現代建筑石材幕墻的優化設計

外墻干掛石材幕墻以其獨特的自然莊重、色彩絢麗風格與外形而備受推崇，它既有效防止常規飾面石材濕貼法施工引起的石材墻面泛堿、變色、空鼓、脫落等缺陷，又具有縮短施工周期、安裝精度高、裝飾效果好、減輕建筑物自重、提高抗震性能等優點，特別是具有安裝牢固、使用安全的特點，在建筑室外墻面的裝飾中得到了廣泛應用，受到業主和建筑師的青睞。

建筑幕墻行業是隨著建筑行業的快速發展而出現的，建筑幕墻是融建筑技術、功能和建筑藝術于一體的建筑外圍護結構，是當今建筑物的高級外裝修。石材是古老的建筑材料，石材因其高貴典雅、堅實耐用、穩健莊重、返璞歸真的天然本色，給人們帶來生活的情趣和回歸自然的感受，成為室外裝飾的首選材料之一。本文簡要論述了現代建筑石材幕墻的優化設計，以期對相關從業人員有所幫助。

前言

現代建筑石材幕墻的優化設計，通常根據建筑圖紙來確定石材的精確分格尺寸、顏色、材質、嵌縫材料等，并繪出尺寸詳盡的石材立面圖及各復雜部位的節點詳圖，然后依單塊石材的重量、尺寸及抗震、抗風壓等各項要求，進行相關的力學強度計算、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口石材時)，以免造成巨大的經濟損失。

目前，設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點圖，施工單位無法依圖施工，因此，需要對石材板及相關的干掛體系進行優化設計，而這一般由掛板施工單位負責。由于技術水平參差不齊，許多石材工程甚至沒有相應的力學計算和現場試驗驗證，選擇和確定石材及干掛體系均依據日常的施工經驗，很有可能因強度不足留下隱患或強度過大而浪費材料。石材幕墻的優化設計需確認石材板塊材料、選擇的干掛方式和對石材及干掛體系進行力學計算，確定龍骨體系、埋件、連接件等的尺寸規格。并在有條件的情況下，對計算結果進行現場的力學性能試驗，以確保石材幕墻的安全性。

一、選擇石材

優化設計時設計單位和建設方應相互配合，根據設計方對幕墻分格形式及材質顏色等建筑效果的要求，向建設方提供各種石材樣本，以協助其盡快確定所用石材。應依據所掌握的石材資料，重點考慮擬用石材的表面特征、顏色和紋理等技術性能指標。盡管石材供應商會提供石材的物理性能指標，但作為一種天然材料，石材的物理性質變化很大，應再次予以確認，以便為石材的設計確立相應的設計指標。

二、選擇干掛方式

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要求不太高時;背栓式干掛牢靠穩定，但成本較高，用于較大塊石材( 厚度30mm時石材面積> 1.5m2) 或對石材安全性能要求較高時。

三、石材及干掛體系的力學計算

應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，進而確定石材板塊的計算模型，并進行受力安全性計算，最后根據干掛體系所受荷載值，確定干掛體系的構造形式和所用掛件、連接件、埋件及橫豎龍骨的規格尺寸。石材及其干掛體系的設計應符合國家行業標準《金屬與石材幕墻工程技術規范》(JGJ133—2001)的要求。

3.1 石材

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，有時還應計算石材的熱裂應力。計算方式與石材的干掛方式有關( 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，以及溫度變化產生的熱裂應力。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。對石材進行抗彎計算時，應按支撐板上4個點計算其應力，所得最大彎曲應力設計值不應超過石材板的抗彎強度設計值。對背栓掛件在石材板上產生的剪應力進行抗剪計算時，一般根據相應的經驗公式進行計算，要求石板所受剪應力標準值不大于板材抗剪強度設計值。應注意的是，豎向剪應力應由上排的2組掛件承擔，而非全部4組掛件共同承擔。

3.2 荷載的確定

計算時通?？紤]材料的自重、所受風荷載及地震荷載，并根據荷載作用方式對其進行組合。其相應分項系數及組合系數都應嚴格按規范要求取用，對某些特殊的建筑物，設計說明書中對相應荷載計算取值會有特殊要求，在計算時應對照規范取其最大值。對干掛體系進行計算時，應根據剛體的力的傳遞特性，確定其所受荷載并進行力學計算。當有些荷載不易確定時，可通過模擬試驗來確定其大小。

3.3 石材的允許應力

根據前述石材物理性能試驗，可得到相應的石材強度指標。

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通常用于建筑物干掛石材的有花崗巖、大理石和石灰石等，根據各種石材特有的性能特征及施工經驗，對上述石材進行力學計算時采用的安全系數應有所不同。美國各種石材的工業協會對相應的石材都給出了推薦使用的安全系數，如對石灰石，美國石灰石行業推薦的設計安全系數值為8。由實驗得到的石材彎曲強度及壓縮強度除以相應的設計安全系數，即可得到時常的允許應力。

3.4 干掛體系的設計

在石材幕墻工程中，石材干掛體系的設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，干掛體系的設計決定著幕墻的結構安全，有著特殊的重要性，而又因為其屬于隱蔽工程，尤其應得到足夠的重視。

板材中的最大應力可通過簡化計算方法或有元程序計算得出。值得強調的是，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行計算。另外，在計算石材于某一點達到某方向的最大應力的同時，必須計算其在垂直方向上的應力。

3.5 石材板塊自身的抗彎驗算

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

(2) 石材板塊中發生最大彎曲應力的點在另一方向上的應力不為零，則驗算時也應同時考慮此應力。這時可應用內摩擦理論，設一個方向為 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。

3.6 銷釘孔處石材的抗剪驗算

根據銷釘孔的深度、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，使銷釘孔處石材的抗剪能力能基本符合規范要求。以滿足石材抗剪應有的強度。

四、現場受力性能試驗

干掛石材理論計算的模型畢竟與現場實際受力情況有所不同，公司在承接一些石材干掛幕墻工程時，為驗證理論計算結果的準確性，在施工現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計規定的荷載并觀察記錄其整體受力性能。最后按試驗對力學計算結果進行分析和研究，以確保干掛石材在實際使用過程中具有一定的安全度。

五、施工圖設計

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

5.1 安裝立面圖

根據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，編號應確保唯一并方便實用，所設計的石材安裝立面圖應清晰表達出各立面上所有不同種類的石材板塊。若工程的體形較復雜，為方便查找干掛石材立面圖紙，還應設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域墻面對應的掛板立面編號圖編號。

5.2 石材節點大樣圖

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

5.3 石材加工詳圖

石材安裝立面圖及節點大樣圖經建筑師批準后，即可按石材安裝立面圖上的石材尺寸分格及節點大樣圖的細節進行加工詳圖設計，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，須反復核實以確保萬無一失。

六、結束語

綜上所述，通過對石材干掛優化設計全過程的介紹，表明現代建筑幕墻優化設計的重要性。而玻璃幕墻的優化設計，在某種程度上可用幕墻的抗風壓性能、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佐證。