玻璃幕墻的結構設計和安全評估研究

孫世界

(山西南方裝飾藝術設計院(有限公司)，山西太原 030006)

0 引言

建筑幕墻在我國已有35年的發展歷史，我國是世界上生產和使用幕墻結構最多的國家。建筑幕墻主要用于建筑外圍的圍護，并兼具裝飾的效果。其主要組成材料是質量較輕的金屬構件和玻璃、鋁板、塑料、石材等的組合。玻璃幕墻因其構造形式較多、裝飾效果好、施工簡單迅速、自重小等優點使其成為現代建筑最主要的幕墻形式。玻璃幕墻主要受到自重和外部風荷載的作用，因此在玻璃幕墻安裝施工時要著重的考慮這兩方面的因素，保證其安全性，減少因幕墻設計施工的問題引發的安全事故。

1 玻璃幕墻的主要設計形式

玻璃幕墻按照玻璃和鋁邊框的結合形式分為四種不同的類型:

1)明框玻璃幕墻:明框玻璃幕墻主要是指幕墻中四周的鋁框固定結構裸露在玻璃外，這種結構，玻璃鑲嵌在鋁框內部，整個幕墻依靠橫梁承擔荷載，橫梁和立柱裸露在外，玻璃墻面被鋁框明顯的分割成塊狀，整體觀賞性較差，裝飾效果不好。明框玻璃幕墻是一種傳統的幕墻形式，其施工比較簡單，穩定性好，應用比較廣泛［1］。

2)隱框玻璃幕墻:隱框玻璃幕墻是現如今使用最廣泛的玻璃幕墻形式，其發展與硅酮結構密封膠的發明使用不可分割，硅酮結構密封膠將玻璃和鋁框固定在一起，在一般情況下，不需要在外側設置金屬構件，就可以滿足玻璃的安全穩定性，由于玻璃安裝在鋁框之上，可以較好的遮擋墻后的鋁框，且玻璃幕墻的玻璃采用的是鍍膜玻璃，這種玻璃具有單向透像的特性，在不透像的一側看不到玻璃墻背后的鋁框構架，因此隱框玻璃幕墻從外觀上看，形成了一個完整的玻璃平面，裝飾效果良好。硅酮結構密封膠的膠結性能強，可以承受玻璃幕墻的自重、風荷載和地震作用。隱框玻璃幕墻是一種綜合了建筑結構、藝術、材料于一體的新型幕墻形式。硅酮結構密封膠的使用，使鋁框結構隱藏在室內，提高了美觀性和神秘感，如果玻璃幕墻采用中空玻璃，還能使幕墻具有隔熱保溫的作用［2］。

3)半隱框玻璃幕墻:半隱框玻璃幕墻是明框、隱框玻璃幕墻的結合，兼具兩者的優點。其結構設計是將玻璃的其中一對對邊用明框玻璃幕墻的手法進行鑲嵌，另一對對邊采用隱框玻璃幕墻的方法進行粘結。此種幕墻根據立柱與橫梁的隱蔽情況分為豎框橫隱玻璃幕墻和豎隱橫框玻璃幕墻兩種，半隱框玻璃幕墻的力學性能更加穩定，在審美上具有多變的特性。

4)全玻璃幕墻:隨著玻璃生產技術的發展，各種質量輕、高強度、透明度高的玻璃不斷誕生，其為全玻璃幕墻形式的出現創造了可能。現如今，全玻璃幕墻主要用于游覽裝飾，不僅設置在建筑物的外圍，也同樣設置于建筑物的地面或者頂層。其受力結構采用玻璃梁(肋)代替了傳統的鋁框結構，更多的利用玻璃的透明特征去追求建筑物與自然的連接，使建筑物結構清晰透明，美學性能達到極致。全玻璃幕墻的支撐形式有兩種，幕墻高度低于4．5 m時采用下部支撐的方式，幕墻高度超過4．5 m時主要采用上部錨定的形式防止幕墻的失穩。

2 玻璃幕墻的設計計算方法

玻璃幕墻是建筑物的靚麗外衣，增添了城市的魅力。作為建筑設計的一種表現形式，其經過我國幾十年的發展，各項技術措施基本可以滿足當代人們的需要［3］。玻璃幕墻雖然只是一種建筑物的裝飾結構，不承受主體建筑的荷載，但其在外界作用下也會存在安全隱患，我國因玻璃幕墻的損壞造成的安全事故頻繁發生，使其安全性能受到了人們的廣泛關注。因此在玻璃幕墻的施工之前要做好其各種受力分析。

2．1 幕墻的設計要求

玻璃幕墻的主要設計形式是框格結構，其設計要求是指對其框格的組成、受力的組成進行分析。對于隱框玻璃幕墻和半隱框玻璃幕墻還要對其使用的硅酮結構膠的粘結性能進行分析，保證粘結力能將玻璃牢固的粘結在附框上，滿足承載力的需求。玻璃幕墻的設計要滿足以下五條:

1)玻璃幕墻是一種建筑物的外圍護結構，其主要功能是圍護和裝飾，對建筑物的主體基本沒有大的影響，因此其只需按照圍護結構進行計算設計，承載力滿足幕墻自重、風荷載和地震的要求，不必考慮對建筑主體的承載和作用。

2)玻璃幕墻應具有一定的位移能力，使其有足夠的空間去減緩外力的破壞作用，減少幕墻因變形而造成的損害。

3)幕墻墻體和連接構件的剛度、承載力要好，當幕墻受到大的不可抗力的摧毀時，也要保證玻璃不可破碎，幕墻整體結構不脫落。

4)在地震多發區，要做好幕墻的防震設計，幕墻玻璃采用具有不破碎特征的纖維玻璃，幕墻骨架不能脫落，在受到地震作用后還可以進行修補使用。

5)影響玻璃幕墻安全性能的因素較多，在設計時要綜合考慮地震荷載、風荷載、溫度作用、玻璃幕墻自身特點、橫梁和立柱的受力方式、結構膠性能等［4］。

2．2 玻璃幕墻的受力設計

1)幕墻結構安全度:幕墻的安全度與荷載的大小和材料的強度有關，在兩者設計計算時所采用的規范必須相同，否則就會導致設計的安全度偏低。

2)承載力設計:承載力設計的表達方式主要分兩種:內力表達方式和應力表達方式。由于玻璃幕墻所受外力復雜，設計中多采用應力表達式法。

3)荷載與作用效應的組合:幕墻同時會受到多種荷載的作用，必須考慮幕墻在綜合荷載下的受力情況，其承載力設計值要小于材料的強度實際值，并運用彈性計算方法對各種荷載進行組合計算。

4)風荷載設計:風荷載是幕墻的主要受力形式，其是一種直接作用在幕墻上的垂直力，按照規范要求，風的作用力在2．0 kN/m～5．0 kN/m之間，幕墻在其作用下會產生較大的彎矩，因此要著重防止幕墻的彎曲。

5)地震作用:地震的最大特性是突發性和破壞性，幕墻會受到地震波的嚴重影響，受力情況復雜，具體設計按照GB 50011-2010建筑抗震設計規范進行計算。

6)溫度作用:玻璃在溫度的變化中，體積會相應的有所變化，這種變化的解決方法比較簡單，因此如今基本不需要對溫度的影響進行計算。

3 安全質量評估

玻璃幕墻是一種新型的建筑結構，因其具有較好的裝飾性能，被廣泛使用。玻璃幕墻的使用壽命比較短，隨著時間的推移，其安全性能嚴重影響著人們的生命財產安全，1996年廣東湛江市玻璃幕墻的損壞就是一個很好的反面例子，因此要對其安全質量的評估方法進行研究和探索。

由于玻璃幕墻安全質量受到較多因素的影響，每個因素的影響程度和確定都比較模糊，因此學者們發明了模糊綜合評判方法，這種方法建立在區間數模糊綜合評判方法的數學模型之上，較好的解決了各種不確定因素對玻璃幕墻造成的影響，使玻璃幕墻的安全質量問題有據可依。

4 結語

21世紀，隨著科學技術迅速發展和人們對美的要求，玻璃幕墻的結構形式、使用范圍也逐漸擴大，隨著玻璃幕墻事故的頻繁發生，對其結構的設計和安全性能的要求日益增加，特別要注意的是高層建筑中玻璃幕墻的安全性能。綜合考慮幕墻的材料、結構、所受荷載，建造具有地區特點的玻璃幕墻。

如今，對于玻璃幕墻安全質量的評估，還沒有一個官方的規范，其很大程度上依靠多年來幕墻工程中總結出來的經驗，因此，在以后的發展中不僅要借助經驗，還要通過各種實驗和實測，做出一個具有指導意義的規范。

［1］張 芹．新編建筑幕墻技術手冊［M］．濟南:山東科學技術出版社，2004．

［2］丁 鷗．高層建筑玻璃幕墻結構分析及其計算機模擬應用［D］．廣州:中山大學，2002:4-6．

［3］劉小根，包亦望．基于固有頻率變化的框支承玻璃幕墻安全評估［J］．沈陽大學學報，2011，33(5):595-600．

［4］張 芹．建筑幕墻與采光頂設計施工手冊［M］．北京:中國建筑工業出版社，2002．