构件式幕墙一般设计原则

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要
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 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
以上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
图1

隐框幕墙按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。
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，6063－T5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
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. 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
简化为连续梁，因为这样做弊病太大，详细原因在立柱与立柱的连接设计里谈。
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(102-2003规定为15mm)，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： ① 为了增加插芯的抗剪能力和惯性矩，插芯的壁厚应满足t≥4mm(实际应用中 为了经济省料，一般以t=4mm居多)。 ② 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Icx≥50cm4 。 ③ 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。
δ2
层间高＝3500
δ1
地震中位置
正常位置
115
插芯
Fra Baidu bibliotek
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δ2＝0.5～1.0时立柱所允许的的变形量为： δ1＝3500×δ2/115＝15.22～30.44mm 而钢筋混凝土框架的楼层弹性层间位移角限值θ＝1/550，防震设计时的允许变 形量为： δdz=3500×3θ＝19.09mm 两值相比较δ＝δ1－δdz＝－3.87～11.35mm。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。 (4).一个锚点的立柱不能按多跨梁和连续梁进行计算 现在经常有一些专家把图8前2种模型按多跨梁和连续梁进行计算，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。 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，如仍按多跨梁 和连续梁进行计算，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。

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 组织生产和现场施工管理，可缩短工期，节约人力、设备运行及管理成本。
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).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型是一个非常值得推荐和优先使用的方案。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，那就是如何通过监理这一关。其 设计值应满足：a＝3～4mm，h＝1～4mm。 h取1～4mm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0～0.5mm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，所以左右总间隙取0.5～1.0mm为 宜。开模时可以先开立柱，再配做插芯。
图9 1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：a＝2～3mm，h＝1～4mm。
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，不允许采用弹性活动连接，不允许使用材质较软的 弹性垫片，不允许产生相对滑移 (赵西安在《建筑幕墙工程手册》558页里的论 述完全不对)。这个是经过二十年的经验和教训得出的结论，而赵西安则一个大 楼也没设计过。
如何设计好构件式幕墙
主讲 先锋1号

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
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)。
±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。
此处焊接时易将尼龙垫片损坏
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侧埋普通连接件安装图
上埋普通连接件安装图
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侧埋三维连接件安装图 上埋三维连接件安装图
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。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。
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3
2.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 (A～F为几种常 见类型，如图6所示)。