構建幕墻鋼結構理論知識與專業技能體系初探

符旭晨 宋寧

1.浙江中南建設集團有限公司 浙江 杭州 310052

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幕墻鋼結構專業作為鋼結構和幕墻的交叉學科專業，它內在本質是鋼結構體系一個分支，其功能和表現形式卻是為了服務幕墻，已經發展為一個從業人數眾多的獨立專業。但長久以來，一直未見對此專業進行系統化理論知識總結和專業技能體系構建的相關著作或者技術文件出現，這為行業的規范化發展帶來極大不便，也為從業人員的理論知識增長和專業技能培訓積累造成障礙和思想混亂。不管是該專業目前發展現狀，還是未來進一步發展都需要進行理論知識總結和專業技能進行系統化構建。

1 幕墻鋼結構的定義與主要內容

到底什么是幕墻鋼結構，目前尚無明確的定義。一般來說，狹義上的幕墻鋼結構為幕墻設計配套的雨篷鋼架、門頭鋼架、立面幕墻鋼架、出屋面邊緣幕墻鋼架、采光頂鋼架和汽車坡道鋼架。廣義上的幕墻鋼結構是除了上述鋼架外，還包括屋頂塔架、建筑之間連廊鋼架、觀光電梯井道鋼架、建筑內部夾層鋼架以及戶外樓梯甚至室內樓梯，小區景觀小品鋼結構等，由土建設計院分包于幕墻設計院來完成的區別于主結構的次要附屬結構。

圖1 幕墻鋼結構理論知識與專業技能體系總圖譜

2 幕墻鋼結構理論構建工作內容、方法與初步成果

對于幕墻鋼結構專業理論構建工作主要圍繞著上節所述其主要工作內容展開。 包括埋件、雨篷鋼架結構、立面鋼架結構、屋頂鋼架結構等。而對于理論知識來源方法則主要有兩類：歸納和演繹。歸納就是把日常設計工作中碰到的問題、問題討論過程、問題解決方案進行知識積累，積累過程不斷實現由點到面的突破，進行抽象化系統化歸納，從而最終形成理論化成果。這個過程可以理解為幕墻鋼結構理論構建過程中理論來源方法的唯物論。而演繹則是拿其它學科理論知識或者最前端的研究成果，當然主要是主體結構設計理論進行幕墻鋼結構化改造處理后演變成幕墻鋼結構設計理論。這個可以理解為幕墻鋼結構理論來源中的辯證法。而就其歷史源頭來說應該可以追溯到發表于《幕墻設計》2016年第5期(十月號、總第59期)的那篇《從屋頂鋼塔設計談幕墻鋼結構的概念設計》論文（論文后被《建筑工業》期刊2018年度會議論文集收錄），該論文首次初步系統性地闡述了幕墻鋼結構的概念設計理論問題，點燃了幕墻鋼知識理論與技能體系構建重任的星星之火。

幕墻鋼結構理論研究工作已經取得一定程度的進展，其成果主要包括如圖1所示22篇論文（隨著后期的不斷增益，最終會達到25篇左右），其中有12篇已經發表在相關期刊發表，另 7篇已經完成初稿，會在近一兩年內陸續在相關專業刊發表。有興趣的讀者可以回讀相關論文和持續關注后期發表工作。這些論文集群涵蓋了荷載、埋件、雨篷、立面鋼架、電梯井道鋼架以及屋頂鋼架甚至玻璃、鋁板計算在內的幕墻結構幾乎所有部分，從理論上清晰明確地論述了這類結構的力學特征與設計思路。

3 幕墻鋼結構理論的實踐應用

任何理論必須能夠指導我們的實踐和服務于工程項目才有具體實際意義。幕墻鋼結構理論亦不例外。故工作與實踐應該成為幕墻鋼結構知識理念與專業技能體系構建工作的中心和重點。如圖1所示，這塊內容主要有五個部分：分別是設計標準、制圖標準以及節點圖庫、對員工進行專業技能培訓或者考核的專業庫題以及工作中常用到的制圖與計算軟件、對這些軟件進行二次開發或者單獨開發專業軟件的編程開發工具。

圖2 幕墻鋼結構設計標準內容總覽

3.1 對于幕墻鋼結構理論必須落地到具體實踐項目才能夠發揮其強大的指導意義。一般來說，設計標準是理論變成具體實踐的中介和橋梁，它是將理論知識與實踐以及日常經驗具體化、條理化的重要技術文件。因為幕墻鋼結構體量較小，相對于傳統主體結構其傳力路徑有其自身的特征：一、設計時必須要考慮其支座主體結構承載力和剛度；二、自重較輕，如荷載中水平作用較大；三、需要考慮溫度作用；四、因幕墻裝飾的屬性，故其在設計過程中需要考慮美觀問題。幕墻鋼結構的這些特性使其在設計工作中有自身獨特的設計特性和設計思路。常規的主體結構設計思維不盡合適，故專門編制一套設計標準是必要的。幕墻鋼結構設計標準內容總覽詳見圖2所示。

3.2 而目前來說我們的設計思想則必須通過制圖來給予表達，正確明晰的制圖規則是設計師將設計思想充分完整明晰地傳達給相關專業人員的必要保證。故一個所有相關技術人員遵守的制圖規則是必要的。另外制圖上亦同主體結構制圖不同，幕墻鋼結構需要大量表達同主體結構的關系、構件相對較小、比例偏大、方位變換較多、節點設計更為精細，這些特征使得幕墻鋼結構制圖時采用主體結構的制圖標準有不盡合理的地方，故編制專門的幕墻鋼結構制圖標準亦是必要和可行的。制圖標準內容總覽詳見圖3。

圖3 幕墻鋼結構制圖標準內容總覽

3.3 專業幕墻鋼結構節點圖庫是一種可提高設計師制圖速度，提高設計效率的優秀工具。亦可為初入行年輕設計師提供一個快速進步，盡早在技術上成熟起來的捷徑。所以一個全面與優秀的節點圖庫亦是構建幕墻鋼結構理論知識和設計技能時必須子項之一。幕墻鋼結構節點圖庫的整體內容詳見圖4。圖庫截至目前為止共收錄386個常用幕墻鋼結構節點。涵蓋了鋼結構焊接大樣、預埋件與后埋件節點、特殊支座節點、梁梁連接節點、梁柱連接節點、抗震框架節點、拉桿節點、以及幕墻鋼結構設計師知識技能拓展用的樓承板作法節點、簡單砌體結構，簡單獨立基礎、條形基礎、樁基礎、簡單混凝土框架作法、混凝土結構加固甚至簡單膜結構等。

3.4 設計一套對幕墻鋼結構設計師有效的能力考核辦法，是促進和提高設計專業能力的有效手段。以考核題目的形式出現，將一些設計師在工作中容易犯的問題、容易忽視之處、甚至概念完全錯誤的地方等這些瑣碎專業的知識點以題庫考點的形式出現，既可以考核量化設計師的工作能力，又可以起到對設計疑難點進行有效預警作用。最終目的是提高設計師的理論水平和設計技能，從而提高工程設計質量。例如，判斷正誤題型中的第一題：“高強螺栓分為承壓型和摩擦型，因為抗剪機理完成不同，故其采購和安裝時預拉力值以及施扭工藝必須嚴格區別，不可混用”。這是針對眾多鋼結構設計師一個錯誤概念而來，實質上，高強螺栓從生產、采購和施工來說，并沒有任何區別，更沒有承壓型和摩擦型區分，甚至其施工方法也是完全一樣的，施加的預拉應力也是完全一樣的，其區別主要是節點抗剪原理，節點板加工時是否制作摩擦面。真正的區分是連接原理，所以正確的提法應該是摩擦型連接或者承壓型連接，而非設計師經常提到的摩擦型高強螺栓和承壓型高強螺栓。顯然，這樣的題目設置對于糾正設計師的錯誤知識概念，建立正確的知識概念是非常有意義的。筆者編制的專業題庫目前共包括判斷正誤、單項與多項選擇、分析與計算三類題目共計二百小題。均來自日常幕墻鋼結構設計工作實踐，后期會不斷增益和完善。

3.5 專業軟件是設計師日常必須用到的設計工具，幕墻鋼結構所需要的專業軟件用分三類。第一類是制圖類軟件，包括常用的Auto CAD、Sketch Up等，是平面制圖和三維建模的必要工具。第二類是結構計算軟件，主要是Sap2000、Midas、3D3S等。主要是進行結構計算時，力學仿真計算和規范校核的。第三類是各種編程開發語言工具，主要包括VB、VC、 C#、Python等，主要為進行專業軟件開發所準備。市場上專業軟件一般是為通用制圖與仿真計算準備，故其專業化程度未必很高。另外，因為多為非專業人員開發，不可避免地會存在一些不順手甚至完全錯誤的地方，故由幕墻鋼結構專業人士根據自己工作實踐需求開發實用結構軟件是必要的。例如，日常工作中常用的后埋件錨栓計算軟件多為某國際知名錨栓品牌商提供，該計算軟件是根據歐盟相關錨栓計算標準編制而來，同中國標準JGJ145《混凝土結構后錨固技術規程》有相當多不一致的地方，并不完全符合中國實際情況。

圖4 幕墻鋼結構節點圖庫內容總覽

圖5 幕墻鋼結構相關軟件

更何況中國設計師使用該軟件進行計算時，后埋件內力是根據中國標準計算而來的，這種前端荷載與效應（S）按中國標準計算，而后端承載力（R）按歐盟標準計算，然后來對比與判定錨栓安全性中西混用做法顯然是有問題的。而根據JGJ145《混凝土結構后錨固技術規程》手算后埋件則是一個相當繁瑣與耗時的過程，效率極為低下。這種情況下，設計師自己編寫軟件就是有強烈必要性的。而系統性的介紹和推薦一些專業開發語言工具，為一些有能力的設計師進行專業能力拓展準備是具有現實意義的。同時，隨著年輕設計師的高學歷化越來越明顯，計算機水平也越來越高，這也為設計師開發出高質量的專業軟件提供了可能性和人才與知識準備。幕墻結構設計師常用的專業軟件如圖5所示。圖6為本人所編寫的《預埋件、后埋件與植筋計算軟件》主界面，該軟件可實現錨栓布置的動態編輯，可自動生成word計算書文件，以及DWG格式AutoCAD文件。除了全部依據中國規范進行編制為，對幕墻鋼結構常用的預埋件、后埋件與植筋三種連接方式進行整合為一計算軟件，顯然對于提升幕墻鋼結構連接的計算效率是非常有益的。

圖6 預埋件、后埋件與植筋計算軟件主界面

4 幕墻鋼結構相關的國家規范與案例

現行相關國家規范是本行業群體經驗和群體理論高度應用化總結。是我們的設計依據，亦是專業技術人員進行設計和溝通時的依據。一個優秀設計師不僅應當熟悉規范相關條文字面含義，更應該了解掌握這規定這些條文之意圖和精神，并能夠靈活地加以運用。故對同幕墻鋼結構相關的我國現行規范進行深入解讀是必要的，如圖1所示，本圖譜詳細列出了十六本規范（個別規范僅涉及其中部分章節）。

此外，隨著全球化進展加速，海外項目亦大量出現，這就要求設計師必須了解相關國際主流標準規范相關理論知識，特別是國家地域性比較強的荷載（主要指風和地震以及雪荷載）統計與計算方法，當地采購材料性能指標等以及這類材料計算方法與性能指標我國標準規范統計方法的比較等。如果不能夠熟練掌握，在海外項目設計計算工作中就可能因一個小的知識點欠缺而引起計算或設計缺陷造成巨大工程損失。例如，風荷載計算中涉及到一個基本風速確定問題，而各國基本風速確定時采用的測速高度、風場場地狀況、粗糙度與統計方法均有所不同。一個重要參數叫風速標準時距，就是統計風速所使用時間段長短。這個數據國際上各國風荷載標準中是不同的：美國、印度、澳大利亞取3秒，而我國、前蘇聯、日本、國際標準化組織取10分鐘，而英國、加拿大則取為1小時。各種風速標準時距的換算關系見下表1(表中具體換算數據來自國際標準化組織ISO)。

表1 各種不同時距風速平均比值

根據表中數據，最常用的3秒鐘風速時距同10分鐘風速時距的換算問題系數是1.42，注意這與我國規范JGJ131《金屬與石材幕墻工程技術規程》中規定的1.5修正系數略有差異（而國際標準化組織中推薦的與瞬時風速的修正系數為1.5，此規程雖然言明根據來自國際標準化組織，但將3秒風速的修正值采用1.5，也許有規范制定者自己的考慮）。

經典幕墻鋼結構設計案例分析亦是設計師熟悉設計理論，快速提高自身設計水平的有效手段。故在專業技能體系中應包括數個典型的設計案例,實際上，在理論構建部分二十二篇論文中已經包含了亞洲基礎建設投資銀行總部大樓項目立面高大幕墻鋼架等不少案例分析。后期會繼續提供雨篷、立面、電梯井道鋼架、屋頂典型設計案例等，全方位提高設計師理論水平和設計經驗。

5 總結

雖然幕墻鋼結構理論不過只是結構理論與規范體系森林中的一顆小草，但從以上自身的內容來看，這顆小草的豐富和完善亦可成長為參天大樹。行業的發展需要各位同行的共同努力。水平有限，希望各位同行來共同為幕墻鋼結構理論知識與專業技能體系的構建添磚加瓦和精細打磨，以期早日將其建成高樓大廈。

道長且險且艱，任重且急且寬，但前行的途中不會停歇。相信隨著幕墻行業的發展，理論與實踐的不斷豐富和完善，加上行業內眾多同仁的共同努力，構建幕墻鋼結構理論知識與專業技能體系的宏偉目標必將實現！