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摘要:建筑師為了表達建筑個性化外觀，普遍采用獨特的、具有多樣性的外裝飾條等幕墻獨立外掛構件，試圖營造建筑的獨特線條化外觀感受。如采用與幕墻面板平行、豎向懸挑、橫向懸挑或斜向懸挑的構件，并采用新型的材質或加工工藝，如穿孔金屬板、玻璃板及其它復合材料等，來打造建筑的輕盈現代感，通過使用UHPC、石材等來體現建筑的厚重硬朗的感覺。建筑師借用這些裝飾條、穿孔板等塑造新穎美觀獨特的外立面肌理效果，同時也在安全性方面，提出了更高的設計要求。 外裝飾條是暴露在室外的構件，如何在確保其自身強度、剛度前提下，使其與幕墻龍骨可靠連接、避免風壓或外力作用時產生共振破壞等，是其安全設計過程中必不可少的內容。除此之外開孔率不同的穿孔板風阻特性和面板強度變化規律、細長裝飾構件，如格柵在脈動風荷載作用下，是否會產生疲勞破壞，應采取哪些構造措施等都是本文中著重討論的內容。通過抽象化提煉這類典型設計問題，試圖提出安全設計原則性建議。 關鍵詞:幕墻發展史、紋理肌膚幕墻、穿孔板、疲勞分析、國內外規范、裝飾條、基振
0. 引言： 隨著我國國民經濟的高速發展和人民生活水平的不斷提高，以及建筑師設計理念“人性之于建筑”的提升，建筑物越來越向節能環保、精致、高品質、智能化等方向發展。因此建筑幕墻產品也必須向高新技術和多功能的方向發展，才能適應人們日漸增強的環保節能意識，以滿足市場對建筑幕墻功能的需求。 從建筑發展視角來看，一種幕墻風格盛行一段時間后產生內在的轉向需求，這是人們個性化追求的必然結果。所以，往往一種風格無論是造型、結構體系、材料還是工藝，通過改變風格來滿足人們喜新厭舊的審美定位要求，唯獨不變的是對安全、舒適和美觀、新穎的需求。這一點符合神經建筑學基本原理，同時也與維特魯威的經典解析：“建筑應基于堅固、實用和美觀的三原則進行設計”的觀點相一致。 國內幕墻技術風格經歷了以下略為互相交錯重疊的階段，每個階段都將涉及一些核心技術，而如今則處于大綜合的階段。 1) 全隱框幕墻:適應了人們追求無框鏡子隱喻的審美需求。但很快轉向帶多樣化裝飾條幕墻。因為帶裝飾條幕墻不僅創造了多線條的精致感，還提供了遮陽等實用功能。 2) 開放裝配幕墻系統：著重體現工業化產品味道，而單元式幕墻技術為其提供了便于實現的途徑;集成石材、金屬板、玻璃和裝飾條在內的多種構件，滿足了兼容裝配、節能設計需求。而開放系統為提升幕墻裝配感的同時，也促使延長系統的使用壽命成為可能。 3) 點式玻璃幕墻：展現新穎結構美學。隨即又轉向表皮簡潔大氣與結構美學結合方向。 4) 雙層幕墻：提供節能、舒適和多樣性演繹可能性，特別是采用遮陽功能，使更優秀的準外遮陽的實現成為可能。 5) 單層索網幕墻：帶來柔性簡潔結構美學體驗，滿足了視覺通透和人們探索好奇心的內在需求。 6) 綜合集成幕墻：幕墻功能配套與幕墻集成，如通風器、LED多媒體屏幕、光伏BIPV和 BMU與幕墻深度一體化成為普遍。 7) 自由曲面幕墻：能獲得動感體驗和親切感，滿足了人們不斷轉向的審美內在需要。 8) 肌理幕墻：滿足個性化體驗和韻律之美，當與通風、光伏發電、LED照明等結合時表現出了更大的適應性。肌理幕墻成為業主和建筑師表征自己獨特性的一種設計手法。 無論采用哪一種幕墻方式，其普遍性特性為：裝飾條越來越多、尺寸越來越大、越來越具有個性化特色。
隨著幕墻類型的增多，使用材料的增加，在幕墻進行設計過程中，也產生了越來越多需要解決的問題。如外裝飾條結構的風振性能不僅與來流的脈動特性有關，還與結構自身的振動特性有關，因此在風振分析前，有必要對幕墻支承結構的自振頻率和振型作適當的探討。 穿孔面材由于穿孔后，所受風壓及自身剛度都有所降低，在相同條件下，穿孔率的不同，強度會發生哪些變化。風是作用于幕墻的短期荷載，以脈動風形式作用于結構構件上，是否會使構件產生往復運動，導致疲勞破壞，這些都是我們在幕墻設計中，力求解決的問題。在本文中，也將在這些方面進行深入的探索。 1. 幕墻裝飾條存在形式分析 建筑幕墻上所采用的裝飾條，可謂是種類繁多：有采用金屬材質的、也有非金屬材質的。按形狀和形態：有豎向的、橫向的。按尺寸區分：有長構件、有短構件。按功能區分：有兼顧通風功能的，也有安裝LED照明燈起美化作用的。 下面列出具有典型意義的幾種裝飾條類型： 1.1. 實體鋁合金裝飾條
1.2 玻璃板裝飾構件
1.3 穿孔鋁板裝飾條
由上可知，裝飾條形式多種多樣，而本文著重分析裝飾條的安全性問題，因此此處更加關注易出現安全隱患的典型性裝飾條，其它類型并不一一列舉。 2. 外裝飾玻璃面板模態分析 實例分析：南京某工程，地質粗糙類型：C類，抗震設防烈度：7度，抗震加速度：0.10g，基本風壓0.4kPa，基本雪壓0.65kPa，準永久值系數0.20，設計使用年限：50年，最高計算高度點99.8米，雙層幕墻形式，外層裝飾板由玻璃面板構成，外挑斜向突出墻面800mm，由于面板自身剛度較弱，在風荷載或外力作用下，容易受到擾動產生振動，因此確定玻璃面板的自振頻率，是判斷能否發生共振的關鍵因素之一。本項中主要應用了兩種尺寸及配置的玻璃面板，第一種情況：分格尺寸2m(橫向)*6m(豎向)，四點支撐，玻璃配置19+2.28SGP9+19mm雙超白SGP夾膠印刷玻璃。第二種情況：分格尺寸2m(橫向)*4.2m(豎向)，四點支撐，玻璃配置19+2.28SGP9+19mm雙超白SGP夾膠印刷玻璃。計算軟件采用SAP2000及ANSYS有限元軟件，每個面板采用了8個振型進行分析計算。
玻璃配置19+2.28SGP9+19mm 雙超白SGP夾膠印刷玻璃面板振型及頻率分析如下：
玻璃配置12+2.28SGP9+15mm雙超白SGP夾膠印刷玻璃面板振型及頻率分析如下：
Table1及Table2給出了二種面板的前8階自振頻率及周期。圖2.2及圖2.3給出每種方案的前8階振型圖。計算過程中，應用了兩種計算軟件SAP2000及ANSYS分別進行計算和校核，以相互印證，兩種方式計算結果非常的接近，由以上數據分析可以得出，15+2.28SGP+12mm玻璃面板的第一階基頻最低，數據為3.532，隨著板面尺寸的增大，自振頻率也逐步減小。19+2.28SGP+19mm玻璃面板的第一階基頻為3.0133，雖然板面厚度有所增厚，剛度有所增加，但分格尺寸對自振頻率的影響更大，由數據可知，面板隨著跨度的增大，其自振頻率逐步降低。二種軟件分析下，玻璃面板的振型也非常相似，均呈對稱及反對稱分布，由此可推斷，計算結果準確有效。同時由研究結果表明，玻璃面板的自振頻率遠高于1.5hz，不易發生共振，體系上具備一定的安全儲備，上述工程的玻璃面板有足夠的安全系數。 3. 穿孔率對穿孔板的影響分析 3.1. 穿孔板在幕墻中的應用 穿孔鋁板可以作為建筑表皮覆蓋裝飾構件，在城市街道空間和建筑之間形成半透明的界面，可以統一立面效果，從而可以形成完整、有秩序的城市界面。孔型花樣和顏色可以自由選擇，根據不同風格及喜好選擇不同的孔型或顏色。 金屬裝飾穿孔板是現代一種新型的裝飾材料，其有著很強的裝飾性，憑借它“透”的特性，會出現獨特的光影虛實效果。運用在室外建筑的外層，不同大小的孔洞，實現肌理效果的變化，富有層次感，并且具有一定的透光性，像一層“面紗”，保證良好采光的同時又透露著些許神秘的氛圍。這種金屬面板結實穩固，是現代做外墻裝飾的一種較佳選擇。 穿孔板多為不銹鋼板、鋁板、鐵板、銅板等等，由于材質的限制，所以孔型上，基本是圓孔、方孔、三角孔等簡單的幾何圖形。在現代生活中應用得非常廣泛，運用在建筑上，穿孔板將材料與肌理控制得細致入微，通過大小不同的穿孔和疏密的變化，甚至可以呈現出具體圖案的效果。穿孔鋁板作為一種金屬裝飾材料，在凸顯建筑物的個性特征的同時，又很好地解決了玻璃幕墻所引起的光污染問題，體現了環保節能的優勢。
穿孔板雖然起著外裝飾作用，但自身也起著承受風荷載，將荷載傳遞到主體結構的作用。下文將對穿孔板的風阻影響進行詳細的分析，以為穿孔板的設計提供相應的依據。 3.2. 穿孔率對風阻影響 實例分析：上海某工程，地質粗糙類型：C類，抗震設防烈度：7度，抗震加速度：0.10g，基本風壓0.55kPa，基本雪壓0.2kPa，準永久值系數0.20，設計使用年限：50年，最高計算高度點50米，風壓標準值1.8kPa，雙層幕墻形式，內層為標準玻璃幕墻，外層由穿孔鋁板做為裝飾板構成，板厚3mm，分格尺寸0.5m*1m。采用三種情況進行分析：1)無孔板孔，2)穿孔板，孔直徑6mm，3)穿孔板，孔直徑15mm，在相同的計算條件下，分別對三種情況進行分析計算。通過計算結果的對比，分析穿孔率大小，判斷面板強度變化規律。計算軟件采用SAP2000有限元軟件進行分析。 3.2.1. 穿孔板的受力分析 對于如何確定建筑立面上裝飾條所受風壓對應的體型系數取值，可以通過按規范或者風洞實驗進行確定。不同位置及尺寸的裝飾條，系數取也均不相同。
本文中，根據裝飾板所在位置及形式，根據表Table 3確定局部系數K為1.1，而臨近區域墻體體型系數為Usl為1.6，則由公式確定局部體型系數US取值為K*Usl=1.1*1.6=1.76，從而根據風荷載標準值公式，確定風壓標準值為1.8kPa。下文中穿孔板的計算過程中，所需的計算標準值均為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
通過采用SAP2000有限元軟件分析后，可知，實體無孔鋁板在1.8kPa的荷載作用下，面板的強度為30.6Mpa，變形為5.2mm。ф6mm穿孔面板，在1.8kPa的荷載作用下，面板的強度為48Mpa，變形為5.87mm。ф15mm穿孔面板，在1.8kPa的荷載作用下，面板的強度為63Mpa，變形為6.73mm。 通過上述數據可以看出，無孔板雖然受力面較大，風荷載100%全部作用于面板，但由于板的整體性好，強度及變形滿足其承載力設計值及撓度限值。當采用ф6mm穿孔板時，風荷載部分作用于板面上，少量風壓由孔處穿出，由于孔徑小，板的整體性高于大孔徑的穿孔板，所以其強度及變形也滿足規范要求，當采用ф15mm穿孔板時，風荷載作用于面板上的面積有所減小，但強度和變形繼續增大。由此可知，在相同條件下，孔徑越大，孔間的板面面積越小，板面的剛度降低，強度及變形均有所增加，雖然受力面有所減小，但板面的剛度和荷載的大小同時起著主控作用。因此，在設計穿孔板時，對穿孔率要有適當考量，并非開孔越大越好。 4. 抗疲勞設計在幕墻領域中的應用分析 材料構件在變動應力和應變的長期作用下，由于累積損傷而引起的斷裂的現象被稱為疲勞。金屬材料在往復荷載作用下，即使在其應力遠低于強度極限，甚至還低于屈服極限的情況下也會發生斷裂破壞。一般疲勞破壞，要經歷微裂紋初始形成、裂紋緩慢擴展和裂紋迅速擴展并斷裂三個階段。疲勞破壞時，不會產生明顯的塑性變形，直接呈現突然的脆斷。
對疲勞破壞可能性來說，構件的應力集中、材料表面光潔度很差，有大量雜質、構件的應力儲備不足、材料表面強度很低和荷載循環次數過多，這些都是促成產生疲勞破壞的因素。 疲勞斷裂是一種非常危險的斷裂，關乎了人民的生命財產，在對風比較敏感的建筑外圍護體系中，風荷載對幕墻，產生如何的影響，本文中也查閱了國內外的規范，并列出了相關的規定。 BS5950中第2.4.3中規定，由風荷載產生的應力變化可以不予考慮。在美標ANSI/AISC360-05中，第9條疲勞設計中規定，在常規建筑外抗風體系或外圍護體系中，短期風荷載的影響不予考慮。 在我國國內，幕墻中的很多構件，在考慮疲勞作用下時，會采用試驗的手段進行測試，以保證在施工使用過程中的安全性。 雖然規范上沒有要求考慮疲勞影響但不意味著我們可以完全忽略其危害。從定義上講，風荷載對圍護體系產生脈動作用而非往復作用，這一現象與疲勞的相關定義不符，但是對于長細比較大的構件，如格柵、裝飾條、金屬屋面板等風敏感的輕質構件來說，風的吹動，會使構件產生持續的振動，由于材料在生產制造過程中，不可避免地在結構的某些部位存在著局部微小缺陷，如化學成分的偏析、非金屬雜質;構件表面上的刻痕、凹凸、分層及制造時沖孔、剪邊、毛邊、裂紋而產生的應力集中，開口裂隙等問題，在持續的振動下，日積月累，最終會導致疲勞破壞，使構件失效。 另外，在連接方面，因在頻繁的風荷載作用下，螺栓松弛會導致預緊力下降，螺栓應力幅增大，根據公式可知，應力幅對疲勞損害的影響呈指數型增大，從而使螺栓壽命大大降低。當僅考慮疲勞作用時，計算所得的壽命是偏高的，這樣可能會因不及時維修或更換螺栓而導致連接破壞，從而引發事故。因此如果同時考慮疲勞和松弛的共同作用，應力時程分析會更加逼近實際情況，可得到更加安全的結果。研究表明，當松弛導致預緊力下降至55%時，我們應定量評估螺栓壽命同時加大對螺栓的維修養護。這種應用在國內外的項目中，有很多很好的案例，也起到了很好的效果。
這兩棟建筑設計理念來自阿拉伯家庭抵擋住強烈陽光的窗花Mashrabiya，整座建筑看起來像披上了一層鱗片一樣，由三角組合的鱗片，會隨著太陽的移動而調整開合，由于構件的不斷開合，推拉裝置會在往復荷載下進行不斷的張拉和閉合動作，因此在設計過程中，也著重考慮了這種往復運動的影響，根據抗疲勞的要求，ADIC雨傘支撐構件，包括2100根不銹鋼推拉桿在內的所有不銹鋼構件，最終都采用了整體鑄造的方式進行連接，而非焊接的形式，通過這種全鑄的方式，大大的降低了疲勞破壞的機率，保證了構件在設計使用年限內的安全使用。 5. 結論 建筑幕墻的外表材料隨著科技的發展和建筑師的大膽創意，所采用材質使用的范圍越來越寬泛，玻璃面板及鋁合金板、穿孔板通常被用來做為外立面裝飾構件，其設計的安全性是整個設計過程中至關重要的內容，也是必須考慮的因素。 在常規的設計過程中，人們重點會關注結構的強度及剛度問題，但是隨著板塊的分格尺寸越來越大，樣式越來越多樣化，幕墻體系自身的基頻如何，能否發生共振破壞，對于穿孔板材，不同穿孔率，對風阻的響應變化如何，在風荷載的作用下，對于薄弱位置的連接構件，能否因風的頻繁作用而產生疲勞破壞，這些問題在本文中均有所體現和探討。 1. 點式玻璃，自身剛度較低，連接薄弱，在輕微外力作用下容易發生振動。由于自振頻率越低，越容易發生共振，導致結構發生破壞，因此，確定面板自身的振動頻率，是動力分析的關鍵，也是保障安全性的手段。對于點式玻璃，影響自振頻率的主要因素是面板的尺寸，即面板的固定間距，孔間距越大，自振頻率越低，越容易發生共振現象，導致構件發生破壞脫落，因此確定構件的自身基頻非常的重要。 2. 穿孔板的穿孔率不同，板面所受到的風阻和自身剛度都發生了衰減，在相同條件下，不同的穿孔率，面板強度及變形都發生了變化。由此本文可知，穿孔板不可一味追求美觀效果，也要考慮自身剛度的影響，由于穿孔率越大，孔間距離及板面剛度也隨之減小，風阻也遞減，可知面板的強度及變形由荷載及剛度大的起絕對作用，并無絕對性的變化規律。 3. 在規范中，疲勞作用對構件的影響并無明確規定，但也不可忽略其影響，應對連接件及構件連接部位進行局部的加強、同時增加防脫落措施，以防止持續的振動對連接板及構件產生破壞導致掉落。 隨著幕墻的發展，技術的進步，人們對幕墻體系的研究也要越來越深入，不僅要考慮規范規定的相關要求，對于其它方面，如：構件的抗疲勞性、穿孔面板的風阻影響變化都要進行深入的探索，這樣才能保障人們的生產生活，促使幕墻行業健康發展。 |
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