1、1建筑幕墙结构优化设计的探讨摘要：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外围保护结构，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。 关键词：建筑幕墙幕墙结构 优化设计 Abstract: With the development of science and technology, building protection began to use more and more glass, st
2、one and metal construction, and the other is novel and unique, so that the whole building is more beautiful. At present, the glass curtain wall is the main architectural curtain external protection structure, so the design of glass curtain wall will directly affect the quality of building curtain wa
3、ll. In the glass curtain wall design, should be closely around the curtain wall is safe and reliable, practical and beautiful and reasonable in economy the three principles. Key words: building curtain wall, curtain wall structure; optimization design; 2中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号： 前言 建筑幕墙的优化设计是最优化设计方法在
4、建筑幕墙设计领域的应用。幕墙的最优化设计，简单的说，就是从所有可能的设计方案中，寻求最优的设计方案，以最大限度地满足设计所提出的目标。最优化的理论和方法是随着计算机的迅速普及而发展起来的，正因为最优化的宗旨是追求最优目标，这就决定了它的应用价值，最优化问题的解决意味着在相同条件下获得最优的方案、最好的效果和最优的经济指标。最优化的应用和推广，必将使建筑幕墙的设计提高到一个新水平。 目前，幕墙的设计，多采用类比法，参考已有的设计或经验数据，进行分析对比，从而确定所需的设计参数。也有选择有限的几种方案进行计算，最后根据设计要求确定一组较好的设计参数。一般来说，这样确定的设计方案，不是最佳的设计方案
5、。但是，如果采用最优化方法进行设计，则可以获得最佳的设计方案。 最优化设计方法，是根据设计要求建立数学模型，选用有效的最优化计算方法，设计编写优化软件，在计算机上完成设计计算，最后获得最佳的设计方案。 2、结构优化设计注意事项 1）为了保证幕墙结构能正常工作，在设计每一构件时，首先要使构件在外力作用下不破坏，即每一构件要有足够的强度。第二要考虑构件在外力作用下要变形，但变形不能超过某一允许范围，即每一构件要有足够的刚度。最后，构件在外力作用下，可能原来的形状不能继续维持3而要突然改变，即原来的平衡形式不能保持稳定。幕墙构件设计时，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
6、式写出。但对具体工程的具体构件，往往有时只考虑某些主要方面，有时可以以强度为主要的，有时则可能以挠度为主要的。假如所设计的构件能符合强度、刚度和稳定性的要求，就认为设计是安全的。 一般而言，横梁在设计中应考虑强度、刚度、整体稳定、局部稳定。立柱应考虑强度、刚度和局部承压。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。幕墙结构的连接通常有焊接、铆钉连接和螺栓连接。与主体结构的连接有前置式的预埋件连接，后置式的膨胀螺栓连接、穿透螺栓连接等。 2）合理地确定荷载和作用，是幕墙设计中十分重要的工作，作用在幕墙上的荷载有重力荷载、风荷载、雪荷载，此外还有使结构产生变形和内力的作
7、用，有地震作用、温度作用。如果取值过大，所设计的结构尺寸会偏大，造成浪费；如果过小，则所设计的结构不够安全。 设计变量的个数就是优化问题的维数，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，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，使设计复杂起来，优化计算更加困难，所以，应尽量减少设计变量的数目，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，以使优化设计容易进行。 3 实例分析 以下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4了优化结果可用于指导生产设计。现阶段由于我国城市
8、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。 当前，在建筑幕墙的图纸设计中，通常采用简支梁或双支点梁结构，这两种结构形式简单，便于计算，便于审核，便于施工。主要问题是结构的受力状态不合理，没有充分利用材料的力学特性，所以造成不必要的资源浪费，提高了工程造价。 某工程主楼的隐形框玻璃幕墙为例，设主楼层高为 3600mm 标高为100m，最大组合荷载为 q=4Nmm，最大分格为 120
9、0mm。在不改变分格，不改变造型，不影响质量的前提下，分别采用三种不同结构形式计算的结果如下： 3.1 简支梁结构 简支梁结构和安工程实例计算的结构如下： 图 1-1 简支梁结构和弯矩曲线 从力学分析可知：简支梁结构的梁中弯矩很大，Mmax=6480000N-mm，而支承点的弯矩为 0，梁系受力处于严重不均衡状态。为了满足强度和挠度要求，必须采用 190723 的氟碳喷涂铝合金立柱，立柱自重为4.27kgm。 5图 1-2 双支点梁结构和弯矩曲线 3.2 双支点梁结构 为改善简支梁支承点弯矩为 0 的文图，设计经常采用双支点来替代单支点，双支点梁结构和按工程实例计算的结构如图 1-2 所示。
10、由于多余约束的作用，双支点梁的最大弯矩从梁中转移到支承点处。最大弯矩为：Mmax=4773750N-mm。为了满足强度和挠度要求，必须采用160723 的氟碳喷涂铝合金立柱，立柱自重为 3.77kgm。 与简支梁相比，双支点梁每米长度铝立柱自重可以减少 0.50kg，即每平方米玻璃幕墙可以减少 0.42kgm2，降低型材成本 12.18 元m2。但是，双支点梁需要增加一个支承点，每个支承点的埋板和连接件等费用为 66 元套，相当于每平米玻璃幕墙增加 15.28 元m2，收支相抵成本反而增加 3.10 元m2，没有达到降低工程造价的目的。所以，不如直接采用支梁省时、省工、成本也较低。 3.3 优
11、化设计结构 对于上述实例，如果采用优化设计技术，梁系的力学将发生质的变化，优化设计的梁系结构和按工程实例利用计算程序计算的结构如图 1-3所示： 图 1-2 优化设计梁系结构和弯矩曲线 优化设计后，梁系的 Mmax=3240000N-mm，该数值仅为简支梁结构的一半。为了满足强度和挠度要求，必须采用 120723 的氟碳喷涂铝合金立柱，立柱自重为 3.10kgm。 6计算表明：与简支梁相比，每米铝立柱可减少 1.17kg，每平方米玻璃幕墙可减少 0.98kgm2，可降低成本 28.42 元m2。 由此可见，优化结构设计后，可以使玻璃幕墙成本降低。 4、结语 实践表明，优化设计除安全适用外，可做到重量最轻、成本最低、节省能源、加工制作和安装施工劳动力最省、工期最短，在确保安全可靠的前提下，获取极大的经济效益。使建筑幕墙设计做到技术先进、经济合理、安全适用、确保质量。
