建筑幕墻深化設(shè)計的重要性

    建筑幕墻深化設(shè)計是在設(shè)計院審定的建筑立面圖、安裝立面圖及節(jié)點大樣圖并經(jīng)建筑師批準(zhǔn)后，按照安裝立面圖上的材料(玻璃、石材或各類金屬板)尺寸分格及節(jié)點大樣圖的細(xì)節(jié)進(jìn)行加工詳圖設(shè)計，該詳圖在施工現(xiàn)場也稱(玻璃、石材或各類金屬板)材料加工單。

    石材幕墻的深化設(shè)計，通常根據(jù)建設(shè)單位提供的建筑圖紙來確定石材的精確分格尺寸、顏色、材質(zhì)、嵌縫材料等，并繪出尺寸詳盡的石材立面圖及各復(fù)雜部位的節(jié)點詳圖，然后依單塊石材的重量、尺寸及抗震、抗風(fēng)壓等各項要求，進(jìn)行相關(guān)的力學(xué)強度計算、確定石材的干掛方式及龍骨體系。在確定干掛石材的具體形狀及加工尺寸時，需精確核實，確保萬無一失(尤其在采用較昂貴的進(jìn)口石材時)，以免造成巨大的經(jīng)濟損失。

    目前，設(shè)計單位對幕墻干掛石材通常只提供立面分格形式和少量節(jié)點圖，施工單位無法依圖施工，因此，需要對石材板及相關(guān)的干掛體系進(jìn)行深化設(shè)計，而這一般由掛板施工單位負(fù)責(zé)。由于技術(shù)水平參差不齊，許多石材工程甚至沒有相應(yīng)的力學(xué)計算和現(xiàn)場試驗驗證，選擇和確定石材及干掛體系均依據(jù)日常的施工經(jīng)驗，很有可能因強度不足留下隱患或強度過大而浪費材料。石材幕墻的深化設(shè)計需確認(rèn)石材板塊材料、選擇的干掛方式和對石材及干掛體系進(jìn)行力學(xué)計算，確定龍骨體系、埋件、連接件等的尺寸規(guī)格。并在有條件的情況下，對計算結(jié)果進(jìn)行現(xiàn)場的力學(xué)性能試驗，以確保石材幕墻的安全性。

    深化設(shè)計應(yīng)配合設(shè)計單位和建設(shè)方，根據(jù)設(shè)計方對幕墻分格形式及材質(zhì)顏色等建筑效果的要求，向建設(shè)方提供各種石材樣本，以協(xié)助其盡快確定所用石材。應(yīng)依據(jù)所掌握的石材資料，重點考慮擬用石材的表面特征、顏色和紋理等技術(shù)性能指標(biāo)。盡管石材供應(yīng)商會提供石材的物理性能指標(biāo)，但作為一種天然材料，石材的物理性質(zhì)變化很大，應(yīng)再次予以確認(rèn)，以便為石材的設(shè)計確立相應(yīng)的設(shè)計指標(biāo)。

    石材的干掛方式有鋼銷式、通槽式、短槽式、背栓式等幾種形式，較常用的有短槽式和背栓式2種。比較而言，短槽式成本較低，但安全性不如背栓式，通常用于石材重量不太大或安全系數(shù)要求不太高時;背栓式干掛牢靠穩(wěn)定，但成本較高，用于較大塊石材(厚度30 mm時石材面積＞1.5 m2)或?qū)κ�材安全性能要求較高時。

    應(yīng)該先確定幕墻所受的荷載及作用形式，再確定石材的干掛方式，進(jìn)而確定石材板塊的計算模型，并進(jìn)行受力安全性計算，最后根據(jù)干掛體系所受荷載值，確定干掛體系的構(gòu)造形式和所用掛件、連接件、埋件及橫豎龍骨的規(guī)格尺寸。石材及其干掛體系的設(shè)計應(yīng)符合國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《金屬與石材幕墻工程技術(shù)規(guī)范》(JGJ 133—2001)的要求。

    石材的計算主要包括掛板板塊自身的抗彎計算和掛板與掛件銷釘連接處的抗剪計算，有時還應(yīng)計算石材的熱裂應(yīng)力。計算方式與石材的干掛方式有關(guān)(本文以背栓式干掛石材固定體系為例說明)。石材板所受荷載包括水平向的風(fēng)荷載和地震荷載、豎向的地震荷載和石材自重，以及溫度變化產(chǎn)生的熱裂應(yīng)力。背栓式干掛石材典型的安裝體系是通過上下各2組(共4組)掛件將石材固定。其中，石材上面2組掛件起支承石材重量及在垂直于石材平面的方向上約束石材的作用，下面的2組掛件在垂直于石材平面的方向上起約束石材的作用。對石材進(jìn)行抗彎計算時，應(yīng)按支撐板上4個點計算其應(yīng)力，所得最大彎曲應(yīng)力設(shè)計值不應(yīng)超過石材板的抗彎強度設(shè)計值。對背栓掛件在石材板上產(chǎn)生的剪應(yīng)力進(jìn)行抗剪計算時，一般根據(jù)相應(yīng)的經(jīng)驗公式進(jìn)行計算，要求石板所受剪應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值不大于板材抗剪強度設(shè)計值。應(yīng)注意的是，豎向剪應(yīng)力應(yīng)由上排的2組掛件承擔(dān)，而非全部4組掛件共同承擔(dān)。

    計算時通�？紤]材料的自重、所受風(fēng)荷載及地震荷載，并根據(jù)荷載作用方式對其進(jìn)行組合。其相應(yīng)分項系數(shù)及組合系數(shù)都應(yīng)嚴(yán)格按規(guī)范要求取用，對某些特殊的建筑物，設(shè)計說明書中對相應(yīng)荷載計算取值會有特殊要求，在計算時應(yīng)對照規(guī)范取其最大值。對干掛體系進(jìn)行計算時，應(yīng)根據(jù)剛體的力的傳遞特性，確定其所受荷載并進(jìn)行力學(xué)計算。當(dāng)有些荷載不易確定時，可通過模擬試驗來確定其大小。

    根據(jù)前述石材物理性能試驗，可得到相應(yīng)的石材強度指標(biāo)。通常用于建筑物干掛石材的有花崗巖、大理石和石灰石等，根據(jù)各種石材特有的性能特征及施工經(jīng)驗，對上述石材進(jìn)行力學(xué)計算時采用的安全系數(shù)應(yīng)有所不同。美國各種石材的工業(yè)協(xié)會對相應(yīng)的石材都給出了推薦使用的安全系數(shù)，如對石灰石，美國石灰石行業(yè)推薦的設(shè)計安全系數(shù)值為8。由實驗得到的石材彎曲強度及壓縮強度除以相應(yīng)的設(shè)計安全系數(shù)，即可得到時常的允許應(yīng)力。

    在石材幕墻工程中，石材干掛體系的設(shè)計一般由施工單位獨立完成。由于幕墻具有懸掛體系的特性，干掛體系的設(shè)計決定著幕墻的結(jié)構(gòu)安全，有著特殊的重要性，而又因為其屬于隱蔽工程，尤其應(yīng)得到足夠的重視。板材中的最大應(yīng)力可通過簡化計算方法或有元程序計算得出。值得強調(diào)的是，有些特殊的石材由于其獨特的紋理特性而使石材在沿板長及板高方向的強度具有非常明顯的差異，須分別對這2個不同的強度方向進(jìn)行計算。另外，在計算石材于某一點達(dá)到某方向的最大應(yīng)力的同時，必須計算其在垂直方向上的應(yīng)力。

    對各向異性的石材，石材板塊姿勢的抗彎驗算有以下兩種情況:

    (1) 石材板塊中發(fā)生最大彎曲應(yīng)力的點在另一方向上的應(yīng)力為零，只要此最大應(yīng)力小于對應(yīng)方向上的石材允許應(yīng)力，則石材板塊自身的抗彎性能滿足要求，反之則不滿足。

    (2) 石材板塊中發(fā)生最大彎曲應(yīng)力的點在另一方向上的應(yīng)力不為零，則驗算時也應(yīng)同時考慮此應(yīng)力。這時可應(yīng)用內(nèi)摩擦理論，設(shè)一個方向為X，另一個垂直的方向為Y，則石材板塊自身的抗彎性能能滿足要求，反之則不能滿足。

    根據(jù)銷釘孔的深度、石材板塊的厚度等計算公式，算出銷釘孔處的深度、石材板塊的厚度等幾何參數(shù)，使銷釘孔處石材的抗剪能力能基本符合規(guī)范要求。以滿足石材抗剪應(yīng)有的強度。

    在為某工程項目的石材做試驗而建立設(shè)計指標(biāo)時，必須取能代表所用石材的試樣，或者直接從將要用于建筑物的石材中挑選試樣。在1996年中國人民銀行總行大樓外立面石材施工和1997年上海市仁恒濱江園7號樓干掛石材中，由于國內(nèi)技術(shù)規(guī)范和測試條件的限制，故參照美國、加拿大的有關(guān)規(guī)定，并按照中國人民銀行總行和新加坡業(yè)主對工程施工的要求，我公司對干掛石材進(jìn)行了物理性能的測試。主要包括彎曲強度、斷裂模量、壓縮強度、吸水率及體積密度，這些指標(biāo)均可通過國家檢測權(quán)威機構(gòu)采用的標(biāo)準(zhǔn)試驗方法獲得，而相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)中都有指定的最小物理性能指標(biāo)。

    5. 現(xiàn)場受力性能試驗

    干掛石材理論計算的模型畢竟與現(xiàn)場實際受力情況有所不同，公司在1997年承攬的武漢建銀大廈(近2萬m2幕墻工程，獲1999年度國家魯班獎參建獎)和濟南恒隆廣場石材干掛施工，為驗證理論計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，在施工現(xiàn)場按擬采用的干掛石材的固定體系固定石材，然后對其逐步施加設(shè)計規(guī)定的荷載并觀察記錄其整體受力性能。最后按試驗對力學(xué)計算結(jié)果進(jìn)行分析和研究，以確保干掛石材在實際使用過程中具有一定的安全度。

干掛石材施工圖設(shè)計的依據(jù)為:建筑平面圖、立面圖、節(jié)點大樣圖、其他專業(yè)需與干掛石材配合的有關(guān)圖紙及其他要求、干掛石材的計算書。施工圖設(shè)計必須做到既滿足建筑師的要求，又要與現(xiàn)場的實際情況相吻合，施工圖設(shè)計主要包括石材的安裝立面圖設(shè)計、石材節(jié)點大樣圖設(shè)計、石材的加工詳圖設(shè)計等。

    6.1 安裝立面圖

       根據(jù)建筑立面圖的板塊分格要求，在各立面上將不同形狀或不同尺寸的石材分別獨立編號，編號應(yīng)確保唯一并方便實用，所設(shè)計的石材安裝立面圖應(yīng)清晰表達(dá)出各立面上所有不同種類的石材板塊。若工程的體形較復(fù)雜，為方便查找干掛石材立面圖紙，還應(yīng)設(shè)計干掛石材安裝立面圖的位置索引圖，以清晰地表示出與建筑物每個區(qū)域墻面對應(yīng)的掛板立面編號圖編號。

    6.2 石材節(jié)點大樣圖

    對建筑物的拐角、窗口、屋檐及其它復(fù)雜部位石材的形狀、尺寸及連接方式，應(yīng)單獨設(shè)計干掛石材節(jié)點大樣圖，以表明這些部位石材的實際情況。

    6.3 石材加工詳圖

    石材安裝立面圖及節(jié)點大樣圖經(jīng)建筑師批準(zhǔn)后，即可按石材安裝立面圖上的石材尺寸分格及節(jié)點大樣圖的細(xì)節(jié)進(jìn)行加工詳圖設(shè)計，該詳圖即通常所說的石材加工單。在確定干掛石材的具體形狀及加工尺寸時，須反復(fù)核實以確保萬無一失。

    綜上所述，通過對石材干掛深化設(shè)計全過程的介紹，表明建筑幕墻深化設(shè)計的重要性。而玻璃幕墻的深化設(shè)計，在某種程度上可用幕墻的抗風(fēng)壓性能、空氣滲透性能、雨水滲漏性能及平面變形性能的檢測報告來相應(yīng)佐證。