对如何设计好构件式幕墙的探索上

1、对如何设计好构件式幕墙的探索沈阳 孟令军一 一般设计原则1安全性无论在什么情况下，安全性都是最重要的。设计指标应当满足建筑的用途、性能和一定的使用寿命，并遵守国家和行业相应的标准与规范。作为外维护结构的幕墙应选择适当的材料、结构和足够的强度，抵御风荷载、雪荷载、自重、一部分地震作用及特殊情况下外力造成的冲击荷载。并应采用有效措施保证幕墙的可靠性和耐久性。2浮动连接幕墙主要的连接设计除与主体结构的连接外均应采用浮动连接，并留下足够的间隙，以便吸收沉降、热应力及一部分地震作用。并采用合理的密封材料或构造，对所留间隙进行密封，必须保证水密性和适当的气密性。3经济性中国仍是一个不富裕的国家，经济适用也

2、是一个不可忽视的原则。在保证安全和一定的使用性能的前提下，应尽量节约材料成本。4等性能设计幕墙主要的使用性能包括气密性、水密性、保温性、隔声性、光学性。我们进行幕墙设计时应采用等性能设计。等性能设计有两个含义：一是根据幕墙不同部位的使用功能和用途，采用与其相适应的性能设计；二是在使用功能和用途相同的条件下，不同部位的性能应该相同。比如说：在通风百叶处不需要使用断热型材；铝板和石材幕墙应属于装饰冷墙体系，宜采用开放式结构，不宜采用密封胶将缝隙堵死，使其密不透风；幕墙开启部分宜与固定部分性能相同等等。5可加工性、可安装性幕墙从结构设计阶段就应当考虑加工性和安装性。加工性和安装性好，利于组织生产和现

3、场施工管理，可缩短工期，节约人力、设备运行及管理成本。 6可维护性 幕墙设计必须考虑安装以后的维修和保养问题。幕墙面板和幕墙主杆件必须采用可拆卸结构，以便在面板破损及其他情况下进行更换。实际上幕墙设计成可拆卸结构并不困难，而且非常必要。又如热通道幕墙，必须留下足够的空间进人或内侧全部为可开启结构，以便清洁和保养。二 构件式幕墙的分类构件式幕墙按面板材料分为玻璃幕墙、铝板幕墙、石材幕墙、陶瓷板幕墙、光电板幕墙和不同材料之间的组合幕墙等等；按幕墙主杆件的构造分为明框幕墙、隐框幕墙和半隐框幕墙。明框幕墙按面板安装方法分为内安装式、外安装式和混合安装式，其中以外安装式最为常见(如图1所示)。隐框幕墙按

4、附框与幕墙主杆件的安装方法分为内嵌式、外扣式、外挂内装式、全外装式、外挂外装式、外顿外装式、小单元式。隐框中前3种为室内侧安装，其余为室外侧安装(如图2所示)。由于室内侧安装需要一定的室内空间，将来更换面板时需破坏内装修，并且存在玻璃和铝板的组合幕墙，铝面板不好安装的问题，所以本文的所有结构和节点均以室外侧安装来进行考虑和设计的。图2三 幕墙主杆件与建筑主体的连接设计幕墙杆件与建筑主体的连接结构一般为隐蔽工程，有时不是很引人注意，但实际上它对整个幕墙的安全性、可靠性以及幕墙的整体优化设计起着举足轻重的作用。我们往往通过连接件把幕墙主受力杆件与主体结构上布置合理的埋件，用适合的方法进行连接。1

5、幕墙主受力杆件通常情况下都选用立柱做幕墙主受力杆件，但实际上如果建筑主体结构合适的情况下也可采用横梁做主受力杆件(如图3所示)。横梁做主受力杆件，受力比较合理，防震效果更佳。并可以按多跨超静定梁进行计算，这样横梁和立柱的截面相对比较小，经济性比较好。图32 埋件埋件按其在主体结构上的位置划分，可分为上埋式、侧埋式和下埋式(如图4所示)，其中下埋式受力较为不利，应谨慎使用；按其安装时间分为预埋式埋件和后补式埋件。后补式埋件只能通过膨胀螺栓和化学锚栓和主体结构进行连接。由于后补式埋件的安装质量受现场施工的条件和人员操作水平的影响非常大，不容易控制，经常达不到设计指标，尤其是国家已明文规定受拉部位不

6、允许使用膨胀螺栓，所以如非必要尽量不采用后补式埋件。预埋式埋件根据埋件形状分为槽形埋件(如图5所示)和爪形埋件 (AF为几种常见类型，如图6所示)。 图4 图5 图6埋件与主体的连接强度直接决定了整个幕墙的安全，必须严格控制。在埋件设计时应注意以下几点：(1).预埋式埋件锚筋与埋板的尺寸和位置在设计时应严格依据玻璃幕墙工程规范(JGJ102-2003)及混凝土结构设计规范(GB50010-2002)进行设计。(2).注意锚筋的长度不要超过结构尺寸（如梁厚度），避免锚筋露出结构外。(3). 爪形埋件中A、B两型锚筋宜采用螺纹钢。C、D型的锚筋在设计时应考虑锚筋间的干涉及锚筋在安装时与结构配筋之间

7、的干涉问题。E、F型埋件适合于需要进行防雷的部位。(4).埋板的大小在设计时应考虑幕墙的结构形式的需要。3 连接件幕墙主受力杆件与埋件通过连接件进行连接。机械加工的幕墙杆件精度高，而随建筑土建施工的埋件误差非常大，所以要求连接件有足够的调节能力适应这种差异。连接件根据其可调节方式可分为普通连接件、三维连接件(如图7所示) 和四维连接件。连接件材料较为常用的是Q235钢板和型钢，6063T5挤压铝型材。四维连接件和铝连接件由于成本较高，一般多应用于单元幕墙。连接件的形式多种多样，限于篇幅不能一一列出，应根据工程实际需求，进行选择和设计。为了适应土建误差和施工方便，幕墙主杆件与主体结构之间理论上应

8、留有不小于50mm的间隙，并在三个方向上留有调节余地：前后不小于±30mm，左右不小于±20mm，上下不小于±15mm。虽然普通连接件只有一个方向可以调节，但它可以与埋件进行点焊，如位置不合适，很容易拆下重新安装。三维连接件为了实现三维调整，一般通过两个连接件进行转接，并需要在埋板上有调节螺栓。调节螺栓可以用栽焊的办法安装在埋板上或选择带有滑槽的埋件。图7连接件调整到位后，需在合适的时候将连接件与埋件、连接件之间、连接件与螺栓垫片(厚度3mm)进行焊接处理或采用其他措施保证牢固不松动。如使用铝连接件，因其难以在现场焊接，也应采用有效措施保证连接部位牢固不松动。螺栓

9、需与螺栓垫片点焊或有其他防松脱措施。所有焊接部位均需要进行防腐处理。所有不同金属接触部位均应放置绝缘垫片，其中以尼龙垫片(2mm)最为合适，抗老化性好，有较好的硬度的同时又有一定的弹性。普通连接件在焊接时很容易将尼龙垫片烧化，所以有用1mm石棉垫片来替代的。但石棉垫易吸水，失去绝缘作用，所以本着质量第一的精神，宜采用三维连接件。由于所有的荷载最终都要通过连接件传递给主体，所以不管用什么方法，幕墙主杆件与主体必须连接牢固，不宜采用弹性活动连接，不宜使用材质较软的弹性垫片，不应产生相对滑移。4 合理设置埋件，选择有利计算力学模型不同的埋件设置，决定了不同的受力方式和计算力学模型，对优化设计，节约成

10、本很关键，以下是几种幕墙安装方式及受力模型，如图8所示。图8图8的模型均是以上端悬挂为例，拉弯杆件要比下端支撑的压弯构件受力好的多，不需计算失稳问题，所以实际设计中如无特殊情况，杆件均应采用上端悬挂。在相同的杆件和层高的情况下，这几种计算模型里，简支梁受力最为不利，对立柱的惯性矩和抵抗矩的要求最大，但简支梁安装简单，适应性强，有无窗台墙均可，对插芯的要求不高。外伸梁和双跨梁受力较简支梁有利的多，较为节约立柱材料，但对主体结构和设计均有要求。外伸梁尤其是双跨外伸梁，需要有窗台墙遮挡幕墙立柱接缝，并且插芯要有相当的强度来抵御所受弯矩。双跨梁则需要下返梁有足够的空间来安装第二个埋件，并且下支撑点应为

11、长圆孔。在条件允许的情况下，双跨梁可以选择上埋和下埋的组合，这样中间支点最接近梁中间，受力最为有利。另外，一般情况下构件式幕墙和单元式幕墙均不宜简化为连续梁，因为这样做弊病较大。四 幕墙主杆件之间的连接设计幕墙主杆件之间的连接设计包括立柱与立柱的连接设计和立柱与横梁的连接设计。1 立柱与立柱的连接设计(横梁与横梁的连接)立柱与立柱之间应预留不小于20mm的间隙，以适应和吸收主体沉降、温差变形、地震作用和施工误差。立柱与立柱连接一般都通过一个插芯(一端固定，一端自由)来实现的。插芯设计应注意以下几点：(1). 插芯应有合适的强度当插芯位于支点附近，按简支梁进行计算时，其所受弯矩接近于零，所受剪力

12、接近最大。当插芯离支点较远，按外伸梁进行计算时，其所受弯矩和剪力都比较大。往往立柱外伸部分受窗台墙的影响，一般不会太长，所以插芯所受弯矩远远小于立柱所受弯矩。但本着安全的原则，插芯的安全系数应大于立柱，具体要求如下： 为了增加插芯的抗剪能力和惯性矩，插芯的壁厚应满足t4mm(实际应用中为了经济省料，一般以t=4mm居多)。 插芯的惯性矩一般可以小于立柱惯性矩，但其最小惯性矩应满足Icx50cm4。 当铰点螺栓贯穿插芯按简支梁计算时，插芯的惯性矩Icx应大于立柱惯性矩Ilz的八分之一。 当按外伸梁计算时，插芯的惯性矩Icx应大于立柱惯性矩Ilz的二分之一，在必要时可以等于或大于立柱惯性矩。(2)

13、.插芯与立柱连接应采用线接触由于型材在挤压时，必然会产生弯曲、扭拧变形，而插芯必须要插入立柱一定深度(102-2003规定插芯长度250mm)，如采用四周面接触，势必会造成很难安装进去。所以插芯与立柱连接应采用线接触，以下是几种常见的设计方法(如图9)图91型不是一个好方案，它的尖点在风荷载的作用下，很快发生较大的挤压变形，造成插芯与立柱的配合间隙加大，对抵御风荷载非常不利。这个方案在插芯上绝对不应当使用。2型是一个可以采用的方案，尖点虽然也会发生挤压变形，但由于它的尖点是圆弧型的，变形较小，对插芯与立柱的配合影响不大。其设计值应满足：a23mm，h14mm。3型是一个非常值得推荐和优先使用的

14、方案。它的尖点是一个1mm的平台，很难发生挤压变形。在设计合理的情况下，它的防雷导通能力很好，插芯与立柱的接触面积可满足规范上防雷的要求，可以取消在立柱与立柱之间为防雷而设的连接片。当然这样也是有风险的，那就是如何与监理协调。其设计值应满足：a34mm，h14mm。h取14mm是较为合理的，太大这条筋的强度会拖累整个插芯的强度。(3).插芯与立柱的配合设计插芯与竖框的配合一般以竖框内腔为基准来进行插芯外廓尺寸的设计。为了有效抵抗风荷载，前后总间隙不宜太大，也不宜使用过盈和过渡配和造成安装困难，综合考虑取00.5mm为宜。由于与主体结构连接处理牢固后，需在此处考虑减震，同时间隙不能太大，所以左右

15、总间隙取0.51.0mm为宜。图10如图10所示，按层间高3500mm，插芯插入深度为(250-20)/2=115mm进行计算，当插芯和立柱配合间隙为20.51.0时立柱所允许的的变形量为：13500×2/11515.2230.44mm而钢筋混凝土框架的楼层弹性层间位移角限值1/550，防震设计时的允许变形量为： dz=3500×319.09mm两值相比较1dz3.8711.35mm。可以看出绝大部分情况都可以满足防震设计的要求，当插芯和立柱间隙最小时，立柱的变形也才不到4mm，效果非常理想。按此间隙配合，还可以避免立柱与插芯之间的摩擦噪声。(4). 一个锚点的立柱不能按连

16、续梁进行计算现在经常有一些专家把图8前2种模型按连续梁进行计算，包括一些软件也提供这种算法，这是十分错误的。只有达到以下条件才能称为连续梁： 插芯的惯性矩应大于与之相配的立柱的惯性矩。 在两个方向上总间隙均不超过0.2mm。 插芯总长度应为立柱内腔对角线长度的4倍。 立柱为拉弯构件。在这种情况下，不仅安装困难，防震效果不好，而且让较小尺寸的插芯惯性矩比大尺寸的立柱还要大，其壁厚需增加很多，再加上插芯总长度也加长了好多，基本和立柱上省下的料抵消了。所以实际中很少有人会这样设计，如仍按连续梁进行计算，立柱将偏于不安全。实际上完全可以按外伸梁或双跨梁来计算和设计，即节约铝型材，又很安全。2 立柱与横

17、梁的连接设计立柱与横梁的连接设计是幕墙设计中的一个难点。这是因为抵抗风荷载要求的是个“牢”字，而吸收地震作用和温差产生的热应力则要求个“活”字。设计时只有把这两个看似矛盾要求统一起来，才有可能是好的结构。而玻璃对横梁又是偏心压力，容易造成横梁偏转，这又是一个立柱与横梁设计中很棘手的问题。所以尽管立柱与横梁的连接的方法种类繁多，但好的设计很少。比较典型的结构有以下几种：横竖插接式、角码胀浮式、角码插接式、通槽螺栓式、双向锁紧式等。(1).横竖插接式横竖插接式以黎明的140系列幕墙为代表。这套140系列幕墙结构设计极为合理，性能优越，能够独步幕墙界十余年决不是偶然的。即便是一些知名大企业现有的构件

18、式幕墙结构，也很少在理念上能够超越他。横竖插接，顾名思义，是将横梁插入立柱的预留槽内(如图11中1所示)，其特点和安装方法如下：图11横梁所受的正负风荷载均直接传递给了夹持横梁的立柱,而横梁角码和与立柱连接的螺钉连接组合只承受玻璃板块和横梁的重力(如图11中A-A和2所示)。对螺纹连接威胁最大的就是像风荷载这样一直存在、时时变化的交变荷载。在长期的交变荷载作用下，如无防脱措施，螺纹连接早晚是要失效的。而这种立柱夹持横梁的结构因螺纹连接不承受风荷载，所以其安全性、可靠性和抵御风荷载的能力非常好。横梁承受玻璃的偏心压力后定会产生扭矩，为使横梁能够有效的抵抗该扭矩，不产生偏转，必须注意以下两个方面：

19、一，横梁与立柱的连接处有足够的强度来对横梁限位；二，横梁本身有足够的抗扭截面模量。这种立柱夹持横梁的结构，横梁与立柱的接触比较充分，立柱和横梁的强度很好，在横梁与立柱接触的局部产生的变形微乎其微，横梁角码也不承担扭矩，这样可有效避免横梁整体偏转。而且其横梁的闭腔结构的抗扭截面模量远远大于开腔横梁，抵抗扭转的能力也很好。横梁与立柱之间有较大的间隙，可以吸收温差产生的热胀冷缩。因横梁与横梁角码之间的摩擦力很小，故其很难产生摩擦噪音。横梁浮搁在横梁角码上，在地震平面变形时可自由摆动，吸收地震作用，如图12所示。黎明的140系列幕墙唯一的缺点，就是每平方米要多用一公斤左右的铝料。在目前的市场环境看来，

20、这可能也是致命的缺点。图12 图13横梁安装时如图13虚线所示，斜着把横梁推到立柱间合适位置，转成水平位置后，将其浮搁在横梁角码上。立柱和横梁的间隙里放置海绵橡胶，在其上打密封胶对横梁与立柱进行密封，并可限制横梁，使其不左右窜动。(2).角码胀浮式这种角码胀浮式连接方法也是出自黎明，结构设计合理，性能出色，造价也很有优势，非常值得推广应用，其主要特点如下：图14在相同的用料情况下，横梁和立柱的这种方盒式结构强度最好，惯性矩、抵抗矩和抗扭截面模量是所有横梁和立柱结构形式里最大的，横梁本身抵御弯矩和扭矩的能力是非常出色的。这种方盒结构，横梁通过角码把力传递给了立柱，所以角码本身的强度和与立柱连接强

21、度，对幕墙的性能至关重要。角码与立柱不宜用螺钉或穿堂螺栓来连接，应该用沉头自攻钉，原因如下：a这种方盒式的立柱，如想安装螺栓必须在立柱上钻孔，用螺栓和螺母把横梁角码固定在立柱两侧。为了立柱不变形，还得加一个不锈钢套管。为了把不锈钢套管穿进去，立柱上开的孔还得比管径大一点的。这样不仅增加了加工和材料成本，安装时也很困难。而且因螺杆与穿孔之间是间隙配合，在抵抗风荷载产生的弯矩和自重产生的扭矩时，对角码限不住位，横梁易产生扭转。b强烈呼吁不要使用螺钉。螺钉安装时先攻丝，再把钉拧进去。实际上它是个间隙配合，容易进入水分，产生电化学腐蚀，影响立柱上螺纹的强度。和螺栓一样，它也存在螺钉和穿孔之间是间隙配合

22、的问题。c自攻钉是强行拧入的，在螺纹连接中它的配合最紧密。它的牙高和螺距均比普通螺钉要大。自攻钉在立柱上形成的螺纹是梯形，普通螺钉形成的是三角形的。这样自攻钉在立柱上形成的螺纹比机制钉更粗大，受力更好(铝的强度远远低于钢材，立柱上的螺纹是最薄弱的)。自攻钉应用沉头的，沉头钉和沉孔的配合能够有效的定位。这样可以牢牢的锁住角码，让它与立柱之间不产生偏转和滑移。如果用非沉头类的自攻钉，也存在和螺栓、螺钉同样的间隙配合问题。立柱安装自攻钉的局部厚度不应小于4mm，角码加工沉孔部位的厚度78mm较为合适。自攻钉规格应选择ST4.2或ST4.8，数量4个，安装时钉头挂一点密封胶。横梁角码与横梁之间的前后总

23、间隙(如图14放大图所示)应不大于0.2mm。这样横梁两端被整个横梁角码胀住(如图14中2所示)，限制了横梁扭转。横梁则浮搁在横梁角码上(如图14中A-A所示)可以自由伸缩，所以本结构取名为角码胀浮式。这种结构各连接部位和横梁本身都可以有效限制扭转，所以它在这些幕墙结构中抗扭能力最强。它的防震、减噪和吸收热应力的原理和横竖插接式是一样的。横梁与立柱之间的最小间隙应通过计算而定，但取2mm一般也就足够了,间隙需打胶进行密封。这种连接方法在加工和安装时均有一些要求，对最后整个幕墙的质量非常重要，具体如下：角码下料尺寸应根据横梁内腔进行配切后确定。横梁下部两侧需冲或铣一个比角码厚度大1mm的豁口。横

24、梁角码与横梁接触的上部两个角部最好倒园，安装横梁方便。钻立柱上横梁角码连接孔时最好用钻模定位(孔别钻的比自攻钉直径还大)。安装时先将角码挂在横梁两侧，然后将横梁放入立柱之间。用自攻钉拧入立柱上预钻好的孔，将角码安装到立柱上，最后将横梁放下(如图14中3所示)。(3).角码插接式角码胀浮式如严格定义的话，也应属于角码插接式。区别在于角码胀浮式是整个角码与横梁内腔配合，而角码插接式是角码的一边插入横梁内的槽口，并与之配合。根据其插接的位置不同可分为横向插接和竖向插接(如图15所示)。不论横向与竖向插接，横梁均可以是半闭腔或开腔结构。图15由于角码插接式与横梁也是浮动连接，所以它的减噪和吸收热应力性

25、能也同样很好。角码胀浮式是整个角码与整个横梁内腔配合，角码插接式是角码的一部分和横梁的一部分配合，所以角码插接式的角码连接处强度不如角码胀浮式。半闭腔横梁的抗扭截面模量一般只有角码胀浮式的一半左右。而开腔横梁的抗扭截面模量则低得可怜，一般是角码胀浮式的1/201/40，所以不宜把横梁设计成开腔结构。尤其重要的一点是即便是开腔横梁加了扣板，它也只能按开腔型材进行计算，不能想当然地认为它是闭腔的。抗扭截面模量的具体计算方法可以查阅有关材料力学书籍。角码横向插接式角码与横梁配合间隙(如图15放大图)如按防扭设计，应该取00.5mm为宜，如因型材误差及防震设计的要求间隙不应小于1mm，这个间隙的取值在

26、此陷入两难境地。角码竖向插接式的防震间隙留在了下部，与防扭并不冲突。半闭腔横梁因安装空间狭小，一般安装两个螺栓或两个自攻钉，并且角码较小，所以角码与立柱的连接强度不好。角码插接式如采用半闭腔横梁，且设计合理的情况下，是可以考虑使用的。(4).通槽螺栓式通槽螺栓式的横梁上有通长槽口可以让螺栓帽在里面滑动但不能转动。安装角码时。将其用螺母与预置在槽口内的螺栓连接牢固(如图16所示)。这个结构的本意可能是通过横梁与角码之间可滑动，来吸收温差带来的变形，应该说这样处理，达到了这个目的。但是它解决了一个问题的同时却带来了一些更大的问题。图16螺纹连接失效问题这种结构螺栓在热应力产生的蠕动作用下，如无可靠

27、的的防脱落措施情况下，很容易失效。前文提到过在风荷载的作用下螺纹连接易失效的问题，而热应力比风荷载更难防范。风荷载还可以靠提高结构强度来抵抗，而对热应力来说即便是增加强度也没有太大用处，并且它时时刻刻在起作用。噪音扰人的问题不要以为横梁与角码之间可滑动就可以不产生噪音，那是自己一相情愿的想法。产生噪音首先要有足够大的动能。横梁和角码之间因有压力而存在静摩擦力。温差产生的热应力一开始并不足以克服静摩擦力，随着温差加大，这种力量越来越强。最后就会超过克服静摩擦力的临界值，突然产生相对滑动，在有一定接触面积和表面粗糙度的情况下，发出摩擦噪声。 而噪声的强度取决于以下几个要素：压力，接触面积，表面摩擦

28、系数。相应的，我们降低噪声强度的办法是：减少横梁与角码之间的压力、接触面积和表面摩擦系数。首先，在玻璃分格划分正常情况下采用浮动式连接，不需额外支出成本，即可取得良好的降噪效果。其次，当玻璃板块超大超重的时候，可以根据幕墙结构的不同采用横梁加筋或横梁与角码之间加垫片，确保幕墙“不鬼叫”。在玻璃板块重量的作用下，摩擦噪音很微弱，一般人耳很难听到。而螺栓的夹紧力是玻璃板块重量的420倍，其作用下产生的摩擦噪音清晰可闻。所以采用螺栓或螺钉人为增加横梁与横梁角码摩擦力的做法非常不可取。生活中我们对噪声扰人都是很反感的，己所不欲，勿施于人，作为一个有职业道德和良心的从业人员，应慎重使用通槽螺栓式和双向锁

29、死式结构。采用线接触或在横梁角码和横梁之间放置摩擦系数很低的垫片(如尼龙)均是降低摩擦噪音的有效方法。至于102和139在横梁角码与立柱之间放置柔性垫片的办法减噪，有些想当然了。通槽螺栓式也存在和角码插接式第、一样的问题强烈地震时结构易被破坏问题在地震时，该结构横梁角码与立柱和横梁均连接牢固没有变形余地，对立柱的变形起了阻碍作用。而当地震强度较大时，立柱随主体结构产生的平面变形量也是很大的。当推动立柱变形的地震作用大于横梁和角码的阻碍作用时，会在横梁与立柱较弱的连接部位发生破坏，如图17，立柱与自攻钉处的铝材会被拉豁。当然地震的作用方式可以是横波或纵波，横梁与立柱各个连接部位的强度也是不一样，破坏方式不一定非得是图17所示意这样的。但强烈地震时，这种双向锁紧的结构的确容易出现被破坏问题，这也是不争的事实。当幕墙结构的安全性面临威胁的时候，是不是应该从自身设计上反省一下呢？图17 地震中横梁和立柱连接破坏示意(5).双向锁死式通槽螺栓式如严格定义的话，也应属于双向锁死式。区别在于通槽螺栓式比双向锁死式要强那么一点点：在克服重重阻力后，通槽螺栓式的横梁