摘要:建筑师为了表达建筑个性化外观，普遍采用独特的、具有多样性的外装饰条等幕墙独立外挂构件，试图营造建筑的独特线条化外观感受。如采用与幕墙面板平行、竖向悬挑、横向悬挑或斜向悬挑的构件，并采用新型的材质或加工工艺，如穿孔金属板、玻璃板及其它复合材料等，来打造建筑的轻盈现代感，通过使用UHPC、石材等来体现建筑的厚重硬朗的感觉。建筑师借用这些装饰条、穿孔板等塑造新颖美观独特的外立面肌理效果，同时也在安全性方面，提出了更高的设计要求。

外装饰条是暴露在室外的构件，如何在确保其自身强度、刚度前提下，使其与幕墙龙骨可靠连接、避免风压或外力作用时产生共振破坏等，是其安全设计过程中必不可少的内容。除此之外开孔率不同的穿孔板风阻特性和面板强度变化规律、细长装饰构件，如格栅在脉动风荷载作用下，是否会产生疲劳破坏，应采取哪些构造措施等都是本文中着重讨论的内容。通过抽象化提炼这类典型设计问题，试图提出安全设计原则性建议。

关键词:幕墙发展史、纹理肌肤幕墙、穿孔板、疲劳分析、国内外规范、装饰条、基振

0. 引言：

随着我国国民经济的高速发展和人民生活水平的不断提高，以及建筑师设计理念“人性之于建筑”的提升，建筑物越来越向节能环保、精致、高品质、智能化等方向发展。因此建筑幕墙产品也必须向高新技术和多功能的方向发展，才能适应人们日渐增强的环保节能意识，以满足市场对建筑幕墙功能的需求。

从建筑发展视角来看，一种幕墙风格盛行一段时间后产生内在的转向需求，这是人们个性化追求的必然结果。所以，往往一种风格无论是造型、结构体系、材料还是工艺，通过改变风格来满足人们喜新厌旧的审美定位要求，唯独不变的是对安全、舒适和美观、新颖的需求。这一点符合神经建筑学基本原理，同时也与维特鲁威的经典解析：“建筑应基于坚固、实用和美观的三原则进行设计”的观点相一致。

国内幕墙技术风格经历了以下略为互相交错重叠的阶段，每个阶段都将涉及一些核心技术，而如今则处于大综合的阶段。

1) 全隐框幕墙:适应了人们追求无框镜子隐喻的审美需求。但很快转向带多样化装饰条幕墙。因为带装饰条幕墙不仅创造了多线条的精致感，还提供了遮阳等实用功能。

2) 开放装配幕墙系统：着重体现工业化产品味道，而单元式幕墙技术为其提供了便于实现的途径;集成石材、金属板、玻璃和装饰条在内的多种构件，满足了兼容装配、节能设计需求。而开放系统为提升幕墙装配感的同时，也促使延长系统的使用寿命成为可能。

3) 点式玻璃幕墙：展现新颖结构美学。随即又转向表皮简洁大气与结构美学结合方向。

4) 双层幕墙：提供节能、舒适和多样性演绎可能性，特别是采用遮阳功能，使更优秀的准外遮阳的实现成为可能。

5) 单层索网幕墙：带来柔性简洁结构美学体验，满足了视觉通透和人们探索好奇心的内在需求。

6) 综合集成幕墙：幕墙功能配套与幕墙集成，如通风器、LED多媒体屏幕、光伏BIPV和 BMU与幕墙深度一体化成为普遍。

7) 自由曲面幕墙：能获得动感体验和亲切感，满足了人们不断转向的审美内在需要。

8) 肌理幕墙：满足个性化体验和韵律之美，当与通风、光伏发电、LED照明等结合时表现出了更大的适应性。肌理幕墙成为业主和建筑师表征自己独特性的一种设计手法。

无论采用哪一种幕墙方式，其普遍性特性为：装饰条越来越多、尺寸越来越大、越来越具有个性化特色。

随着幕墙类型的增多，使用材料的增加，在幕墙进行设计过程中，也产生了越来越多需要解决的问题。如外装饰条结构的风振性能不仅与来流的脉动特性有关，还与结构自身的振动特性有关，因此在风振分析前，有必要对幕墙支承结构的自振频率和振型作适当的探讨。

穿孔面材由于穿孔后，所受风压及自身刚度都有所降低，在相同条件下，穿孔率的不同，强度会发生哪些变化。风是作用于幕墙的短期荷载，以脉动风形式作用于结构构件上，是否会使构件产生往复运动，导致疲劳破坏，这些都是我们在幕墙设计中，力求解决的问题。在本文中，也将在这些方面进行深入的探索。

1. 幕墙装饰条存在形式分析

建筑幕墙上所采用的装饰条，可谓是种类繁多：有采用金属材质的、也有非金属材质的。按形状和形态：有竖向的、横向的。按尺寸区分：有长构件、有短构件。按功能区分：有兼顾通风功能的，也有安装LED照明灯起美化作用的。

下面列出具有典型意义的几种装饰条类型：

1.1. 实体铝合金装饰条

1.2 玻璃板装饰构件

1.3 穿孔铝板装饰条

由上可知，装饰条形式多种多样，而本文着重分析装饰条的安全性问题，因此此处更加关注易出现安全隐患的典型性装饰条，其它类型并不一一列举。

2. 外装饰玻璃面板模态分析

实例分析：南京某工程，地质粗糙类型：C类，抗震设防烈度：7度，抗震加速度：0.10g，基本风压0.4kPa，基本雪压0.65kPa，准永久值系数0.20，设计使用年限：50年，最高计算高度点99.8米，双层幕墙形式，外层装饰板由玻璃面板构成，外挑斜向突出墙面800mm，由于面板自身刚度较弱，在风荷载或外力作用下，容易受到扰动产生振动，因此确定玻璃面板的自振频率，是判断能否发生共振的关键因素之一。本项中主要应用了两种尺寸及配置的玻璃面板，第一种情况：分格尺寸2m(横向)*6m(竖向)，四点支撑，玻璃配置19+2.28SGP9+19mm双超白SGP夹胶印刷玻璃。第二种情况：分格尺寸2m(横向)*4.2m(竖向)，四点支撑，玻璃配置19+2.28SGP9+19mm双超白SGP夹胶印刷玻璃。计算软件采用SAP2000及ANSYS有限元软件，每个面板采用了8个振型进行分析计算。

玻璃配置19+2.28SGP9+19mm 双超白SGP夹胶印刷玻璃面板振型及频率分析如下：

玻璃配置12+2.28SGP9+15mm双超白SGP夹胶印刷玻璃面板振型及频率分析如下：

Table1及Table2给出了二种面板的前8阶自振频率及周期。图2.2及图2.3给出每种方案的前8阶振型图。计算过程中，应用了两种计算软件SAP2000及ANSYS分别进行计算和校核，以相互印证，两种方式计算结果非常的接近，由以上数据分析可以得出，15+2.28SGP+12mm玻璃面板的第一阶基频最低，数据为3.532，随着板面尺寸的增大，自振频率也逐步减小。19+2.28SGP+19mm玻璃面板的第一阶基频为3.0133，虽然板面厚度有所增厚，刚度有所增加，但分格尺寸对自振频率的影响更大，由数据可知，面板随着跨度的增大，其自振频率逐步降低。二种软件分析下，玻璃面板的振型也非常相似，均呈对称及反对称分布，由此可推断，计算结果准确有效。同时由研究结果表明，玻璃面板的自振频率远高于1.5hz，不易发生共振，体系上具备一定的安全储备，上述工程的玻璃面板有足够的安全系数。

3. 穿孔率对穿孔板的影响分析

3.1. 穿孔板在幕墙中的应用

穿孔铝板可以作为建筑表皮覆盖装饰构件，在城市街道空间和建筑之间形成半透明的界面，可以统一立面效果，从而可以形成完整、有秩序的城市界面。孔型花样和颜色可以自由选择，根据不同风格及喜好选择不同的孔型或颜色。

金属装饰穿孔板是现代一种新型的装饰材料，其有着很强的装饰性，凭借它“透”的特性，会出现独特的光影虚实效果。运用在室外建筑的外层，不同大小的孔洞，实现肌理效果的变化，富有层次感，并且具有一定的透光性，像一层“面纱”，保证良好采光的同时又透露着些许神秘的氛围。这种金属面板结实稳固，是现代做外墙装饰的一种较佳选择。

穿孔板多为不锈钢板、铝板、铁板、铜板等等，由于材质的限制，所以孔型上，基本是圆孔、方孔、三角孔等简单的几何图形。在现代生活中应用得非常广泛，运用在建筑上，穿孔板将材料与肌理控制得细致入微，通过大小不同的穿孔和疏密的变化，甚至可以呈现出具体图案的效果。穿孔铝板作为一种金属装饰材料，在凸显建筑物的个性特征的同时，又很好地解决了玻璃幕墙所引起的光污染问题，体现了环保节能的优势。

穿孔板虽然起着外装饰作用，但自身也起着承受风荷载，将荷载传递到主体结构的作用。下文将对穿孔板的风阻影响进行详细的分析，以为穿孔板的设计提供相应的依据。

3.2. 穿孔率对风阻影响

实例分析：上海某工程，地质粗糙类型：C类，抗震设防烈度：7度，抗震加速度：0.10g，基本风压0.55kPa，基本雪压0.2kPa，准永久值系数0.20，设计使用年限：50年，最高计算高度点50米，风压标准值1.8kPa，双层幕墙形式，内层为标准玻璃幕墙，外层由穿孔铝板做为装饰板构成，板厚3mm，分格尺寸0.5m*1m。采用三种情况进行分析：1)无孔板孔，2)穿孔板，孔直径6mm，3)穿孔板，孔直径15mm，在相同的计算条件下，分别对三种情况进行分析计算。通过计算结果的对比，分析穿孔率大小，判断面板强度变化规律。计算软件采用SAP2000有限元软件进行分析。

3.2.1. 穿孔板的受力分析

对于如何确定建筑立面上装饰条所受风压对应的体型系数取值，可以通过按规范或者风洞实验进行确定。不同位置及尺寸的装饰条，系数取也均不相同。

本文中，根据装饰板所在位置及形式，根据表Table 3确定局部系数K为1.1，而临近区域墙体体型系数为Usl为1.6，则由公式确定局部体型系数US取值为K*Usl=1.1*1.6=1.76，从而根据风荷载标准值公式，确定风压标准值为1.8kPa。下文中穿孔板的计算过程中，所需的计算标准值均为1.8 kPa。

3.2.2. ф6mm穿孔板的受力分析

3.2.3. ф15mm穿孔板的受力分析

通过采用SAP2000有限元软件分析后，可知，实体无孔铝板在1.8kPa的荷载作用下，面板的强度为30.6Mpa，变形为5.2mm。ф6mm穿孔面板，在1.8kPa的荷载作用下，面板的强度为48Mpa，变形为5.87mm。ф15mm穿孔面板，在1.8kPa的荷载作用下，面板的强度为63Mpa，变形为6.73mm。

通过上述数据可以看出，无孔板虽然受力面较大，风荷载100%全部作用于面板，但由于板的整体性好，强度及变形满足其承载力设计值及挠度限值。当采用ф6mm穿孔板时，风荷载部分作用于板面上，少量风压由孔处穿出，由于孔径小，板的整体性高于大孔径的穿孔板，所以其强度及变形也满足规范要求，当采用ф15mm穿孔板时，风荷载作用于面板上的面积有所减小，但强度和变形继续增大。由此可知，在相同条件下，孔径越大，孔间的板面面积越小，板面的刚度降低，强度及变形均有所增加，虽然受力面有所减小，但板面的刚度和荷载的大小同时起着主控作用。因此，在设计穿孔板时，对穿孔率要有适当考量，并非开孔越大越好。

4. 抗疲劳设计在幕墙领域中的应用分析

材料构件在变动应力和应变的长期作用下，由于累积损伤而引起的断裂的现象被称为疲劳。金属材料在往复荷载作用下，即使在其应力远低于强度极限，甚至还低于屈服极限的情况下也会发生断裂破坏。一般疲劳破坏，要经历微裂纹初始形成、裂纹缓慢扩展和裂纹迅速扩展并断裂三个阶段。疲劳破坏时，不会产生明显的塑性变形，直接呈现突然的脆断。

对疲劳破坏可能性来说，构件的应力集中、材料表面光洁度很差，有大量杂质、构件的应力储备不足、材料表面强度很低和荷载循环次数过多，这些都是促成产生疲劳破坏的因素。

疲劳断裂是一种非常危险的断裂，关乎了人民的生命财产，在对风比较敏感的建筑外围护体系中，风荷载对幕墙，产生如何的影响，本文中也查阅了国内外的规范，并列出了相关的规定。

BS5950中第2.4.3中规定，由风荷载产生的应力变化可以不予考虑。在美标ANSI/AISC360-05中，第9条疲劳设计中规定，在常规建筑外抗风体系或外围护体系中，短期风荷载的影响不予考虑。

在我国国内，幕墙中的很多构件，在考虑疲劳作用下时，会采用试验的手段进行测试，以保证在施工使用过程中的安全性。

虽然规范上没有要求考虑疲劳影响但不意味着我们可以完全忽略其危害。从定义上讲，风荷载对围护体系产生脉动作用而非往复作用，这一现象与疲劳的相关定义不符，但是对于长细比较大的构件，如格栅、装饰条、金属屋面板等风敏感的轻质构件来说，风的吹动，会使构件产生持续的振动，由于材料在生产制造过程中，不可避免地在结构的某些部位存在着局部微小缺陷，如化学成分的偏析、非金属杂质;构件表面上的刻痕、凹凸、分层及制造时冲孔、剪边、毛边、裂纹而产生的应力集中，开口裂隙等问题，在持续的振动下，日积月累，最终会导致疲劳破坏，使构件失效。

另外，在连接方面，因在频繁的风荷载作用下，螺栓松弛会导致预紧力下降，螺栓应力幅增大，根据公式可知，应力幅对疲劳损害的影响呈指数型增大，从而使螺栓寿命大大降低。当仅考虑疲劳作用时，计算所得的寿命是偏高的，这样可能会因不及时维修或更换螺栓而导致连接破坏，从而引发事故。因此如果同时考虑疲劳和松弛的共同作用，应力时程分析会更加逼近实际情况，可得到更加安全的结果。研究表明，当松弛导致预紧力下降至55%时，我们应定量评估螺栓寿命同时加大对螺栓的维修养护。这种应用在国内外的项目中，有很多很好的案例，也起到了很好的效果。

这两栋建筑设计理念来自阿拉伯家庭抵挡住强烈阳光的窗花Mashrabiya，整座建筑看起来像披上了一层鳞片一样，由三角组合的鳞片，会随着太阳的移动而调整开合，由于构件的不断开合，推拉装置会在往复荷载下进行不断的张拉和闭合动作，因此在设计过程中，也着重考虑了这种往复运动的影响，根据抗疲劳的要求，ADIC雨伞支撑构件，包括2100根不锈钢推拉杆在内的所有不锈钢构件，最终都采用了整体铸造的方式进行连接，而非焊接的形式，通过这种全铸的方式，大大的降低了疲劳破坏的机率，保证了构件在设计使用年限内的安全使用。

5. 结论

建筑幕墙的外表材料随着科技的发展和建筑师的大胆创意，所采用材质使用的范围越来越宽泛，玻璃面板及铝合金板、穿孔板通常被用来做为外立面装饰构件，其设计的安全性是整个设计过程中至关重要的内容，也是必须考虑的因素。

在常规的设计过程中，人们重点会关注结构的强度及刚度问题，但是随着板块的分格尺寸越来越大，样式越来越多样化，幕墙体系自身的基频如何，能否发生共振破坏，对于穿孔板材，不同穿孔率，对风阻的响应变化如何，在风荷载的作用下，对于薄弱位置的连接构件，能否因风的频繁作用而产生疲劳破坏，这些问题在本文中均有所体现和探讨。

1. 点式玻璃，自身刚度较低，连接薄弱，在轻微外力作用下容易发生振动。由于自振频率越低，越容易发生共振，导致结构发生破坏，因此，确定面板自身的振动频率，是动力分析的关键，也是保障安全性的手段。对于点式玻璃，影响自振频率的主要因素是面板的尺寸，即面板的固定间距，孔间距越大，自振频率越低，越容易发生共振现象，导致构件发生破坏脱落，因此确定构件的自身基频非常的重要。

2. 穿孔板的穿孔率不同，板面所受到的风阻和自身刚度都发生了衰减，在相同条件下，不同的穿孔率，面板强度及变形都发生了变化。由此本文可知，穿孔板不可一味追求美观效果，也要考虑自身刚度的影响，由于穿孔率越大，孔间距离及板面刚度也随之减小，风阻也递减，可知面板的强度及变形由荷载及刚度大的起绝对作用，并无绝对性的变化规律。

3. 在规范中，疲劳作用对构件的影响并无明确规定，但也不可忽略其影响，应对连接件及构件连接部位进行局部的加强、同时增加防脱落措施，以防止持续的振动对连接板及构件产生破坏导致掉落。

随着幕墙的发展，技术的进步，人们对幕墙体系的研究也要越来越深入，不仅要考虑规范规定的相关要求，对于其它方面，如：构件的抗疲劳性、穿孔面板的风阻影响变化都要进行深入的探索，这样才能保障人们的生产生活，促使幕墙行业健康发展。