地震是动力作用,对幕墙的节点和连结构造形成大的冲击,甚至损坏、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;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。
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、遮阳百页在风力作用下的振动和啸叫声有直接的结果,有利于修改其设计。双层幕墙的风力问题,也有望采用这种试验来解决。

 四、结构设计的一般问题
1.幕墙设计的一般要求
     目前,建筑幕墙类型繁多,构造型式多变,无法对其连接构造作出太具体的规定。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,不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。只要达到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。
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,但在实际操作上存在一些难点: 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,两种方法在施工时都较困难。 2)型钢与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。
3.结构的稳定性问题
      现在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,考虑不周,就容易产生稳定性破坏,这种破坏很突出,危险性很大。 全玻幕墙的玻璃肋很薄,在风力作用下容易产生受弯梁的平面外屈曲。曾有一个工程玻璃肋高16m,自由边缘全长无平面外支承,存在安全隐患。因此,8m以上的玻璃肋应考虑稳定性问题,必要时采取防止平面外失稳的措施。 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λ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。

 五、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η予以调整。 夹层玻璃系数厚度取单片玻璃厚度的1.25倍,中空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、一片钢化一片不钢化时,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后(中空玻璃外片荷载加大10%),再分片各自计算。
2.横梁和立柱的最小厚度
  横梁和立柱截面的受力部分(参加计算的部分),截面最小厚度应考虑下面的因素: 1)宽厚比的限制; 2)采用螺纹直接受力连接的铝型材局部厚度不小于螺钉直径; 3)构造最小厚度。 其中,的限值由钢材或铝材的型号决定。
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