建筑幕墙结构优化设计分析

建筑幕墙结构优化设计分析

发表时间：2018-08-08T18:19:41.313Z 来源：《基层建设》2018年第19期作者：方燕

[导读] 摘要：建筑幕墙因美观、时尚、个性化等特点受到建筑师的青睐，其设计对于中立面、节点系统、以及幕墙支撑结构都有着特别严格的要求，在幕墙设计过程中，不仅要确保其质量还要保证生产成本最低化，因此就要对其设计方案进一步的优化。

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摘要：建筑幕墙因美观、时尚、个性化等特点受到建筑师的青睐，其设计对于中立面、节点系统、以及幕墙支撑结构都有着特别严格的要求，在幕墙设计过程中，不仅要确保其质量还要保证生产成本最低化，因此就要对其设计方案进一步的优化。本文主要对建筑幕墙设计中的优化问题进行了分析。

关键词：建筑幕墙；优化设计；分析

引言

建筑幕墙是关系到人民生命财产安全的行业，国家实行生产许可证制。对建筑幕墙的要求是，安全可靠、实用美观和经济合理。优化设计就是解决安全与经济效益之间矛盾的最佳选择，在确保安全可靠的前提下，获取极大的经济效益。

1 建筑幕墙的优化设计概述

建筑幕墙的优化设计是最优化设计方法在建筑幕墙设计领域的应用。幕墙的最优化设计，简单的说，就是从所有可能的设计方案中，寻求最优的设计方案，以最大限度地满足设计所提出的目标。

最优化的理论和方法是随着计算机的迅速普及而发展起来的，正因为最优化的宗旨是追求最优目标，这就决定了它的应用价值，最优化问题的解决意味着在相同条件下获得最优的方案、最好的效果和最优的经济指标。最优化的应用和推广，必将使建筑幕墙的设计提高到一个新水平。

目前，幕墙的设计，多采用类比法，参考已有的设计或经验数据，进行分析对比，从而确定所需的设计参数。也有选择有限的几种方案进行计算，最后根据设计要求确定一组较好的设计参数。一般来说，这样确定的设计方案，不是最佳的设计方案。但是，如果采用最优化方法进行设计，则可以获得最佳的设计方案。

最优化设计方法，是根据设计要求建立数学模型，选用有效的最优化计算方法，设计编写优化软件，在计算机上完成设计计算，最后获得最佳的设计方案。

2 建筑幕墙结构优化设计注意事项

（1）为了保证幕墙结构能正常工作，在设计每一构件时，首先要使构件在外力作用下不破坏，即每一构件要有足够的强度。第二要考虑构件在外力作用下要变形，但变形不能超过某一允许范围，即每一构件要有足够的刚度。最后，构件在外力作用下，可能原来的形状不能继续维持而要突然改变，即原来的平衡形式不能保持稳定。幕墙构件设计时，应当考虑以上三方面以及参数本身、构造方面的要求，以数学表达式的方式写出。但对具体工程的具体构件，往往有时只考虑某些主要方面，有时可以以强度为主要的，有时则可能以挠度为主要的。假如所设计的构件能符合强度、刚度和稳定性的要求，就认为设计是安全的。

一般而言，横梁在设计中应考虑强度、刚度、整体稳定、局部稳定。立柱应考虑强度、刚度和局部承压。拉弯构件应考虑强度和刚度。压弯构件应考虑强度、整体稳定、局部稳定和刚度。幕墙结构的连接通常有焊接、铆钉连接和螺栓连接。与主体结构的连接有前置式的预埋件连接，后置式的膨胀螺栓连接、穿透螺栓连接等。

（2）合理地确定荷载和作用，是幕墙设计中十分重要的工作，作用在幕墙上的荷载有重力荷载、风荷载、雪荷载，此外还有使结构产生变形和内力的作用，有地震作用、温度作用。如果取值过大，所设计的结构尺寸会偏大，造成浪费；如果过小，则所设计的结构不够安全。

设计变量的个数就是优化问题的维数，若有n个设计变量X1，X2，…，Xn的优化问题，变量按一定次序排列就构成一个数组.设计变量的个数越多，设计自由度就越大，容易得到比较理想的设计方案，但随之而来的是，使设计复杂起来，优化计算更加困难，所以，应尽量减少设计变量的数目，将一些参数定为设计常量，而只将那些对目标函数影响较大的设计参数确定为设计变量，以使优化设计容易进行。

3 国内幕墙设计的优化发展

3.1 幕墙方案设计将由幕墙顾部完成

国内建筑设计市场的成熟，以及人们对幕墙认识的提高，幕墙图纸将是建筑图的一个不缺少的部分。目前幕墙设计单位与施工一体的现状，以及大多数建筑设计院不具备幕墙设计能力的情况下，幕墙方案设计将由幕墙顾问公司承担。鉴于国内幕墙咨询业务尚未展开，国外幕墙咨询公司将在国内大行其道。国内从事幕墙设计的施工单位其设计工作重点将是幕墙的施工图深化与制作设计。

3.2 更加注重与建筑设计整体配合

幕墙作为建筑结构的一个重要元素，与建筑设计中的通风、节能（采暖、空调）、采光、防火、电力配置等都有着密切的关系，随着建筑设计向着节能、环保与可持续发展的方向，建筑幕墙必然成为关注的焦点，建筑师对幕墙的关注与要求将超过以往，幕墙设计也将更加注重与建筑设计的配合。

3.3 幕墙设计师参与建筑方案设计

随着国内建筑师对幕墙在建筑中的作用的充分认识，建筑师对幕墙设计师的依赖感将增加，建筑方案的设计过程中他们开始主动地征询幕墙设计的意见。为便于相互沟通，建筑师开始学习幕墙，幕墙设计师开始学习建筑。

4 建筑幕墙结构设计的优化措施分析

建筑幕墙结构设计是一项非常繁琐的设计工作，它往往涉及很多复杂的应力计算和安全设计，在保证安全、美观、经济的前提下，进行优化设计方案，是建筑幕墙结构设计的主要工作。建筑幕墙结构的设计中，根据施工条件和建筑要求，可以进行以下设计优化措施。

4.1 采光、保温等功能优化

建筑幕墙的结构设计不仅仅是对建筑物的美观设计，同时，幕墙结构带来的采光和保温等实用功能才是幕墙结构得以快速发展的主要功能，而保温隔热和采光有时其功能会发生冲突，如玻璃幕墙的采光效果好，但保温隔热差，因此，选择不同传热系数的玻璃，采用隔热断桥铝型材作为框架结构，同时优化密封方式，采用双层幕墙，相对于单层传统幕墙，在采暖时可以节省能源约40%-50%，制冷时可以节