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建筑幕墙结构设计的若干理念及应用

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@https://www.doczj.com/doc/4a997651.html,

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；

（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：

212.24×143.64m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米，地上2层，局部6层，

檐口30～39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。7～145米，

屋面高14～32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

（清华大学土木工程系北京100084）

E-mail: lishf@https://www.doczj.com/doc/4a997651.html,

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（1.5㎜—6.0㎜）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（8㎜—40㎜）

钢板和普通型号型钢组成的钢结构；

·重型钢结构, 主要以较厚度（40㎜—100㎜）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；

（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λ≤400）；

·张拉柔性支撑（不限其长细比λ≥400）。

·刚性支撑（长细比λ≤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，N，V）x,y,z或应力，σ

，τij ；

x,y,z

·形变反应：位移，D x,y,z或应变，εx,y,z，

γij；

·振动反应：频率ωx,y,z；振幅a x,y,z；速度

?x,y,z；加速度?x,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。

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 σ≤f u

·脆性断裂 A C D K1≤K1C

·疲劳破坏 A C D K1≤K1C

·曲屈失稳 B C E b/t, L0/r,σ≤f y

·机构塌毁 B C E b/t, L0/r,σ≤f y

·过大变形 B C E L0/r,σ≤f y

·不适振动 B C E L0/r,σ≤f y

其中：K1=Yσa1/2--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;

σ—场应力；

a—裂纹长度。

九、建筑结构用钢

1类别：

·强度级别：Q235，Q345…；

·质量等级：Q235A～D；Q345A～E

A级（保証抗拉强度f u、屈服强度f y，伸长率δ5，冷弯α；硫，磷合格，但是，无A K值保

证，且碳、锰含量不作为交货条件）；

B级（增加200±50C 下的A K值，和碳、锰含量合格保证）；

C级（增加≥00C 下的A K值和碳、锰含量合格保证保证）；

D级（增加≥－200C 下的A K值和碳、锰含量合格保证保证）；

E级（增加≥－400C 下的A K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f u

·屈服强度f y

·疲劳强度σf

（2）塑性:

·伸长率δ5, δ10，材料在单向拉伸下的变形能力；

·冷弯角α，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Ψ=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A K≥27 J/cm2(Q235钢)

A K≥29 J/cm2(16Mn钢)

不同型材，不同温度的实际A K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。

3 钢结构对钢材的三项基本力学性能要求：f u，

f y，δ5（或δ10）。

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=f y/γR

（2）抗力分项系数γR，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，γ

R=1.087～1.110。

（3）不锈钢的抗力分项系数；γR=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f u下建议:γR=2.2,

·单根钢丝的设计强度 f gs=f u/2.2,

总安全系数K≈1.4×2.2≈3。

·钢绞线的设计抗力N gjx：

N gjx=A gs×f u/2.5，

总安全系数K≈1.4×2.5≈3.5;

或N gjx=N tu/K= N tu /3.0。

其中：N tu,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；

幕墙新技术、新产品、新工艺、新材料应用(完整篇)

新技术、新产品、新工艺、新材料应用（幕墙完整篇）在遵循“科技是第一生产力”的原则，实施广泛应用新技术、新工艺、新产品、新材料“四新”成果，充分发挥科技在施工生产中的先导、保障作用。一、从技术上保证进度 1、由项目部总工程师全面负责该项目的施工技术管理，项目经理部设置工程技术部，负责制定施工方案，编制施工工艺，及时解决施工中出现的问题，以方案指导施工，防止出现返工现象而影响工期。 2、实行图纸会审制度。 3、采用新技术、新工艺，尽量压缩工序时间，安排好供需衔接，统一调度指挥，使工程有条不紊地进行施工。 4、实行技术交底制度，施工技术人员在施工前认真做好详细的技术交底。二、推广采用新技术、新材料、新工艺，组织好施工生产 1、推行全面质量管理，在施工中制定全面质量管理、工作规划，超前探索和解决施工中的疑难问题，消除质量通病。 2、建立完善的技术管理体系按照实施性施工组织设计确定的施工程序，精心组织流水线平行

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浅谈高层建筑结构设计的优化

浅谈高层建筑结构设计的优化摘要：在社会经济快速发展的背景下，城市建筑用地资源日益紧张，高层乃至超高层建筑项目不断兴起，在城市建筑领域中占据着相当重要的地位，并带动着建筑行业的蓬勃发展。高层建筑项目建设中，结构设计的质量水平会对高层建筑物的整体性能产生影响，如何对高层建筑结构进行优化设计是业内人士必须关注的一项课题。本文即探讨在高层建筑结构优化设计中存在的不足之处，并提出了高层建筑结构优化设计的解决措施与方法，望能够促进建筑结构设计方案的进一步优化与发展。关键词：高层建筑；结构；设计；优化引言：高层建筑凭借着自身众多优势而成为当前城市建设中最重要的类型。而结构设计的科学合理性对高层建筑的安全稳定性、适用性、耐久性及经济性等有重大影响，因此优化高层建筑结构设计意义重大。高层建筑结构优化的主要目的是在满足人们基本居住要求的前体下，实现对有限空间及资源的更合理分配，以提升房屋的安全、舒适及美观性。建筑工程包含的内容众多，因此结构设计优化的内容也是多方面的，在结构优化设计中，只有从多角度进行全面的优化设计，才能从整体上促进高层建筑结构优化设计水平的提高。 1、高层建筑历史与现状发展在很早以前就有了结构化优化的思维，是在很多建筑设计者的实践中提炼出来的，林同炎设计大师就是首次在国内提出结构化优化的方法。之后在我国高层建筑迅速发展，目前发展已经十分惊人，各种优化方法也层出不穷。在早前，手工画图时代，结构设计师都是依靠先把空间问题转换成平面问题。此时通过计算力学效应，逐步分析计算和考核，强度、整体受力情况都需要一一验算核准，强调安全性，也要满足设计的基本要求。然后凭经验初取截面，再进行强度验算校核、整体受力验算等步骤。由于受到当时条件制约，整体上要既要实现经济，又要完全达到优化设计是很难达到的。随着计算机的普及，在建筑设计上的应用，利用计算机来优化建筑设计结构，研究成果虽然取得了突破性的进展，但是应用上并不如人意。那是因为科研的结果与现实的运用在很大程度上有一定的距离，现实中会考虑更多的约束条件，工程的复杂性在现实中得到体现。不是科研中的简单函数关系就能处理完成，需要考虑实际情况。工程的复杂和不可复制性，就决定了结构化优化的难度。各种计算机语言和软件的出现，为建筑结构化设计提供了精准的计算，让设计更有迅速。即便如此，科学研究的最优解和建筑实际的最优化还是有很大的区别，理论和实践区别在于实践的变化性。这就需要以实践为基础，更深入的去研究，从结构优化，到安全、美学、功能等方面进行优化。 2、设计高层建筑结构合理性所遵守的原则 2.1 高层建筑结构基础设计方案要合理高层建筑场地的地址因素是决定高层建筑结构基础方案如何选择的参考依据。合理、有效的高层建筑结构基础方案的设计，必须结合相应的地址勘探条件，必须切实、全面的考虑周边原有建筑群体、施工限制条件、地基荷载分布情况与高层建筑结构类型等相互间的关联因素。 2.2 保证高层建筑结构设计方案的合理性

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