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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）

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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:

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）。

浅析高层建筑结构设计的中震设计概念

浅析高层建筑结构设计的中震设计概念发表时间：2016-06-27T14:51:54.553Z 来源：《基层建设》2016年5期作者：隆凡梅 [导读] 本文主要阐述了中中震设计的原理、设计方法及软件操作，并提出一些个人见解以供参考。摘要：对于普通建筑物的结构抗震设计，目前我国是以小震为设计基础，中震和大震则是通过地震力的调整系数和各种抗震构造措施来保证的。但是对于较重要的、超高的、超限的建筑物则需要进行中震和大震的抗震计算。本文主要阐述了中中震设计的原理、设计方法及软件操作，并提出一些个人见解以供参考。关键词：中震设计概念；地震影响系数；荷载《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001 2008年版)(下简称《抗规》)中对中震设计仅在总则中提到“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设防目标，但没有给出中震设计的设计要求和判断标准。首先我们了解一下现行《抗规》存在几个问题： 1规范未对结构存在的薄弱构件进行分析并作出专门的设计规定，仅对框架类剪切型结构适用的薄弱层作了一些规定； 2在中震作用下，规范仅提出“中震可修”的概念设计要求，没有具体的抗震设计方法； 3“中震可修”的技术经济问题：可修的标准决定工程????造价、破坏损失、震后修复费用。随着时代的进步，现在的建筑物体型复杂，结构新颖，超高超限越来越多，因此要求对结构进行中震的设计也越来越多。 2 中震设计 2.1 为何要进行中震设计呢？《抗规》条文说明1.0.1条指出，对大多数结构，可只进行第一阶段设计（即小震下的弹性计算），而通过概念设计和抗震构造措施来实现“中震可修和大震不倒”的设计要求，但前提是建筑物的体型常规、合理，经验上一般能满足大中震的抗震要求。反之对于一些体型很不好的甚至超限的建筑物，在大震下的结构反应和小震完全不同，不进行相应的中震和大震计算是没法保证结构安全的。为达到各阶段抗震要求，须对于上述体型异常、刚度变化大、超高超限等类型建筑物进行中震抗震设计，其余类型建筑物建议可按中震抗震进行验算。 2.2 中震设计的基本概念抗震设计要达到的目标是在不同频数和强度的地震时，要求建筑物具有不同的抵抗能力。中震设计就是为了使建筑物满足该地区的基本设防烈度，即能够抵抗50年限期内可能遭遇超越概率为10％的地震烈度。中震设计和大震设计都可称为性能设计。基于性能的抗震设计是建筑结构抗震设计的一个新的重要发展，它的特点是使抗震设计从宏观性、规范指定的目标向具体量化的多重目标过渡，业主（设计者）可选择所需的性能目标，而不仅仅是按现行规范通过分项系数、内力调整系数、抗震构造措施等粗略、定性的手段来满足中震和大震的设防要求。针对本工程的结构特点，设定本结构的抗震性能目标。对超限结构而言，利用这些指标能更合理地判断整体结构在中震、大震作用下的性能表现，给超限设计提供可靠的判断依据。 2.3 中震设计的分类中震设计就是结构在地震影响系数按小震的2.875倍（αmax=0.23）取值下进行验算。目前工程界对于结构的中震设计有两种方法，第一种按照中震弹性设计，第二种是按照中震不屈服设计。首先明确一点，中震弹性和中震不屈服是两个完全不同的概念，两者所采用的设计方法与设防目的均不相同。中震弹性设计，设计中取消《抗规》要求的各项地震组合内力调整系数，保留材料、荷载等分项系数，对应地保留了结构的安全度和可靠度，结构仍属于弹性阶段，属正常设计。中震不屈服设计，设计中除了地震内力不作调整，同时也取消了材料、荷载等分项系数，对应地不考虑结构的安全度和可靠度，结构已经处于弹塑性阶段，属承载力极限状态设计，是一种基于性能的设计方法。由此可见，中震弹性设计接近于平常的小震弹性设计，而中震不屈服设计则与大震设计同属于基于性能的设计。 3 基本方法及应用根据中震设计的分类，以下分别阐述中震弹性及中震不屈服的具体设计方法，介绍如何在satwe、etabs、midas等软件中实现中震设计。 3.1 中震不屈服设计 3.3.1 不同抗震烈度下的各级屈服控制若场地安评报告提供实际的地震影响系数，则应取用所提供的多遇地震、设防烈度地震下相应的地震影响系数，屈服判别地震作用1、2 的地震影响系数可相应插值求得。 3.3.2 SAWTE计算：地震信息中抗震等级均为四级；αmax按表3取值；总信息中风荷载不参加计算；勾选地震信息中的按中震（或大震）不屈服做结构设计选项；其它设计参数的定义均同小震设计。 3.3.3 MIDAS/Gen计算：主菜单→设计→钢筋混凝土构件设计参数→定义抗震等级：四级；主菜单→荷载→反应谱分析数据→反应谱函数：定义中震反应谱，在相应的小震反应谱基础上输入放大系数β即可，β值按表3计算所得；总信息中风荷载不参加计算；主菜单→结果→荷载组合：将各项荷载组合中的地震作用分项系数取为1.0；主菜单→设计→钢筋混凝土构件设计参数→材料分项系数：将材料分项系数取为1.0；其它同小震。 3.3.4 ETABS计算：选项→首选项→混凝土框架设计→定义抗震设计等级：四级；定义→反应谱函数→Add Chinese 2002 Spectrum→定义中震反应谱，地震影响系数最大值αmax取值，其余参数按《抗规》；静荷载工况中不定义风荷载作用；定义→荷载组合→各项荷载比例系数均取为荷载分项系数1.0x荷载组合系数φ；定义→材料属性→填写各材料的强度标准值其它同小震。 4 工程算例 4.1 示范算例 4.1.1 基本参数：二十二层框支剪力墙结构，三层楼面转换，无地下室，首、二层4.5米，标准层3.5米，总高79m。结构平面布置如图一所示。结构高宽比3.76，长宽比1.22；抗震参数，7 度，第一组，0.10g；场地II类；风荷载100年一遇为0.9kN/㎡。

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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