探究全玻璃纤维复材自由曲面外立面建筑的结构设计

【作者简介】赵青羽（1990~），男，北京人，工程师，从事土建工程管理
研究。

探究全玻璃纤维复材自由曲面外立面建筑的结构设计
Exploration on the Structural Design of Building with All Glass Fiber Composite
Free-Form Surface External Facade
赵青羽，安伟东，于海滨，李纪果，李泽兰
（中建二局第一建筑工程有限公司，北京100176）ZHAO Qing-yu,AN Wei-dong,YU Hai-bin,LI Ji-guo,LI Ze-lan
(China Construction Second Bureau First Construction Engineering Co.Ltd.,Beijing 100176,China)
【摘要】一直以来，建筑外立面设计是国内外设计关注的焦点。

设计阶段因为整体任务比较烦琐，有可能忽略外立面细节设计。

所
以，要保证建筑结构的设计效果，应重视自由曲面外立面的设计。

全玻璃纤维复材是建筑领域的新材料之一，通过成型工艺复合而成，对建筑结构质量有非常大的帮助。

论文以加强建筑结构稳固性为前提，针对全玻璃纤维复材自由曲面外立面建筑结构设计展开分析。

从结构设计工艺、龙骨选型与布置、连接节点设置3个角度阐述结构设计要点，总结对今后自由曲面外立面建筑结构设计的启示，积累结构设计经验，旨在提高自由曲面外立面建筑结构设计的水平。

【Abstract 】All the time,building facade design has always been the focus of design at home and abroad.In the design stage,because the overall
task is cumbersome,it is possible to ignore the facade detail design.Therefore,in order to ensure the effect of architectural structure design,the importance of free-form surface facade design should be paid attention to.All glass fiber composite is one of the new materials in the construction field.It is compounded by molding process,which is very helpful to the quality of building structure.On the premise of strengthening the stability of building structure,the structural design of free-form surface facade of all glass fiber composite is analyzed.This paper expounds the key points
of structural design from three aspects:structural design process,keel selection and layout and connection node setting,summarizes the
enlightenment to the architectural structural design of free-form surface facade in the future,and accumulates structural design experience,in order to improvethestructural design level offree-form surface facade.
【关键词】全玻璃纤维复材；自由曲面；外立面；建筑结构设计
【Keywords 】allglassfiber composite;freeform surface;external facade;architecturalstructuredesign 【中图分类号】TU382；TQ171.77；TU318【文献标志码】B 【文章编号】1007-9467（2021）09-0011-02
【DOI 】10.13616/ki.gcjsysj.2021.09.203
1GFRC 设计方案
1.1结构设计工艺
首先，科学确定自由曲面GFRC （玻璃纤维增强混凝土）板尺寸，参考设计经验建议以2m ×2m 为宜，将板划分为若干个部分，制作成838块曲面板。

GFRC 板基材为环氧树脂，铺设全玻璃纤维编织布，以145°交叉的形式为准。

随之需要确定最佳加工工艺，因为每块曲面板形状不同，各个曲面板必须分别开模制作，难免会增加模具成本，由此可见，模具成本控制是项目管理的重点[1]。

明确模具原材料为EPS （聚苯乙烯）泡
沫，再应用数控雕刻机进行模具加工。

在曲面GFRC 板生产阶段，比较常见的工艺有手糊、树脂传递膜塑2种，而且这2种工艺的优缺点各异。

其中，手糊成型工艺不会受板的形状、尺寸等因素限制，所以，适合在大尺寸自由曲面板加工中应用。

但是，手糊成型制作产品欠缺稳定性、力学性，而且生产效率不高，生产过程中的劳动强度较大，无法保证生产环境质量，是该工艺的缺点[2]。

新型GFRC 自由曲面幕墙板需要进行成型处理，各个板的形状均有差异，因此，板的模具不能重复使用，制作模具数量也比较大，增加了模具成本。

最为常见的模具制作材料为发泡聚苯乙烯，制作出来的泡沫模具泡沫材质比较软，应用数控雕刻机就能够雕刻出对应的形状，制作效率不断提升，还有效保证了总体进度。

通常一块大面板模具可在4
h
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内完成加工，小型面板的加工时间仅为1h[3]。

1.2龙骨选型与布置
龙骨和自由曲面之间紧密贴合的重要前提便是龙骨截面形式的选择，选择合适的龙骨截面形式是增加龙骨精度的有效方法。

因为龙骨截面必须要作为GFRC自由曲面板的连接面，所以，可将圆钢管等拆除[4]。

型钢直接弯扭成型操作处理难度不高，也可以在加工过程中节省材料，但截面误差不能得到有效控制。

处在弯扭状态下，要加工成需要的形状难度较大，开口截面这一类构件极有可能出现翘曲现象，原曲面板连接面表面局部不平整，不能在连接面板中得到应用，加工之后还可能面临弹性恢复，无法在构件加工期间得到有效控制。

此外，焊接截面构件也是一种可行的方法，焊接构件的所有翼缘、腹板在加工成型之后准备焊接，这种先加工后焊接的方式虽然浪费材料，却可保证加工精度。

T形截面钢焊接操作和结构设计规定的截面形式相符。

创建龙骨三维模型，其中，截面便采用T形截面。

搭建模型内翼缘、腹板之间分离、一一展开，因翼缘、腹板厚度各不相同，不同厚度钢板进行切割、展平处理，按照龙骨加工设定的控制点，可实施翼缘、腹板的弯扭加工、焊接操作。

布设龙骨的参考标准为高斯曲率，一般优先选择高斯曲率为0的位置，翼缘展开误差比较小，龙骨位置的控制很少会对腹板带来影响，虽然会有一定误差，但翼缘往往更为关注精确度。

当腹板、翼缘加工成型后，必须要马上组织焊接施工，翼缘、腹板之间形状相互约束，可有效规避变形恢复，使弯扭龙骨加工的精准性更高[5]。

因为GFRC板是在龙骨上方做支撑，板之间的连接也是以龙骨为载体，所以，布置龙骨可直接理解为面板划分。

布置龙骨要求控制GFRC自由曲面板尺寸不超过2m伊2m，尽可能地选择弯扭度小的位置，可有效提高龙骨加工效率与精度。

针对自由曲面外立面建筑结构设计，直接利用曲面最小半径、高斯曲率对自由曲面弯扭程度做出评估，得出龙骨分割线、曲率云图。

龙骨最好同时布置在曲面上最小半径、高斯曲率为0以外的位置，或是满足条件之一，通常龙骨弯扭度高会增加龙骨加工环节的弯扭量，使加工难度加大。

当高斯曲率分别为正、负、零时，从物理角度分析，即高斯曲率曲面一致的情况下支持相互展开。

当高斯曲率为0时，表示其绝对值与0距离也相对较远[6]。

龙骨和GFRC自由曲面板的连接，必须在支撑面上进行，平面板下料进行弯扭处理，即可获得支撑面。

这里提到的平面板即为高斯曲率板，如果龙骨在高斯曲率布设在趋近于0的曲面，点龙骨支撑面展开不会有较大误差，在加工时获得所需形状，也能够加强龙骨加工精度。

1.3连接节点设置
因为建筑结构表面处理不能有缝隙或杂物，所以，GFRC 自由曲面板、钢龙骨之间进行连接，也会受到干扰，务必采取全新的连接方法，同时，保证强度与施工规范性。

GFRC板、龙骨之间的连接，利用结构胶、沉头铆钉，要达到结构表面光滑、无缝的目的，不建议使用机械连接方法，结构胶胶结效果更为理想。

调配结构胶之后要等待一定时间内，等其产生固化反应。

在固化过程中，结构胶、龙骨翼缘之间的贴合度也要保证紧密性，所以，可利用沉头铆钉进行固定，沉头铆钉强度不会被计入节点连接强度，对于结构强度而言也是一重保障。

结构胶制作是以改性环氧树脂为原材料，本质上和GFRC基质材料相似度较高，连接了GFRC板和龙骨，可再通过结构胶填满抹平板之间的缝隙使外表面更加光滑，也满足结构设计要求。

这种节点连接方式在施工环节具有便捷性，因为GFRC 比较轻便，现场人力运输即可，施工过程中施工人员在GFRC 面板周围涂抹结构胶，将GFRC面板、龙骨对齐，一人站立在面板处，一人位于面板、龙骨之间的贴合处，可应用电钻钻孔，最后以沉头拉铆铆钉连接加固。

一块板打入铆钉的数量为6个，便可加强面板、龙骨固化阶段的密实度。

此外，当结构胶固化之后，便可为结构提供节点强度。

结构设计过程中结构胶比较多的会采用卡本复合材料，而且在钢结构黏结中应用比较多，对GFRC-钢结构胶黏结的节点性能展开分析可知，应用结构胶的原材料性能和卡本粘钢胶类似，但卡本粘钢胶在我国比较常见。

因为这2种原材料性能上存在差异，所以，在施工处理之前建议组织节点强度测试，检验抗拉强度是否满足要求。

测试过程中，按照龙骨截面选择T型钢，还需要应用到GFRC板，翼缘、面板中间的胶结使用结构胶，确保结构胶、龙骨、GFRC板连接界面处不发生破坏。

结合实际提前准备好试件，提前打磨处理龙骨翼缘的表面，GFRC表面则要涂抹1层结构胶，维持在常温挤压条件下，时间要达到24h。

确定已经固化便可组织测试。

此外，测试中还需要准备对照组，对照组的龙骨翼缘打磨更加精细。

破坏面处在翼缘表面，检测锈蚀情况、平均强度、最小强度，判断强度是否满足连接强度要求。

经过测试组与对照组的对比分析，发现表面锈蚀是结构胶强度的重要影响因素，通过保护结构胶连接面，有利于加强结构胶连接强度。

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2全玻璃纤维复材自由曲面外立面建筑结构设计启示
根据GFRC板材自由曲面外立面结构设计的分析，得出以下启示：（1）GFRC自由曲面生产、制作工艺非常重要，不仅要保证有效性、专业性，还要注意经济性，利用EPS泡沫模具节省加工成本，树脂传递膜塑工艺基础上提出新的面板加工技术，有助于提高加工效率。

（2）曲面板支撑龙骨在实际布设、选型这一阶段，发现龙骨布局和龙骨加工精度的关系十分密切，良好的布局可降低加工难度。

确定焊接T形龙骨截面的规范性，应该保证加工截面的简洁性。

（3）GFRC板、龙骨之间的连接，主要选择结构胶进行节点的黏结，黏结节点与结构设计要求一致，要保证黏结效果，需要在试验中进行验证。

3结语
综上所述，本文以全玻璃纤维复材为基础，针对自由曲面外立面建筑结构设计展开分析。

设计工作中结合结构特点，一方面需要满足自由曲面外立面要求，另一方面则要发挥出GFRC板材的优势，提高结构稳定性，降低建筑结构质量问题的发生概率。

这是今后GFRC板材应用以及自由曲面外立面设计优化的基础。

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【收稿日期】
2021-08-02
看，相对位移从桩顶向桩底变小，桩土相对位移对桩土间剪应力发展的影响主要体现在靠近桩顶的桩身段。

2）在相同有效桩长情况下，桩顶沉降量相同时，采用解2得到桩顶荷载要小于用“桩土变形协调解析解”得到的桩顶荷载。

3）相对位移与剪应力函数关系采用Boxlucasl函数时，在桩顶沉降量相同情况下，参数a值与参数b值越大，相同有效桩长对应的桩顶荷载值也越大。

桩顶荷载对应有效桩长的变化率也越陡，但参数b增大到达一定值后，由参数b引起的变
化就越来越不明显。

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【收稿日期】2021-08-12
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