建筑幕墻設(shè)計(jì)中優(yōu)化問(wèn)題分析

建筑幕墻設(shè)計(jì)中優(yōu)化問(wèn)題分析建筑幕墻設(shè)計(jì)中優(yōu)化問(wèn)題分析建筑幕墻設(shè)計(jì)中優(yōu)化問(wèn)題分析xxx公司建筑幕墻設(shè)計(jì)中優(yōu)化問(wèn)題分析文件編號(hào)：文件日期：修訂次數(shù)：第1.0次更改批準(zhǔn)審核制定方案設(shè)計(jì)，管理制度建筑幕墻設(shè)計(jì)中優(yōu)化問(wèn)題分析摘要：建筑幕墻作為一種具有裝飾效果的輕質(zhì)墻體其設(shè)計(jì)對(duì)于中立面、節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)、以及幕墻支撐結(jié)構(gòu)都有著非常嚴(yán)格的要求，為了使建筑幕墻在確保其質(zhì)量的同時(shí)使生產(chǎn)成本降到最低，就要對(duì)其設(shè)計(jì)方案進(jìn)一步優(yōu)化。因此本文就建筑幕墻設(shè)計(jì)中優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行淺析。關(guān)鍵詞：建筑幕墻；優(yōu)化設(shè)計(jì)；分析一、建筑幕墻的概念建筑幕墻是指由玻璃、石板、鋁板等材料和支撐裝置以及支撐結(jié)構(gòu)共同組成的，并且其自身具有一定適應(yīng)主體結(jié)構(gòu)變形能力、不承擔(dān)主體結(jié)構(gòu)所受荷載的外墻護(hù)圍。作為建筑物的外墻護(hù)圍它也目前是現(xiàn)代大型建筑以及高層住宅常用的一種具有裝飾效果的輕質(zhì)墻體。主要是由結(jié)構(gòu)框架和鑲嵌飾面板材組成，材質(zhì)輕盈并且美觀。建筑幕墻目前普遍采用陶瓷板、高壓層板、金屬板、玻璃等材料制作。由于建筑幕墻是用來(lái)起裝飾效果的輕質(zhì)墻體，因此在設(shè)計(jì)當(dāng)中具有很大的靈活性，除了要求墻體美觀大方以外，還要考慮到成本控制等一些因素，總之就是要做到將幕墻結(jié)構(gòu)與建筑外觀相匹配的同時(shí)并達(dá)到功能的標(biāo)準(zhǔn)化以及施工操作的簡(jiǎn)約化。幕墻施工是幕墻工程的重要環(huán)節(jié)，施工質(zhì)量的優(yōu)劣程度都直接影響著幕墻性能的實(shí)現(xiàn)。由此不難看出在進(jìn)行進(jìn)行建筑幕墻施工之前必須要對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行嚴(yán)格審核，對(duì)于建筑幕墻設(shè)計(jì)中所遇到的一些問(wèn)題進(jìn)行分析論證，最終確保施工的質(zhì)量。因此這也就對(duì)建筑幕墻的優(yōu)化設(shè)計(jì)提出了要求，嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)的執(zhí)行下，最大限度的成本以及提升材料使用效率。二、建筑幕墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)幕墻作為一種建筑結(jié)構(gòu)，如果一味的強(qiáng)調(diào)其安全性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，在材料的選擇上就不可避免的會(huì)進(jìn)入到一個(gè)誤區(qū)，即選用將材料的截面尺寸加大等等保守的措施，就也就意味著加大了幕墻結(jié)構(gòu)的重量，并且以為的使用優(yōu)質(zhì)材料也是必會(huì)增加施工成本在某種程度上也造成了材料的浪費(fèi)，從而導(dǎo)致建筑幕墻施工經(jīng)濟(jì)上的損失和效益的低下。但如果片面地、盲目地為了追求經(jīng)濟(jì)效益和利潤(rùn)，而忽視了對(duì)材料質(zhì)量的要求有些甚至偷工減料，那么就影響了幕墻結(jié)構(gòu)的安全性，一些潛在的不安全因素甚至還會(huì)造成更為嚴(yán)重的質(zhì)量事故。建筑幕墻設(shè)計(jì)就是為了解決施工安全與企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益之間矛盾，在兩者之間選找一個(gè)最佳的結(jié)合點(diǎn)，也就是在確保施工安全可靠的前提下，獲取極大的經(jīng)濟(jì)效益。在設(shè)計(jì)建筑墻幕時(shí)，具體是將實(shí)際的工程問(wèn)題轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型，通過(guò)建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算，得出的結(jié)論就是設(shè)計(jì)的最終目標(biāo)，并且用來(lái)檢測(cè)具體施工的效果。這其中所建立的數(shù)學(xué)模型則主要有目標(biāo)函數(shù)、設(shè)計(jì)變量以及約束條件這三個(gè)基本要素組成。（一）目標(biāo)函數(shù)目標(biāo)函數(shù)就是指在設(shè)計(jì)過(guò)程當(dāng)中所追求的目標(biāo)，它是用來(lái)衡量設(shè)計(jì)方案優(yōu)劣的主要目標(biāo)。進(jìn)行建筑幕墻設(shè)計(jì)可以是進(jìn)一步明確其結(jié)構(gòu)形式、確定幕墻的截面尺寸，并且能夠有效地降低成本、提高生產(chǎn)率等等。根據(jù)目標(biāo)的數(shù)量目標(biāo)函數(shù)可以分為單目標(biāo)函數(shù)和多目標(biāo)函數(shù)。其中單目標(biāo)函數(shù)的求解相對(duì)比較簡(jiǎn)單明確，而多目標(biāo)函數(shù)的求解過(guò)程十分繁瑣復(fù)雜。（二）設(shè)計(jì)變量作為建筑幕墻的一個(gè)設(shè)計(jì)方案，一般可用一組參數(shù)來(lái)表示，在這些參數(shù)中有些是已經(jīng)預(yù)先確定好的，即在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中始終保持不變的的量，即設(shè)計(jì)常量，如材料的彈性模量E、材料的泊松比γ、材料的線膨脹系數(shù)α以及用來(lái)制作幕墻材料的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值等等。而有些參數(shù)在設(shè)計(jì)過(guò)程中并不是一成不變的，只有在某些特定的環(huán)境中可以看成常量，例如風(fēng)荷載，它是與建筑物的高度以及建筑物所處的環(huán)境、建筑物周邊的地面粗糙度、建筑物的體型等有關(guān)的變量，但有的時(shí)候在一些特定的情況下可以作為常量進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。另一類是在優(yōu)化過(guò)程中經(jīng)過(guò)逐步調(diào)整、最后達(dá)到最優(yōu)值的獨(dú)立參數(shù)，叫做設(shè)計(jì)變量，例如在進(jìn)行建筑幕墻的截面尺寸的設(shè)計(jì)中，截面的幾何參數(shù)、物理參數(shù)就是設(shè)計(jì)變量。在進(jìn)行建筑幕墻設(shè)計(jì)的計(jì)算時(shí)，其最終的目的就是為了使各個(gè)設(shè)計(jì)中的變量進(jìn)行相互組合，并且達(dá)到最優(yōu)的配比。值得注意的是在建筑幕墻的設(shè)計(jì)當(dāng)中，如何合理地確定荷載和作用是一項(xiàng)十分重要的工作，由于作用在幕墻上的荷載有重力荷載、風(fēng)荷載以及雪荷載，此外還有使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形的一些內(nèi)力的作用，例如有地震作用、溫度作用等等。如果在設(shè)計(jì)過(guò)程中取值過(guò)大，所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)尺寸會(huì)偏大，造成材料的浪費(fèi)，如果設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)尺寸過(guò)小，則影響了其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性以及安全性。因此在進(jìn)行建筑幕墻設(shè)計(jì)的過(guò)程中要嚴(yán)格控制設(shè)計(jì)變量的個(gè)數(shù)，若有n個(gè)設(shè)計(jì)變量X1，X2，…，Xn的優(yōu)化問(wèn)題，變量按一定次序排列就構(gòu)成一個(gè)數(shù)組。設(shè)計(jì)變量的個(gè)數(shù)越多，其設(shè)計(jì)自由度就越大，容易得到比較理想的設(shè)計(jì)方案，但隨之而來(lái)的是，整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程就會(huì)變得非常繁瑣，如果要進(jìn)行優(yōu)化也就相應(yīng)的比較困難，所以要應(yīng)盡可能的減少設(shè)計(jì)變量的個(gè)數(shù)，例如將一些參數(shù)定為設(shè)計(jì)常量，而只將那些對(duì)目標(biāo)函數(shù)影響較大的設(shè)計(jì)參數(shù)確定為設(shè)計(jì)變量，在保證設(shè)計(jì)方案質(zhì)量的同時(shí)還能夠使優(yōu)化設(shè)計(jì)更加容易的進(jìn)行。（三）約束條件約束條件也被稱之為約束函數(shù)，就是指設(shè)計(jì)變量本身或者設(shè)計(jì)變量之間應(yīng)遵循的限制條件的數(shù)學(xué)表達(dá)式。在建筑幕墻設(shè)計(jì)的過(guò)程中，設(shè)計(jì)變量不斷改變其數(shù)值。但設(shè)計(jì)變量的改變要受到一些條件的限制以及約束，也就是說(shuō)設(shè)計(jì)變量在設(shè)計(jì)中的取值范圍以及上下邊界都必須有一定的限制，它們都是設(shè)計(jì)變量的函數(shù)。為了確保建筑幕墻結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性以及安全性，對(duì)每一個(gè)構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)的同時(shí)必須確保要使構(gòu)件在外力作用下不被破壞，即要確保每一個(gè)構(gòu)件都具有足夠的強(qiáng)度。其次是要考慮構(gòu)件在外力作用下能夠發(fā)生一定的形變，而且一定要保證這種形變?cè)谝欢ǖ姆秶鷥?nèi)，即每一個(gè)構(gòu)件都要有足夠的剛度。最后還要確保構(gòu)件在外力作用下，可能原來(lái)的形狀不能繼續(xù)維持而要突然改變，即原來(lái)的平衡形式不能保持穩(wěn)定。在進(jìn)行建筑幕墻構(gòu)件的設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮以上三方面以及參數(shù)本身、構(gòu)造方面的要求，以數(shù)學(xué)表達(dá)式的方式計(jì)算求解。但是對(duì)一些具體工程的具體構(gòu)件，往往有時(shí)只是從某些主要的方面進(jìn)行考慮，例如有時(shí)可以將材料的強(qiáng)度為主要考慮對(duì)象，或者有時(shí)可能是以材料的剛度為主。如果所設(shè)計(jì)的構(gòu)件能符合強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性的要求，就可以認(rèn)定設(shè)計(jì)方案是安全可行的。一般而言，建筑幕墻在設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮強(qiáng)度、剛度、整體穩(wěn)定以及局部穩(wěn)定。建筑幕墻的軸心受拉構(gòu)件應(yīng)該重點(diǎn)考慮強(qiáng)度和剛度；軸心受壓構(gòu)件應(yīng)考慮強(qiáng)度、整體穩(wěn)定、局部穩(wěn)定和剛度；拉彎構(gòu)件應(yīng)考慮強(qiáng)度和剛度；壓彎構(gòu)件應(yīng)考慮強(qiáng)度、整體穩(wěn)定、局部穩(wěn)定和剛度。三、建筑幕墻設(shè)計(jì)優(yōu)化分析隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，建筑護(hù)圍開(kāi)始越來(lái)越多的采用玻璃、石料以及金屬建造，而且造型新穎獨(dú)特，使建筑整體也更加美觀大方。目前玻璃幕墻是建筑幕之主要外圍保護(hù)結(jié)構(gòu)，因此對(duì)于玻璃幕墻的設(shè)計(jì)的好壞將直接影響著建筑幕墻的質(zhì)量。在進(jìn)行玻璃幕墻優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該緊密圍繞幕墻的安全可靠、實(shí)用美觀以及經(jīng)濟(jì)合理這三大原則。玻璃是幕墻和門窗中使用最多的材料，以往通常采用單層玻璃建造幕墻，隨著國(guó)家制定了公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)以后，大部分玻璃幕墻開(kāi)始采用中空玻璃這種節(jié)能技術(shù)，但隨之而來(lái)的就是如何對(duì)中空玻璃實(shí)行二道密封措施，常見(jiàn)的密封膠有硅酮膠結(jié)構(gòu)密封膠和聚硫膠兩種。根據(jù)我國(guó)玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范中的規(guī)定，對(duì)于玻璃幕墻中空玻璃的二道密封應(yīng)該采用中性硅酮結(jié)構(gòu)密封膠，因?yàn)榫哿蚰z雖然密封性好，但對(duì)于外層玻璃的粘結(jié)度不夠，往往會(huì)造成外片玻璃脫落引發(fā)安全問(wèn)題。雖然玻璃技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步提供給了設(shè)計(jì)者不同種類的材料，但是將采光為主的玻璃放到有多種功能要求的幕墻中，就要做好相互間的配合銜接工作。合理的使用玻璃可以很好地達(dá)到節(jié)能的效果，玻璃的節(jié)能主要體現(xiàn)在玻璃本身對(duì)光線的反射、折射、透射以及聚光等特性上，而且利用玻璃反射的特性還能夠促使室內(nèi)的光線分布更加均勻，避免陽(yáng)光眩光以及防止熱輻射。目前采用較多的是單層反射玻璃和雙層玻璃。單層反射玻璃能夠反射30%的太陽(yáng)輻射熱，而雙層玻璃則表象的更加突出，以下就對(duì)使用單層反射玻璃和雙層反射玻璃的綜合性能進(jìn)行比對(duì)：玻璃類型使用成本引起的空調(diào)負(fù)荷空調(diào)耗能電力容量及費(fèi)用空調(diào)設(shè)備及電力投資單層反射玻璃小大大大大雙層反射玻璃大小小小小有以上圖表分析可知，單層反射玻璃和雙層反射玻璃兩者之間各有利弊，尤其是對(duì)建筑幕墻的投資控制方面有嚴(yán)格要求的，在進(jìn)行選擇時(shí)要仔細(xì)比對(duì)權(quán)衡利弊。關(guān)于建筑幕墻的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)一定要在滿足幕墻系統(tǒng)構(gòu)造、性能、安裝以及維護(hù)等要求的前提下，設(shè)計(jì)一套科學(xué)、合理的節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)。通常情況下采用構(gòu)造簡(jiǎn)單、立柱以及橫截面相似、材料分配合理的系統(tǒng)。一下就結(jié)合具體的工程實(shí)例對(duì)建筑幕墻的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行分析：首先考慮建筑幕墻連續(xù)梁的優(yōu)化問(wèn)題，架設(shè)幕墻的高度L＝3600?，分兩層，立柱桿承受的荷載為1N/?，立柱間采用連續(xù)梁的結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計(jì)圖形如1所示，連續(xù)梁彎矩曲線如圖2所示。由設(shè)計(jì)圖可知在支承點(diǎn)2處的彎矩最大，即為Mmax＝1506825N??，量的支點(diǎn)彎矩要比中部彎矩大%，從力學(xué)角度分析梁的設(shè)計(jì)沒(méi)有達(dá)到優(yōu)化要求。所以需要對(duì)梁采用最大優(yōu)化設(shè)計(jì)，在距離支點(diǎn)2一定距離切斷如圖3所示，此時(shí)梁系處于靜止?fàn)顟B(tài)，當(dāng)a達(dá)到一定數(shù)值后連續(xù)梁彎矩曲線如圖4所示。在梁系、層高以及荷載條件均相同的情況下，采用優(yōu)化設(shè)計(jì)后的支點(diǎn)2的彎矩與梁中部的彎矩完全相同，即Mmax＝1112400N??，而且最大彎矩比連續(xù)梁降低了%。進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的就是為了尋找梁系中存在的最大優(yōu)化點(diǎn)，使支承桿的受力更加均勻。根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，最大優(yōu)化點(diǎn)與支承點(diǎn)之間的距離為：a＝（3－2×）?L如果將斷點(diǎn)3向左右任何方向移動(dòng)，a值小于或者大于計(jì)算值，支承桿的最大為扭矩也就恒大于優(yōu)化點(diǎn)的計(jì)算值。通過(guò)對(duì)連續(xù)梁的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以將幕墻的總建設(shè)成本降低%左右。對(duì)于雙跨梁系的優(yōu)化，最初的設(shè)計(jì)如圖5所示：雙跨梁系的中部最大彎矩計(jì)算公式為：支座彎矩的計(jì)算公式為：由于雙跨梁也存在最大優(yōu)化點(diǎn)，只要領(lǐng)跨中中部最大彎矩與支座彎矩相等時(shí)，將L＝a＋b代入，從而求得只含有a和b的方程，然后計(jì)算出a和b的比例關(guān)系，在L＝a＋b確定的條件下，就可以進(jìn)一步計(jì)算出a和b的值。在實(shí)際工程中，這些理論數(shù)值往往存在一定的偏差，由于幕墻的支承點(diǎn)需要設(shè)置在主體結(jié)構(gòu)上梁，預(yù)埋件也需要一定的邊距，所以也就導(dǎo)致了幕墻支承點(diǎn)位置受主體結(jié)構(gòu)梁位置以及高度的限制，在具體的施工當(dāng)中不能夠完全達(dá)到理論值的要求。因此就需要通過(guò)調(diào)整其它支承點(diǎn)的相對(duì)位置來(lái)達(dá)到最大優(yōu)化的目的。架設(shè)幕墻的高度L＝3400?，分三層，混凝土梁的高度為500?，立柱桿承受的荷載為1N/?。幕墻立柱采用雙跨梁設(shè)計(jì)。每一層的大跨段a＝3020?，小跨段b＝380?。雙跨梁設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖如6所示，彎矩曲線如圖7所示：雙跨梁的設(shè)計(jì)特點(diǎn)是每一層都有兩個(gè)支點(diǎn)，梁的分?jǐn)帱c(diǎn)在上支承點(diǎn)附近。通過(guò)計(jì)算可以得到最大彎矩值Mmax＝873125N??，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后單跨梁的彎矩曲線如圖8所示：經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)后，不僅最大彎矩值比雙跨梁降低了%，而且支座的數(shù)量也降低了%，而且隨著樓層高度的不斷增加，支座數(shù)量降低的幅度也隨之增大，最大能夠降低50%。這樣一來(lái)不僅能夠降低連接件、支座以及預(yù)埋件的用量而且還能夠有效地降低建造成本。通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)可知雙跨梁的受力設(shè)計(jì)并不一定優(yōu)于單跨梁，而且在經(jīng)濟(jì)方面也不存在優(yōu)勢(shì)。雙跨梁設(shè)計(jì)主要用于改善支承桿的撓度，適用于高層以及超高層等建筑立柱桿撓度起主要控制作用的情況。建筑幕墻采用雙跨梁設(shè)計(jì)后，通常會(huì)產(chǎn)生支承桿件的剛度太大而強(qiáng)度不夠的現(xiàn)象，而且由于雙跨梁梁系中彎矩的不均衡性以及每一層都會(huì)增加一個(gè)支點(diǎn)，與單跨梁的設(shè)計(jì)相比建筑成本要增加%左右。四、結(jié)束語(yǔ)建筑幕墻是集建筑、設(shè)計(jì)、裝飾、加工為一體的綜合性技術(shù)，它直接影響著整個(gè)建筑物外觀的美觀程度，因此對(duì)于其設(shè)計(jì)以及施工都有著非常嚴(yán)格的要求。而且這一要求是圍繞建筑幕墻結(jié)構(gòu)的安全可靠，實(shí)用美觀以及經(jīng)濟(jì)的合理性進(jìn)行的。本文則主要針對(duì)建筑幕墻優(yōu)化結(jié)果的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行闡述，并進(jìn)一步驗(yàn)證了優(yōu)化結(jié)果可用于指導(dǎo)生產(chǎn)設(shè)計(jì)。現(xiàn)階段由于我國(guó)城市建設(shè)的快速發(fā)展，促使建筑工程日趨繁榮的同時(shí)也這在一定程度上影響著建筑幕墻的設(shè)計(jì)領(lǐng)域，在面對(duì)著強(qiáng)烈的市場(chǎng)需求下，各個(gè)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的