玻璃幕墙的结构设计和安全评估研究

玻璃幕墙的结构设计和安全评估研究

郝佳佳

上海众甲幕墙科技有限公司 上海 201600

摘要：作为新型围护结构的玻璃幕墙，不仅能突破以往的窗墙界限，而且也彰显出现代化的建筑设计手法。由于玻璃幕墙独具的空间感及通透性，受到广大设计人员与业主的喜爱，在建筑工程的外立面设计中已然成为第一选择。可是在玻璃幕墙大范围使用的过程中，逐渐暴露出玻璃幕墙的结构设计及安全问题。对此，本文将简要分析其结构设计的基本原则与设计计算内容，并就安全评估工作及提高应用安全水平的策略进行简单论述。

关键词：结构设计；玻璃幕墙；安全评估；分析

引言：建筑幕墙不仅在我国拥有数十年的发展史，而且中国也是全球使用及生产幕墙的大国。因为玻璃幕墙具备多种构造形式、加之最终装饰效果优良、自重小等相关优势在当代建筑中是最常见的幕墙形式。由于幕墙会遭受风荷载及自重带来的影响，在进行结构设计与安装施工方面应重点考虑，一方面为其安全性提供保障，另一方面避免因为幕墙设计所造成的安全事故。

一、玻璃幕墙结构设计的构造原则

首先，玻璃结构若是作为一种施工材料，应在重视其和支撑结构相互协调的同时还，关注拥有玻璃连接的铝合金，及其相关外框材料针对玻璃带来的挤压变形程度。另外，保证连接构件和玻璃之间维持合适的空间距离，旨在防止因为发生形变挤压力而导致玻璃受损，基于此应确保边缘位置附加力是均衡的。

其次，玻璃结构如果在外围维护上使用，不仅能单独使用还是借助次结构在主体结构开展依附性建造。其在主体结构依附的情况下，要求节点结构可以承载因为各种原因主体结构移动而产生的力，不仅要确保主体结构和玻璃结构密切连接，还应保证在三个方向均可以移动。

最后，不管是玻璃结构或是玻璃材料，在实际使用时均需重视材料自身的相容性及耐久性。例如，玻璃结构当中存在不同性能的有机材料，在正式建造前应做好挑选工作，在有些情况下需向厂家确定其相容性，特别是在使用密封胶时需要重点关注。

二、玻璃幕墙结构设计的计算方法

（一）极限状态

如果在理想状态，计算其结构设计主要是指对于其单个构件实施设计测量，但是在具体操作过程中，因为强度分布存在一些不确定性，且从目前情况来看，未提供容许单独构件破坏的规范设计理论，所以理想状态无法和具有情况相联系，由此为玻璃结构相关设计方法的方法带来阻力。面对这样的情况，玻璃单元构件应满足一定的承载力要求，避免在总体结构中脱落下来。这种设计计算方法主要依据概率理论，并融合可靠度的内涵概念，依托对荷载的综合分析、结构受到抗力变异性影响的相关数值体现可靠度，取替以往安全系数和可靠度画等号的认知误区。针对理论结构设计而言，将材料强度的信息数据作为基础，兼顾不同组合条件下的极限状态，也就是测量独立构件针对结构整体稳定性造成的影响。要着重考虑的内容如下，（1）可以抵抗全部的抗构件应力；（2）玻璃本身破坏之后的剩余承载。

（二）容许应力

其主要指的是，把建筑修建整个环节中多种不确定因素作为稳定不变的量进行计算，例如材料性能、荷载水平以及截面特性等。采取这种设计方法相对简单，因为其不需要顾及施工中出现的不稳定情况。可是在具体操作时其仅是衡量标准之一，是无法将玻璃的性能恰当呈现出来的，同时用来对比实际数据的一类理想数据。基于此，要考虑全部可能出现的情况，一般安全系数范围是2.5-3。

（三）以断裂概率为依据

这种方法主要综合评价断裂力学评价及用于玻璃性能描述的强度，荷载作用、时间及范围等。在试验比对后可得，这种方法因为考虑到在长时间荷载作用状态下各个玻璃面发生的应力变化，所以和以上两种设计方法相比更为精确，可在具体操作中相对复杂。

三、玻璃幕墙结构的受力设计要点

（一）承载力

常见的表达方式分别为内力以及应力。因为玻璃幕墙面对较为复杂的外力情况，在结构设计中一般选择后者。

（二）结构安全度

通常幕墙自身安全程度和材料强度、荷载大小息息相关，为此设计计算环节应采用相同规范，不然极易影响到结构的安全性能。

（三）风荷载

作为主要的幕墙的受力形式，属于在幕墙上的一种垂直力，依据相关规范要求，其作用力范围是，在此作用下幕墙产生的弯矩较大，所以要重点防范幕墙发生弯曲。

（四）荷载组合作用效应

如果幕墙需要同时面的不同荷载的影响，需要在综合荷载下分析幕墙的受力情况，设计的承载力数值应不超过材料的实际强度，还要通过弹性计算的手段组合计算各种荷载。

（五）温度作用

如果温度条件发生变化，玻璃的体积也会随之发生变化，但是解决这一变化的方法相较简单，所以当前无需计算温度带来的影响。

（六）地震作用

破坏性及突发性是最明显的地震特性，在地震波的影响下幕墙会发生一定损坏。在复杂的受力情况下，在设计时应依据进行计算。

四、区间数模糊综合评判法

本文以在强风作用影响下，某个高层建筑玻璃幕墙为例，利用区间数模糊综合评判的方法进行安全评估。此建筑工程的主体结构为框架剪力墙，建筑主楼从第7层至顶层均使用半隐框式玻璃幕墙。针对幕墙安全性造成影响的因素较多，并且不用因素造成影响的水平尽不相同，因此在进行玻璃幕安全性能评估时，建立选用主要的有限因素实施评估工作。据相关收集资料可得，对玻璃幕墙带来较大安全性能影响的因素，是其铝合金框架的变形及承载力，评估人员可将上述因素视作评价指标。

通常情况下可将其安全情况划分成四个等级。（1）“a级”。说明安全性能满足规定标准，不会影响到幕墙的平时使用；（2）“b级”。说明基本能够达到规定要求，虽然相比a级偏低，但是也不会影响到幕墙的后续使用；（3）“c级”。说明玻璃幕墙的安全性能偏低，其中仅有些部分符合要求，即使还可以应用，可却会明显影响到幕墙的后续使用；（4）“d级”。说明玻璃幕墙自身安全性能严重不达标，不能继续使用玻璃幕墙。

  因为其中各影响因素存在较大的数值差异，需要进行预处理，确保各项指标均能处在，处理依据为承载能力的评价因素区间值为，变形评价因素区间值为，然后将其带入相关公式，得到模糊综合评判矩阵及评判的群众矩阵。最终得到是最大的，在此基础上评定玻璃幕墙结构的安全性结果是b级，以此表明玻璃幕墙虽然对比a级的安全性能偏低，可却不会对玻璃幕墙的继续使用带来影响，最终评定结果符合玻璃幕墙的实际安全情况，说明此方法具有更高精度。

五、建筑玻璃幕墙提高应用安全水平的相关策略

（一）选择质量有保证的材料构件

当前，铝合金型材为单元式和框架式玻璃幕墙的重要结构支撑材料。针对铝合金立柱而言，确定其规格要求设计师人员依据建筑所处地区的地震、气候等相关自然条件、玻璃板块分格以及建筑高度等进行计算。同时，氧化膜质量是主要拥有评定材料质量的指标之一。无论是氧化膜偏薄还是表明存在空隙，均会导致铝合金型材降低原有的耐腐蚀性能，在一定程度影响到材料的使用寿命。需要注意的是，钢化玻璃自爆属于相对常见的玻璃安全隐患，导致自爆的主要原因如下：首先，原片内部存在杂质或是结石等缺陷，含有杂质不仅是玻璃主要的破弱点，更为其应力集中处，即导致玻璃自爆的关键原因。其次，玻璃中存在结晶物。最后，表面由于在加工过程中出现炸口、划痕等缺陷，也会因为应力集中而造成自爆。基于此，在具体设计时应选用优质玻璃，这样才能在源头上避免发生玻璃幕墙安全事件。

（二）构件实现精细化组装

正式安装玻璃幕墙之前，应该制定精确、详细的施工组织方案。要选择拥有多年实践经验的安装工人组成施工队伍。至于相关技术人员应在正式安装前做好技术交底工作，旨在让安装人员清楚施工环境和每个安装工序的每个要点及难点，让其能对进行精细化幕墙构件做足准备。在具体安装环节，施工人员应该严格依据组织计划提出的操作要求实施，完成每道施工工序之后，要求质量员对比技术规范及施工图纸严格检查每道工序，唯有合格后才允许进行后续施工。依据安装玻璃幕墙的相关流程，从中不难看出无论安装何种类型的玻璃幕墙，最关键的一项前期工作为现场测量，和进行后置埋板的安装。科学精密的测量放线，利用合适的测量机具结合相应的纠偏措施，避免累积测量误差，这也是保证快速高质量完成玻璃幕墙安装的重要基础。在安装预埋件时，要做好误差控制，这是因为较大误差在安装构件连接时的应力较大，如果情况严重玻璃幕墙很容易出现结构变形，从而出现较大安全隐患。另外，安装的每道工序应该和规范标准要求相符，这也是避免与减少玻璃幕墙发生安全隐患的重要保障。

（三）建立完善的保养维修制度

一些发生老化的玻璃幕墙，逐渐成为最主要的安全潜在威胁。对此，一方面应对新建幕墙的应用严格审批，另一方面需有效管理“老龄化”的玻璃幕墙，定期依据规范开展各方面性能的检测工作，从而及时更换已经老化的配件。通过规范化的安全性能检测，能清楚知道玻璃幕墙在使用过程中何时检测，需要开展何种类型的检测，才会将可能发生的安全事故提前预防。同时在对玻璃幕墙进行维护保养中，让这项工作更加制度化，也不乏为降低安全事故发生概率的一项有力措施。

有关玻璃幕墙的维养工作管理需明确主要的安全责任人，并且将业主负责制落到实处。在相关管理规范中应提出：如何建筑物是单独业主所有，则应让该业作为安全责任人；如何建筑物是多名业主所有，要求所有业主经过协商选出一名安全负责人，负责相应的维护管理工作。唯有将负责维护及保养工作的责任人确定后，才会提高管理效率和质量。在将安全责任人确定后，还要确定参与管理工作的主要外参与方，主要划分成内部参与以及外部参与，其中内部主要包含业主人员及安全责任人，至于外部则为巡查单位、大修单位和评估单位等。日常的检修、巡查工作可以交付给物业专门从事维护工作的机构单位负责。而大修和维修、大修工作必须由具备专业资质的企业负责，而且要由建筑的设计及施工方来承担。将内部和外部参与方确定后，才会进一步明确不同参与方的职责与功能，厘清各参与主体之间的义务及权利，从而达到管理制度化的目的。总之，需在设计环节、制作环节、安装环节和维保环节等下足功夫，从而为玻璃幕墙整体安全性提供保障。

结束语：现阶段，玻璃幕墙无论是其结构形式还是适用范围均在不断扩大，随之而来的是频发的玻璃幕墙安全事故，为此要高度重视其结构设计与使用的安全性能，尤其是高层建筑安装的玻璃幕墙。施工人员应兼顾幕墙的各种材料、荷载能力和自身结构。同时，关于玻璃幕墙在进行安全性能评估时，由于缺少标准规范往往通过幕墙工程实践经验完成评估，为此，今后要在做好经验总结的同时利用相应的实验及实测活动，形成更具指导意义的安全评估规范。

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