現(xiàn)代建筑行業(yè)石材幕墻的優(yōu)化設(shè)計(jì)

　外墻干掛石材幕墻以其獨(dú)特的自然莊重、色彩絢麗風(fēng)格與外形而備受推崇，它既有效防止常規(guī)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(yōu)點(diǎn)，特別是具有安裝牢固、使用安全的特點(diǎn)，在建筑室外墻面的裝飾中得到了廣泛應(yīng)用，受到業(yè)主和建筑師的青睞。

　　建筑幕墻行業(yè)是隨著建筑行業(yè)的快速發(fā)展而出現(xiàn)的，建筑幕墻是融建筑技術(shù)、功能和建筑藝術(shù)于一體的建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)，是當(dāng)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(jiān)實(shí)耐用、穩(wěn)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(xiàn)代建筑石材幕墻的優(yōu)化設(shè)計(jì)，以期對相關(guān)從業(yè)人員有所幫助。

　　前言

　　現(xiàn)代建筑石材幕墻的優(yōu)化設(shè)計(jì)，通常根據(jù)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(diǎn)詳圖，然后依單塊石材的重量、尺寸及抗震、抗風(fēng)壓等各項(xiàng)要求，進(jìn)行相關(guān)的力學(xué)強(qiáng)度計(jì)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(shí)，需精確核實(shí)，確保萬無一失(尤其在采用較昂貴的進(jìn)口石材時(shí))，以免造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

　　目前，設(shè)計(jì)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(diǎn)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)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(jì)算和現(xiàn)場試驗(yàn)驗(yàn)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(yàn)，很有可能因強(qiáng)度不足留下隱患或強(qiáng)度過大而浪費(fèi)材料。石材幕墻的優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)算結(jié)果進(jìn)行現(xiàn)場的力學(xué)性能試驗(yàn)，以確保石材幕墻的安全性。

　　一、選擇石材

　　優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)計(jì)單位和建設(shè)方應(yīng)相互配合，根據(jù)設(shè)計(jì)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(diǎn)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(jì)確立相應(yīng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)。

　　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(shù)要求不太高時(shí);背栓式干掛牢靠穩(wěn)定，但成本較高，用于較大塊石材( 厚度30mm時(shí)石材面積> 1.5m2) 或?qū)κ�材安全性能要求較高時(shí)。

　　三、石材及干掛體系的力學(xué)計(jì)算

　　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(jì)算模型，并進(jìn)行受力安全性計(jì)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(jì)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》(JGJ133—2001)的要求。

　　3.1 石材

　　石材的計(jì)算主要包括掛板板塊自身的抗彎計(jì)算和掛板與掛件銷釘連接處的抗剪計(jì)算，有時(shí)還應(yīng)計(jì)算石材的熱裂應(yīng)力。計(jì)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(jì)算時(shí)，應(yīng)按支撐板上4個(gè)點(diǎn)計(jì)算其應(yīng)力，所得最大彎曲應(yīng)力設(shè)計(jì)值不應(yīng)超過石材板的抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)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(jì)算時(shí)，一般根據(jù)相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算，要求石板所受剪應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值不大于板材抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)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)。

　　3.2 荷載的確定

　　計(jì)算時(shí)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(xiàng)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(jì)說明書中對相應(yīng)荷載計(jì)算取值會有特殊要求，在計(jì)算時(shí)應(yīng)對照規(guī)范取其最大值。對干掛體系進(jìn)行計(jì)算時(shí)，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(jì)算。當(dāng)有些荷載不易確定時(shí)，可通過模擬試驗(yàn)來確定其大小。

　　3.3 石材的允許應(yīng)力

　　根據(jù)前述石材物理性能試驗(yàn)，可得到相應(yīng)的石材強(qiáng)度指標(biāo)。

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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(jù)各種石材特有的性能特征及施工經(jīng)驗(yàn)，對上述石材進(jìn)行力學(xué)計(jì)算時(shí)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(jì)安全系數(shù)值為8。由實(shí)驗(yàn)得到的石材彎曲強(qiáng)度及壓縮強(qiáng)度除以相應(yīng)的設(shè)計(jì)安全系數(shù)，即可得到時(shí)常的允許應(yīng)力。