摘要:建筑師為了表達建筑個性化外觀，普遍采用獨特的、具有多樣性的外裝飾條等幕墻獨立外掛構件，試圖營造建筑的獨特線條化外觀感受。如采用與幕墻面板平行、豎向懸挑、橫向懸挑或斜向懸挑的構件，并采用新型的材質或加工工藝，如穿孔金屬板、玻璃板及其它復合材料等，來打造建筑的輕盈現代感，通過使用UHPC、石材等來體現建筑的厚重硬朗的感覺。建筑師借用這些裝飾條、穿孔板等塑造新穎美觀獨特的外立面肌理效果，同時也在安全性方面，提出了更高的設計要求。

外裝飾條是暴露在室外的構件，如何在確保其自身強度、剛度前提下，使其與幕墻龍骨可靠連接、避免風壓或外力作用時產生共振破壞等，是其安全設計過程中必不可少的內容。除此之外開孔率不同的穿孔板風阻特性和面板強度變化規(guī)律、細長裝飾構件，如格柵在脈動風荷載作用下，是否會產生疲勞破壞，應采取哪些構造措施等都是本文中著重討論的內容。通過抽象化提煉這類典型設計問題，試圖提出安全設計原則性建議。

關鍵詞:幕墻發(fā)展史、紋理肌膚幕墻、穿孔板、疲勞分析、國內外規(guī)范、裝飾條、基振

0. 引言：

隨著我國國民經濟的高速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，以及建筑師設計理念“人性之于建筑”的提升，建筑物越來越向節(jié)能環(huán)保、精致、高品質、智能化等方向發(fā)展。因此建筑幕墻產品也必須向高新技術和多功能的方向發(fā)展，才能適應人們日漸增強的環(huán)保節(jié)能意識，以滿足市場對建筑幕墻功能的需求。

從建筑發(fā)展視角來看，一種幕墻風格盛行一段時間后產生內在的轉向需求，這是人們個性化追求的必然結果。所以，往往一種風格無論是造型、結構體系、材料還是工藝，通過改變風格來滿足人們喜新厭舊的審美定位要求，唯獨不變的是對安全、舒適和美觀、新穎的需求。這一點符合神經建筑學基本原理，同時也與維特魯威的經典解析：“建筑應基于堅固、實用和美觀的三原則進行設計”的觀點相一致。

國內幕墻技術風格經歷了以下略為互相交錯重疊的階段，每個階段都將涉及一些核心技術，而如今則處于大綜合的階段。

1) 全隱框幕墻:適應了人們追求無框鏡子隱喻的審美需求。但很快轉向帶多樣化裝飾條幕墻。因為帶裝飾條幕墻不僅創(chuàng)造了多線條的精致感，還提供了遮陽等實用功能。

2) 開放裝配幕墻系統(tǒng)：著重體現工業(yè)化產品味道，而單元式幕墻技術為其提供了便于實現的途徑;集成石材、金屬板、玻璃和裝飾條在內的多種構件，滿足了兼容裝配、節(jié)能設計需求。而開放系統(tǒng)為提升幕墻裝配感的同時，也促使延長系統(tǒng)的使用壽命成為可能。

3) 點式玻璃幕墻：展現新穎結構美學。隨即又轉向表皮簡潔大氣與結構美學結合方向。

4) 雙層幕墻：提供節(jié)能、舒適和多樣性演繹可能性，特別是采用遮陽功能，使更優(yōu)秀的準外遮陽的實現成為可能。

5) 單層索網幕墻：帶來柔性簡潔結構美學體驗，滿足了視覺通透和人們探索好奇心的內在需求。

6) 綜合集成幕墻：幕墻功能配套與幕墻集成，如通風器、LED多媒體屏幕、光伏BIPV和 BMU與幕墻深度一體化成為普遍。

7) 自由曲面幕墻：能獲得動感體驗和親切感，滿足了人們不斷轉向的審美內在需要。

8) 肌理幕墻：滿足個性化體驗和韻律之美，當與通風、光伏發(fā)電、LED照明等結合時表現出了更大的適應性。肌理幕墻成為業(yè)主和建筑師表征自己獨特性的一種設計手法。

無論采用哪一種幕墻方式，其普遍性特性為：裝飾條越來越多、尺寸越來越大、越來越具有個性化特色。

隨著幕墻類型的增多，使用材料的增加，在幕墻進行設計過程中，也產生了越來越多需要解決的問題。如外裝飾條結構的風振性能不僅與來流的脈動特性有關，還與結構自身的振動特性有關，因此在風振分析前，有必要對幕墻支承結構的自振頻率和振型作適當的探討。

穿孔面材由于穿孔后，所受風壓及自身剛度都有所降低，在相同條件下，穿孔率的不同，強度會發(fā)生哪些變化。風是作用于幕墻的短期荷載，以脈動風形式作用于結構構件上，是否會使構件產生往復運動，導致疲勞破壞，這些都是我們在幕墻設計中，力求解決的問題。在本文中，也將在這些方面進行深入的探索。

1. 幕墻裝飾條存在形式分析

建筑幕墻上所采用的裝飾條，可謂是種類繁多：有采用金屬材質的、也有非金屬材質的。按形狀和形態(tài)：有豎向的、橫向的。按尺寸區(qū)分：有長構件、有短構件。按功能區(qū)分：有兼顧通風功能的，也有安裝LED照明燈起美化作用的。

下面列出具有典型意義的幾種裝飾條類型：

1.1. 實體鋁合金裝飾條

1.2 玻璃板裝飾構件

1.3 穿孔鋁板裝飾條

由上可知，裝飾條形式多種多樣，而本文著重分析裝飾條的安全性問題，因此此處更加關注易出現安全隱患的典型性裝飾條，其它類型并不一一列舉。

2. 外裝飾玻璃面板模態(tài)分析

實例分析：南京某工程，地質粗糙類型：C類，抗震設防烈度：7度，抗震加速度：0.10g，基本風壓0.4kPa，基本雪壓0.65kPa，準永久值系數0.20，設計使用年限：50年，最高計算高度點99.8米，雙層幕墻形式，外層裝飾板由玻璃面板構成，外挑斜向突出墻面800mm，由于面板自身剛度較弱，在風荷載或外力作用下，容易受到擾動產生振動，因此確定玻璃面板的自振頻率，是判斷能否發(fā)生共振的關鍵因素之一。本項中主要應用了兩種尺寸及配置的玻璃面板，第一種情況：分格尺寸2m(橫向)*6m(豎向)，四點支撐，玻璃配置19+2.28SGP9+19mm雙超白SGP夾膠印刷玻璃。第二種情況：分格尺寸2m(橫向)*4.2m(豎向)，四點支撐，玻璃配置19+2.28SGP9+19mm雙超白SGP夾膠印刷玻璃。計算軟件采用SAP2000及ANSYS有限元軟件，每個面板采用了8個振型進行分析計算。

玻璃配置19+2.28SGP9+19mm 雙超白SGP夾膠印刷玻璃面板振型及頻率分析如下：

玻璃配置12+2.28SGP9+15mm雙超白SGP夾膠印刷玻璃面板振型及頻率分析如下：

Table1及Table2給出了二種面板的前8階自振頻率及周期。圖2.2及圖2.3給出每種方案的前8階振型圖。計算過程中，應用了兩種計算軟件SAP2000及ANSYS分別進行計算和校核，以相互印證，兩種方式計算結果非常的接近，由以上數據分析可以得出，15+2.28SGP+12mm玻璃面板的第一階基頻最低，數據為3.532，隨著板面尺寸的增大，自振頻率也逐步減小。19+2.28SGP+19mm玻璃面板的第一階基頻為3.0133，雖然板面厚度有所增厚，剛度有所增加，但分格尺寸對自振頻率的影響更大，由數據可知，面板隨著跨度的增大，其自振頻率逐步降低。二種軟件分析下，玻璃面板的振型也非常相似，均呈對稱及反對稱分布，由此可推斷，計算結果準確有效。同時由研究結果表明，玻璃面板的自振頻率遠高于1.5hz，不易發(fā)生共振，體系上具備一定的安全儲備，上述工程的玻璃面板有足夠的安全系數。

3. 穿孔率對穿孔板的影響分析

3.1. 穿孔板在幕墻中的應用

穿孔鋁板可以作為建筑表皮覆蓋裝飾構件，在城市街道空間和建筑之間形成半透明的界面，可以統(tǒng)一立面效果，從而可以形成完整、有秩序的城市界面�？仔突�樣和顏色可以自由選擇，根據不同風格及喜好選擇不同的孔型或顏色。

金屬裝飾穿孔板是現代一種新型的裝飾材料，其有著很強的裝飾性，憑借它“透”的特性，會出現獨特的光影虛實效果。運用在室外建筑的外層，不同大小的孔洞，實現肌理效果的變化，富有層次感，并且具有一定的透光性，像一層“面紗”，保證良好采光的同時又透露著些許神秘的氛圍。這種金屬面板結實穩(wěn)固，是現代做外墻裝飾的一種較佳選擇。

穿孔板多為不銹鋼板、鋁板、鐵板、銅板等等，由于材質的限制，所以孔型上，基本是圓孔、方孔、三角孔等簡單的幾何圖形。在現代生活中應用得非常廣泛，運用在建筑上，穿孔板將材料與肌理控制得細致入微，通過大小不同的穿孔和疏密的變化，甚至可以呈現出具體圖案的效果。穿孔鋁板作為一種金屬裝飾材料，在凸顯建筑物的個性特征的同時，又很好地解決了玻璃幕墻所引起的光污染問題，體現了環(huán)保節(jié)能的優(yōu)勢。

穿孔板雖然起著外裝飾作用，但自身也起著承受風荷載，將荷載傳遞到主體結構的作用。下文將對穿孔板的風阻影響進行詳細的分析，以為穿孔板的設計提供相應的依據。

3.2. 穿孔率對風阻影響

實例分析：上海某工程，地質粗糙類型：C類，抗震設防烈度：7度，抗震加速度：0.10g，基本風壓0.55kPa，基本雪壓0.2kPa，準永久值系數0.20，設計使用年限：50年，最高計算高度點50米，風壓標準值1.8kPa，雙層幕墻形式，內層為標準玻璃幕墻，外層由穿孔鋁板做為裝飾板構成，板厚3mm，分格尺寸0.5m*1m。采用三種情況進行分析：1)無孔板孔，2)穿孔板，孔直徑6mm，3)穿孔板，孔直徑15mm，在相同的計算條件下，分別對三種情況進行分析計算。通過計算結果的對比，分析穿孔率大小，判斷面板強度變化規(guī)律。計算軟件采用SAP2000有限元軟件進行分析。

3.2.1. 穿孔板的受力分析

對于如何確定建筑立面上裝飾條所受風壓對應的體型系數取值，可以通過按規(guī)范或者風洞實驗進行確定。不同位置及尺寸的裝飾條，系數取也均不相同。

本文中，根據裝飾板所在位置及形式，根據表Table 3確定局部系數K為1.1，而臨近區(qū)域墻體體型系數為Usl為1.6，則由公式確定局部體型系數US取值為K*Usl=1.1*1.6=1.76，從而根據風荷載標準值公式，確定風壓標準值為1.8kPa。下文中穿孔板的計算過程中，所需的計算標準值均為1.8 kPa。

3.2.2. ф6mm穿孔板的受力分析

3.2.3. ф15mm穿孔板的受力分析

通過采用SAP2000有限元軟件分析后，可知，實體無孔鋁板在1.8kPa的荷載作用下，面板的強度為30.6Mpa，變形為5.2mm。ф6mm穿孔面板，在1.8kPa的荷載作用下，面板的強度為48Mpa，變形為5.87mm。ф15mm穿孔面板，在1.8kPa的荷載作用下，面板的強度為63Mpa，變形為6.73mm。

通過上述數據可以看出，無孔板雖然受力面較大，風荷載100%全部作用于面板，但由于板的整體性好，強度及變形滿足其承載力設計值及撓度限值。當采用ф6mm穿孔板時，風荷載部分作用于板面上，少量風壓由孔處穿出，由于孔徑小，板的整體性高于大孔徑的穿孔板，所以其強度及變形也滿足規(guī)范要求，當采用ф15mm穿孔板時，風荷載作用于面板上的面積有所減小，但強度和變形繼續(xù)增大。由此可知，在相同條件下，孔徑越大，孔間的板面面積越小，板面的剛度降低，強度及變形均有所增加，雖然受力面有所減小，但板面的剛度和荷載的大小同時起著主控作用。因此，在設計穿孔板時，對穿孔率要有適當考量，并非開孔越大越好。

4. 抗疲勞設計在幕墻領域中的應用分析

材料構件在變動應力和應變的長期作用下，由于累積損傷而引起的斷裂的現象被稱為疲勞。金屬材料在往復荷載作用下，即使在其應力遠低于強度極限，甚至還低于屈服極限的情況下也會發(fā)生斷裂破壞。一般疲勞破壞，要經歷微裂紋初始形成、裂紋緩慢擴展和裂紋迅速擴展并斷裂三個階段。疲勞破壞時，不會產生明顯的塑性變形，直接呈現突然的脆斷。

對疲勞破壞可能性來說，構件的應力集中、材料表面光潔度很差，有大量雜質、構件的應力儲備不足、材料表面強度很低和荷載循環(huán)次數過多，這些都是促成產生疲勞破壞的因素。

疲勞斷裂是一種非常危險的斷裂，關乎了人民的生命財產，在對風比較敏感的建筑外圍護體系中，風荷載對幕墻，產生如何的影響，本文中也查閱了國內外的規(guī)范，并列出了相關的規(guī)定。

BS5950中第2.4.3中規(guī)定，由風荷載產生的應力變化可以不予考慮。在美標ANSI/AISC360-05中，第9條疲勞設計中規(guī)定，在常規(guī)建筑外抗風體系或外圍護體系中，短期風荷載的影響不予考慮。

在我國國內，幕墻中的很多構件，在考慮疲勞作用下時，會采用試驗的手段進行測試，以保證在施工使用過程中的安全性。

雖然規(guī)范上沒有要求考慮疲勞影響但不意味著我們可以完全忽略其危害。從定義上講，風荷載對圍護體系產生脈動作用而非往復作用，這一現象與疲勞的相關定義不符，但是對于長細比較大的構件，如格柵、裝飾條、金屬屋面板等風敏感的輕質構件來說，風的吹動，會使構件產生持續(xù)的振動，由于材料在生產制造過程中，不可避免地在結構的某些部位存在著局部微小缺陷，如化學成分的偏析、非金屬雜質;構件表面上的刻痕、凹凸、分層及制造時沖孔、剪邊、毛邊、裂紋而產生的應力集中，開口裂隙等問題，在持續(xù)的振動下，日積月累，最終會導致疲勞破壞，使構件失效。

另外，在連接方面，因在頻繁的風荷載作用下，螺栓松弛會導致預緊力下降，螺栓應力幅增大，根據公式可知，應力幅對疲勞損害的影響呈指數型增大，從而使螺栓壽命大大降低。當僅考慮疲勞作用時，計算所得的壽命是偏高的，這樣可能會因不及時維修或更換螺栓而導致連接破壞，從而引發(fā)事故。因此如果同時考慮疲勞和松弛的共同作用，應力時程分析會更加逼近實際情況，可得到更加安全的結果。研究表明，當松弛導致預緊力下降至55%時，我們應定量評估螺栓壽命同時加大對螺栓的維修養(yǎng)護。這種應用在國內外的項目中，有很多很好的案例，也起到了很好的效果。

這兩棟建筑設計理念來自阿拉伯家庭抵擋住強烈陽光的窗花Mashrabiya，整座建筑看起來像披上了一層鱗片一樣，由三角組合的鱗片，會隨著太陽的移動而調整開合，由于構件的不斷開合，推拉裝置會在往復荷載下進行不斷的張拉和閉合動作，因此在設計過程中，也著重考慮了這種往復運動的影響，根據抗疲勞的要求，ADIC雨傘支撐構件，包括2100根不銹鋼推拉桿在內的所有不銹鋼構件，最終都采用了整體鑄造的方式進行連接，而非焊接的形式，通過這種全鑄的方式，大大的降低了疲勞破壞的機率，保證了構件在設計使用年限內的安全使用。

5. 結論

建筑幕墻的外表材料隨著科技的發(fā)展和建筑師的大膽創(chuàng)意，所采用材質使用的范圍越來越寬泛，玻璃面板及鋁合金板、穿孔板通常被用來做為外立面裝飾構件，其設計的安全性是整個設計過程中至關重要的內容，也是必須考慮的因素。

在常規(guī)的設計過程中，人們重點會關注結構的強度及剛度問題，但是隨著板塊的分格尺寸越來越大，樣式越來越多樣化，幕墻體系自身的基頻如何，能否發(fā)生共振破壞，對于穿孔板材，不同穿孔率，對風阻的響應變化如何，在風荷載的作用下，對于薄弱位置的連接構件，能否因風的頻繁作用而產生疲勞破壞，這些問題在本文中均有所體現和探討。

1. 點式玻璃，自身剛度較低，連接薄弱，在輕微外力作用下容易發(fā)生振動。由于自振頻率越低，越容易發(fā)生共振，導致結構發(fā)生破壞，因此，確定面板自身的振動頻率，是動力分析的關鍵，也是保障安全性的手段。對于點式玻璃，影響自振頻率的主要因素是面板的尺寸，即面板的固定間距，孔間距越大，自振頻率越低，越容易發(fā)生共振現象，導致構件發(fā)生破壞脫落，因此確定構件的自身基頻非常的重要。

2. 穿孔板的穿孔率不同，板面所受到的風阻和自身剛度都發(fā)生了衰減，在相同條件下，不同的穿孔率，面板強度及變形都發(fā)生了變化。由此本文可知，穿孔板不可一味追求美觀效果，也要考慮自身剛度的影響，由于穿孔率越大，孔間距離及板面剛度也隨之減小，風阻也遞減，可知面板的強度及變形由荷載及剛度大的起絕對作用，并無絕對性的變化規(guī)律。

3. 在規(guī)范中，疲勞作用對構件的影響并無明確規(guī)定，但也不可忽略其影響，應對連接件及構件連接部位進行局部的加強、同時增加防脫落措施，以防止持續(xù)的振動對連接板及構件產生破壞導致掉落。

隨著幕墻的發(fā)展，技術的進步，人們對幕墻體系的研究也要越來越深入，不僅要考慮規(guī)范規(guī)定的相關要求，對于其它方面，如：構件的抗疲勞性、穿孔面板的風阻影響變化都要進行深入的探索，這樣才能保障人們的生產生活，促使幕墻行業(yè)健康發(fā)展。