建筑幕墙设计中优化问题分析

摘要：建筑幕墙作为一种具有装饰效果的轻质墙体其设计对于中立面、节点系统、以及幕墙支撑结构都有着非常严格的要求，为了使建筑幕墙在确保其质量的同时使生产成本降到最低，就要对其设计方案进一步优化。因此本文就建筑幕墙设计中优化问题进行浅析。

关键词：建筑幕墙；优化设计；分析

一、建筑幕墙的概念

建筑幕墙是指由玻璃、石板、铝板等材料和支撑装置以及支撑结构共同组成的，并且其自身具有一定适应主体结构变形能力、不承担主体结构所受荷载的外墙护围。作为建筑物的外墙护围它也目前是现代大型建筑以及高层住宅常用的一种具有装饰效果的轻质墙体。主要是由结构框架和镶嵌饰面板材组成，材质轻盈并且美观。建筑幕墙目前普遍采用陶瓷板、高压层板、金属板、玻璃等材料制作。由于建筑幕墙是用来起装饰效果的轻质墙体，因此在设计当中具有很大的灵活性，除了要求墙体美观大方以外，还要考虑到成本控制等一些因素，总之就是要做到将幕墙结构与建筑外观相匹配的同时并达到功能的标准化以及施工操作的简约化。幕墙施工是幕墙工程的重要环节，施工质量的优劣程度都直接影响着幕墙性能的实现。由此不难看出在进行进行建筑幕墙施工之前必须要对设计方案进行严格审核，对于建筑幕墙设计中所遇到的一些问题进行分析论证，最终确保施工的质量。因此这也就对建筑幕墙的优化设计提出了要求，严格按照标准的执行下，最大限度的成本以及提升材料使用效率。

二、建筑幕墙的结构设计

幕墙作为一种建筑结构，如果一味的强调其安全性和结构强度，在材料的选择上就不可避免的会进入到一个误区，即选用将材料的截面尺寸加大等等保守的措施，就也就意味着加大了幕墙结构的重量，并且以为的使用优质材料也是必会增加施工成本在某种程度上也造成了材料的浪费，从而导致建筑幕墙施工经济上的损失和效益的低下。但如果片面地、盲目地为了追求经济效益和利润，而忽视了对材料质量的要求有些甚至偷工减料，那么就影响了幕墙结构的安全性，一些潜在的不安全因素甚至还会造成更为严重的质量事故。

建筑幕墙设计就是为了解决施工安全与企业经济效益之间矛盾，在两者之间选找一个最佳的结合点，也就是在确保施工安全可靠的前提下，获取极大的经济效益。在设计建筑墙幕时，具体是将实际的工程问题转化为数学模型，通过建立的数学模型进行计算，得出的结论就是设计的最终目标，并且用来检测具体施工的效果。这其中所建立的数学模型则主要有目标函数、设计变量以及约束条件这三个基本要素组成。

（一）目标函数

目标函数就是指在设计过程当中所追求的目标，它是用来衡量设计方案优劣的主要目标。进行建筑幕墙设计可以是进一步明确其结构形式、确定幕墙的截面尺寸，并且能够有效地降低成本、提高生产率等等。根据目标的数量目标函数可以分为单目标函数和多目标函数。其中单目标函数的求解相对比较简单明确，而多目标函数的求解过程十分繁琐复杂。

（二）设计变量

作为建筑幕墙的一个设计方案，一般可用一组参数来表示，在这些参数中有些是已经预先确定好的，即在整个设计过程中始终保持不变的的量，即设计常量，如材料的弹性模量E、材料的泊松比γ、材料的线膨胀系数α以及用来制作幕墙材料的强度设计值等等。而有些参数在设计过程中并不是一成不变的，只有在某些特定的环境中可以看成常量，例如风荷载，它是与建筑物的高度以及建筑物所处的环境、建筑物周边的地面粗糙度、建筑物的体型等有关的变量，但有的时候在一些特定的情况下可以作为常量进行设计计算。另一类是在优化过程中经过逐步调整、最后达到最优值的独立参数，叫做设计变量，例如在进行建筑幕墙的截面尺寸的设计中，截面的几何参数、物理参数就是设计变量。在进行建筑幕墙设计的计算时，其最终的目的就是为了使各个设计中的变量进行相互组合，并且达到最优的配比。

值得注意的是在建筑幕墙的设计当中，如何合理地确定荷载和作用是一项十分重要的工作，由于作用在幕墙上的荷载有重力荷载、风荷载以及雪荷载，此外还有使结构产生变形的一些内力的作用，例如有地震作用、温度作用等等。如果在设计过程中取值过大，所设计的结构尺寸会偏大，造成材料的浪费，如果设计的结构尺寸过小，则影响了其结构的稳定性以及安全性。因此在进行建筑幕墙设计的过程中要严格控制设计变量的个数，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，其设计自由度就越大，容易得到比较理想的设计方案，但随之而来的是，整个设计过程就会变得非常繁琐，如果要进行优化也就相应的比较困难，所以要应尽可能的减少设计变量的个数，例如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，在保证设计方案质量的同时还能够使优化设计更加容易的进行。

（三）约束条件

约束条件也被称之为约束函数，就是指设计变量本身或者设计变量之间应遵循的限制条件的数学表达式。在建筑幕墙设计的过程中，设计变量不断改变其数值。但设计变量的改变要受到一些条件的限制以及约束，也就是说设计变量在设计中的取值范围以及上下边界都必须有一定的限制，它们都是设计变量的函数。为了确保建筑幕墙结构的稳定性以及安全性，对每一个构件进行设计的同时必须确保要使构件在外力作用下不被破坏，即要确保每一个构件都具有足够的强度。其次是要考虑构件在外力作用下能够发生一定的形变，而且一定要保证这种形变在一定的范围内，即每一个构件都要有足够的刚度。最后还要确保构件在外力作用下，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。在进行建筑幕墙构件的设计时，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计算求解。但是对一些具体工程的具体构件，往往有时只是从某些主要的方面进行考虑，例如有时可以将材料的强度为主要考虑对象，或者有时可能是以材料的刚度为主。如果所设计的构件能符合强度、刚度和稳定性的要求，就可以认定设计方案是安全可行的。一般而言，建筑幕墙在设计中应考虑强度、刚度、整体稳定以及局部稳定。建筑幕墙的轴心受拉构件应该重点考虑强度和刚度；轴心受压构件应考虑强度、整体稳定、局部稳定和刚度；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。

三、建筑幕墙设计优化分析

随着科学技术的不断发展，建筑护围开始越来越多的采用玻璃、石料以及金属建造，而且造型新颖独特，使建筑整体也更加美观大方。目前玻璃幕墙是建筑幕之主要保护结构，因此对于玻璃幕墙的设计的好坏将直接影响着建筑幕墙的质量。在进行玻璃幕墙优化设计时，应该紧密围绕幕墙的安全可靠、实用美观以及经济合理这三大原则。

玻璃是幕墙和门窗中使用最多的材料，以往通常采用单层玻璃建造幕墙，随着国家制定了公共建筑节能设计标准以后，大部分玻璃幕墙开始采用中空玻璃这种节能技术，但随之而来的就是如何对中空玻璃实行二道密封措施，常见的密封胶有硅酮胶结构密封胶和聚硫胶两种。根据我国玻璃幕墙工程技术规范中的规定，对于玻璃幕墙中空玻璃的二道密封应该采用中性硅酮结构密封胶，因为聚硫胶虽然密封性好，但对于外层玻璃的粘结度不够，往往会造成外片玻璃脱落引发安全问题。虽然玻璃技术的发展进步提供给了设计者不同种类的材料，但是将采光为主的玻璃放到有多种功能要求的幕墙中，就要做好相互间的配合衔接工作。合理的使用玻璃可以很好地达到节能的效果，玻璃的节能主要体现在玻璃本身对光线的反射、折射、透射以及聚光等特性上，而且利用玻璃反射的特性还能够促使室内的光线分布更加均匀，避免阳光眩光以及防止热辐射。目前采用较多的是单层反射玻璃和双层玻璃。单层反射玻璃能够反射30%的太阳辐射热，而双层玻璃则表象的更加突出，以下就对使用单层反射玻璃和双层反射玻璃的综合性能进行比对：

玻璃类型 使用成本 引起的空调负荷 空调耗能 电力容量及费用 空调设备及电力投资

单层反射玻璃 小 大 大 大 大

双层反射玻璃 大 小 小 小 小

有以上图表分析可知，单层反射玻璃和双层反射玻璃两者之间各有利弊，尤其是对建筑幕墙的投资控制方面有严格要求的，在进行选择时要仔细比对权衡利弊。

关于建筑幕墙的节点设计一定要在满足幕墙系统构造、性能、安装以及维护等要求的前提下，设计一套科学、合理的节点系统。通常情况下采用构造简单、立柱以及横截面相似、材料分配合理的系统。一下就结合具体的工程实例对建筑幕墙的优化设计进行分析：

首先考虑建筑幕墙连续梁的优化问题，架设幕墙的高度L＝3600，分两层，立柱杆承受的荷载为1N/，立柱间采用连续梁的结构形式，设计图形如1所示，连续梁弯矩曲线如图2所示。

图1连续梁设计图

图2 连续梁弯矩曲线

由设计图可知在支承点2处的弯矩最大，即为Mmax＝1506825N・，量的支点弯矩要比中部弯矩大59.1%，从力学角度分析梁的设计没有达到优化要求。所以需要对梁采用最大优化设计，在距离支点2一定距离切断如图3所示，此时梁系处于静止状态，当a达到一定数值后连续梁弯矩曲线如图4所示。在梁系、层高以及荷载条件均相同的情况下，采用优化设计后的支点2的弯矩与梁中部的弯矩完全相同，即Mmax＝1112400 N・，而且最大弯矩比连续梁降低了26.2%。

图3 静定外力伸简支梁计算图

图4 优化后的连续梁弯矩曲线图

进行优化设计的目的就是为了寻找梁系中存在的最大优化点，使支承杆的受力更加均匀。根据优化结果，最大优化点与支承点之间的距离为：

a＝（3－2×20.5）・L

如果将断点3向左右任何方向移动，a值小于或者大于计算值，支承杆的最大为扭矩也就恒大于优化点的计算值。通过对连续梁的优化设计，可以将幕墙的总建设成本降低1.5%左右。

对于双跨梁系的优化，最初的设计如图5所示：

图5双跨梁设计图

双跨梁系的中部最大弯矩计算公式为：

支座弯矩的计算公式为：

由于双跨梁也存在最大优化点，只要领跨中中部最大弯矩与支座弯矩相等时，将L＝a＋b代入，从而求得只含有a和b的方程，然后计算出a和b的比例关系，在L＝a＋b确定的条件下，就可以进一步计算出a和b的值。在实际工程中，这些理论数值往往存在一定的偏差，由于幕墙的支承点需要设置在主体结构上梁，预埋件也需要一定的边距，所以也就导致了幕墙支承点位置受主体结构梁位置以及高度的限制，在具体的施工当中不能够完全达到理论值的要求。因此就需要通过调整其它支承点的相对位置来达到最大优化的目的。

架设幕墙的高度L＝3400，分三层，混凝土梁的高度为500，立柱杆承受的荷载为1N/。幕墙立柱采用双跨梁设计。每一层的大跨段a＝3020，小跨段b＝380。双跨梁设计简图如6所示，弯矩曲线如图7所示：

图6双跨梁设计图

图7双跨梁弯矩曲线图

双跨梁的设计特点是每一层都有两个支点，梁的分断点在上支承点附近。通过计算可以得到最大弯矩值Mmax＝873125 N・，进行优化设计后单跨梁的弯矩曲线如图8所示：

图8 优化后的单跨梁弯矩曲线

经过优化设计后，不仅最大弯矩值比双跨梁降低了10.4%，而且支座的数量也降低了42.86%，而且随着楼层高度的不断增加，支座数量降低的幅度也随之增大，最大能够降低50%。这样一来不仅能够降低连接件、支座以及预埋件的用量而且还能够有效地降低建造成本。通过优化设计可知双跨梁的受力设计并不一定优于单跨梁，而且在经济方面也不存在优势。双跨梁设计主要用于改善支承杆的挠度，适用于高层以及超高层等建筑立柱杆挠度起主要控制作用的情况。建筑幕墙采用双跨梁设计后，通常会产生支承杆件的刚度太大而强度不够的现象，而且由于双跨梁梁系中弯矩的不均衡性以及每一层都会增加一个支点，与单跨梁的设计相比建筑成本要增加1.5%左右。

四、结束语

建筑幕墙是集建筑、设计、装饰、加工为一体的综合性技术，它直接影响着整个建筑物外观的美观程度，因此对于其设计以及施工都有着非常严格的要求。而且这一要求是围绕建筑幕墙结构的安全可靠，实用美观以及经济的合理性进行的。本文则主要针对建筑幕墙优化结果的经济性进行阐述，并进一步验证了优化结果可用于指导生产设计。现阶段由于我国城市建设的快速发展，促使建筑工程日趋繁荣的同时也这在一定程度上影响着建筑幕墙的设计领域，在面对着强烈的市场需求下，各个企业竞争的残酷性可想而知，为了能够获得更加优化的设计方案，就必须要对每一个细节进行分析对设计中存在的问题进行讨论从而使建筑幕墙设计达到最优的效果。

参考文献：

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[4]吴光琼.建筑幕墙设计中的优化问题[J].山西建筑，2010.

[5]李廉锟.结构力学[M].高等教育出版社，2003.

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。