基于建筑幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化探討

李幸清

摘 要：隨著我國城鎮(zhèn)化建設(shè)的快速發(fā)展，城市建筑在功能性、實用性和節(jié)能環(huán)保等方面的要求越來越突出。建筑幕墻的形式與功能的多樣性使得建筑具有了更多的美觀和實用效用。在現(xiàn)代化建筑中各種形式和結(jié)構(gòu)的幕墻對于建筑的整體結(jié)構(gòu)在力學(xué)性能和安全性能等方面，對其結(jié)構(gòu)設(shè)計提出了很高的要求，同時，在幕墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計中還要兼顧經(jīng)濟(jì)性和美觀效果。但在實際施工設(shè)計中，由于各種設(shè)計因素和施工因素的影響，很多幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計中存在著諸多不足，影響著建筑的安全與質(zhì)量，這就需要在建筑幕墻的設(shè)計過程中，認(rèn)真研究其結(jié)構(gòu)選型及外在體現(xiàn)的效果，從而滿足建筑幕墻的設(shè)計需求。本文主要闡述現(xiàn)代我國建筑結(jié)構(gòu)中幕墻結(jié)構(gòu)的主流設(shè)計思路，及日后發(fā)展創(chuàng)新的思路，提出現(xiàn)代化建筑幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化策略。

關(guān)鍵詞：建筑；結(jié)構(gòu)；設(shè)計；優(yōu)化

1 前言

近些年，人們的生活水平在不斷提高，對于建筑物的要求也更高。傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計已經(jīng)無法滿足人們對建筑外觀和功能等方面的需求。除了傳統(tǒng)的住宅建筑以外，新型的公共建筑、玻璃幕墻建筑等新的建筑涌現(xiàn)，這對建筑設(shè)計師提出了更高的要求，設(shè)計師需要不斷探索建筑、結(jié)構(gòu)，采取科學(xué)措施優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計，提升建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化水平，從而更好的服務(wù)于施工。筆者根據(jù)相關(guān)工作經(jīng)驗，主要探究建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的優(yōu)化策略，供大家參考和借鑒。

2 建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化概述

設(shè)計師對建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化是一項專業(yè)性較強的工作。在明確建筑設(shè)計目的、使用功能的基礎(chǔ)上，用恰當(dāng)?shù)姆椒ㄟM(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，建筑設(shè)計先制定多種對比方案，綜合考慮外立面的設(shè)計，再結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)計中安全實用和可行性較強的設(shè)計方案，對項目的優(yōu)化設(shè)計進(jìn)行綜合的考慮。因為建筑工程涉及的面比較廣，因此對建筑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計涉及豐富的內(nèi)容，主要包括建筑方案優(yōu)化和結(jié)構(gòu)、成本方案優(yōu)化。如果再進(jìn)一步細(xì)分，建筑方案優(yōu)化包括總圖規(guī)劃方案、戶型方案、建筑風(fēng)格等方面的優(yōu)化等等； 結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計包括： 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)化設(shè)計、結(jié)構(gòu)選型方案的優(yōu)化設(shè)計和結(jié)構(gòu)細(xì)部設(shè)計的優(yōu)化設(shè)計等等[1]。設(shè)計師通過建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計可以合理分配固定資源和有限空間，最大化使用建筑設(shè)備和建筑材料，保證建成的房屋具有美觀，安全和舒適等特點。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化主要是合理分配資源，并且對資源進(jìn)一步加強固定。在造價方面，經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計的房屋更加節(jié)省。如果站在長遠(yuǎn)利益的角度，建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計是一種可持續(xù)的理念，可以最大化的利用資源。

3 建筑幕墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計中需要注意的問題

其一，幕墻結(jié)構(gòu)是建筑物外觀結(jié)構(gòu)的一部分，它必須在滿足美觀和實用功能的同時，根據(jù)幕墻結(jié)構(gòu)的功能需求，對其構(gòu)件的設(shè)計充分考慮使用要求和足夠的強度、剛度，即在外力作用下的變形性的穩(wěn)定范圍。當(dāng)然有時某些結(jié)構(gòu)的設(shè)計需要根據(jù)需求偏向于某一方面的設(shè)計要求，但必須是在安全的前提下進(jìn)行[2]。

其二，設(shè)計過程中，要考慮幕墻所可能承受的各種載荷，根據(jù)建筑物所處環(huán)境與建筑物結(jié)構(gòu)形狀分析可能的風(fēng)載荷、雪載荷、重力載荷，還要根據(jù)當(dāng)期氣候條件分析溫度變化或自然災(zāi)害可能帶來的載荷影響，以及這些載荷變化帶來的幕墻結(jié)構(gòu)外形的變化，充分設(shè)計幕墻結(jié)構(gòu)的承載能力，保證結(jié)構(gòu)的安全性。

其三，幕墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計中還需要根據(jù)結(jié)構(gòu)的功能條件和載荷設(shè)計能力，合理取值，優(yōu)化結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。避免在設(shè)計中片面強調(diào)經(jīng)濟(jì)性而忽略了安全性能，也要避免過度浪費。

4 建筑幕墻設(shè)計優(yōu)化思路

建筑幕墻設(shè)計是一項非常復(fù)雜且專業(yè)的技術(shù)，涉及到傳統(tǒng)的應(yīng)力計算和安全設(shè)計學(xué)，設(shè)計者在保證幕墻結(jié)構(gòu)安全、經(jīng)濟(jì)、美觀的前提條件下，需要對整個方案做細(xì)致的優(yōu)化工作[3]。

4.1 結(jié)構(gòu)安全優(yōu)化

幕墻結(jié)構(gòu)的安全設(shè)計主要包括載荷壓力計算和幕墻結(jié)構(gòu)安全性兩大塊，在保證了第一點達(dá)標(biāo)之后，我們還需對結(jié)構(gòu)的整體安全做一道防護(hù)工序。現(xiàn)實環(huán)境下，高層建筑不斷受到各種惡劣天氣的沖擊，幕墻結(jié)構(gòu)經(jīng)常會面臨著雨雪雷電的“腐蝕”，受到火災(zāi)的考驗。因此，結(jié)構(gòu)的防火、防雪、防雷、防震等性能，都是在設(shè)計方案中不得忽略的細(xì)節(jié)。較大型的玻璃采光頂，必須使用耐火極限不低于0.25h的三級耐火級的吊頂，同時滿足結(jié)構(gòu)防火的要求，其他如防雷、防高空墜物、防冰雹等設(shè)計要求，在抗震設(shè)計中，玻璃幕墻的鑲嵌深度要保證可靠固定[4]。重點做好各構(gòu)件連接點的設(shè)計優(yōu)化，幕墻結(jié)構(gòu)消防安全通道的影響布置也很重要。

4.2 載荷性能優(yōu)化

設(shè)計師可以根據(jù)結(jié)構(gòu)的選材和形式，來計算出幕墻結(jié)構(gòu)的整體載荷極限。如果幕墻載荷極限過低，則很容易在周遭環(huán)境的變動下，發(fā)生安全隱患。設(shè)計師在考慮清楚這一點后，需要對整座建筑附近的地理、氣候環(huán)境等因素作出評估，最后再根據(jù)計算出來的幕墻載荷極限，來選擇耗材，設(shè)計墻體外觀。

4.3 結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)化

考慮幕墻結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)合理性，是整個工程項目預(yù)算的組成部分，影響到整個工程的開展進(jìn)度與效率。合理的幕墻設(shè)計方案，既能滿足基本的美觀與安全性需求，同時在選材類別和量的方面，也能做到經(jīng)濟(jì)適用，不會造成鋪張浪費，或大材小用。

4.4 采光、保溫等功能優(yōu)化

建筑幕墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計不僅僅是對建筑物的美觀設(shè)計，同時，幕墻結(jié)構(gòu)帶來的采光和保溫等實用功能才是幕墻結(jié)構(gòu)得以快速發(fā)展的主要功能，而保溫隔熱和采光有時其功能會發(fā)生沖突，如玻璃幕墻的采光效果好，但保溫隔熱差，因此，選擇不同傳熱系數(shù)的玻璃，采用隔熱斷橋鋁型材作為框架結(jié)構(gòu)，同時優(yōu)化密封方式，采用雙層幕墻，相對于單層傳統(tǒng)幕墻，在采暖時可以節(jié)省能源約40%到50%，制冷時可以節(jié)約能源約40%到60%[5]。

4.5 建筑材料優(yōu)化

隨著社會技術(shù)的發(fā)展，在市場上有很多新型的節(jié)能環(huán)保材料可供選擇。對設(shè)計師而言，需要對新型的材料有敏銳的觸覺，能夠在設(shè)計時考慮采用合適的新型環(huán)保材料，以達(dá)到減少能耗、減少造價的優(yōu)化要求。如帶保溫、防火性能的外墻仿石材裝飾系統(tǒng)、鋼筋網(wǎng)片等的新型材料，都能對項目的優(yōu)化設(shè)計、降低工程造價、加快工程施工進(jìn)展帶來明顯的優(yōu)化效果。

4.6 平面設(shè)計方案優(yōu)化

建筑的平面設(shè)計方案不同，建筑的合理使用性以及建筑成本的需求量也會不同。因此在多個建筑平面設(shè)計方案中選擇最優(yōu)設(shè)計方案非常重要，要確定建筑的平面布局、柱網(wǎng)間距到樓層數(shù)、層高、建筑物的高度和房屋的基本類型等，同時房屋開間大小和進(jìn)深對會對設(shè)計方案產(chǎn)生影響。如果建筑房屋的性能相同，一般設(shè)計方案和最優(yōu)設(shè)計方案的成本不同。因此在優(yōu)化設(shè)計方案時要根據(jù)具體情況選擇側(cè)重點。

5 結(jié)語

總而言之，合理、優(yōu)化的建筑設(shè)計不但可以節(jié)約項目造價成本，還可以為社會創(chuàng)造附加經(jīng)濟(jì)價值，建設(shè)成本的有效控制與資金節(jié)省、充分高效合理的使用土地資源。為此建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中，要優(yōu)化設(shè)計建筑結(jié)構(gòu)，提高設(shè)計水平。

文章首先對建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化進(jìn)行概述，再分析建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計的意義，原則和策略，最后提出建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計策略的應(yīng)用。希望通過本文的研究對建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中優(yōu)化水平的提高有所幫助。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王美倫.參數(shù)化設(shè)計在復(fù)雜形態(tài)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用[D].北京建筑大學(xué)，2016.

[2] 高麗慧.夏熱冬冷地區(qū)雙層玻璃幕墻熱通道內(nèi)氣流組織模擬分析[D].湖南大學(xué)，2015.

[3] 李毅.L型截面高層建筑風(fēng)荷載特性及其優(yōu)化設(shè)計研究[D].湖南大學(xué)，2015.

[4] 黃隆旺.簡析球形幕墻設(shè)計技術(shù)[J].工程建設(shè)，2014（3）：21～25+31.

[5] 丁力.基于ANSYS的固定式擦窗機的設(shè)計與研究[D].安徽理工大學(xué)，2013.