钢结构与幕墙协同工作下的建筑整体性能评估

钢结构与幕墙协同工作下的建筑整体性能评估

孙冬垒徐振华王妥凤

中建四局土木工程有限公司东莞分公司 海南海口570311

摘要：随着现代建筑技术的不断进步和城市化进程的加速，高层建筑作为城市天际线的重要组成部分，其结构安全性和功能性要求日益提高。钢结构因其轻质高强、施工便捷、抗震性能好等优势，在现代高层建筑中得到了广泛应用。而幕墙作为建筑的外围护结构，不仅承担着装饰、隔热、保温、防水等功能，还直接影响到建筑的整体美观性和使用舒适度。因此，探讨钢结构与幕墙协同工作下的建筑整体性能评估具有重要意义。

关键词：钢结构；幕墙协同工作；建筑整体性能评估

引言

在现代建筑中，钢结构和幕墙系统的应用越来越广泛。钢结构以其强度高、自重轻、施工速度快等优点成为许多大型建筑的首选结构形式。幕墙则在建筑外观、采光、隔热等方面发挥着重要作用。当钢结构与幕墙协同工作时，它们相互影响、相互作用，对建筑的整体性能产生复杂的影响。因此，对钢结构与幕墙协同工作下的建筑整体性能进行评估具有重要意义。

1钢结构与幕墙协同工作的方式

1.1连接方式

在点式连接幕墙与钢结构的方式中，幕墙通过特制的连接件（如螺栓球节点、钢爪等）与钢结构的杆件在离散的点上进行连接。这种连接方式简洁、美观，能够使幕墙承受的荷载有效地传递到钢结构上。例如，在一些现代商业建筑中，玻璃幕墙采用点式连接与钢结构框架相连，玻璃的四个角通过钢爪与钢结构的梁或柱连接，使玻璃幕墙能够适应钢结构的变形。线式连接是幕墙与钢结构沿一条线进行连接的方式。例如，幕墙的竖向龙骨通过角钢或槽钢等连接件与钢结构的柱或梁连接。这种连接方式在一些大型工业建筑或对幕墙抗风性能要求较高的建筑中较为常用，它可以提供连续的支撑，增强幕墙的整体稳定性。

1.2荷载传递机制

幕墙自身的重量以及可能承受的雪荷载等垂直荷载通过连接件传递给钢结构。钢结构需要有足够的承载能力来承受这些荷载。例如，在高层建筑中，幕墙的重量随着高度的增加而累积，钢结构的柱和梁需要合理设计以确保垂直荷载的安全传递。风荷载是幕墙和钢结构需要共同承受的主要水平荷载。幕墙受到风荷载后，将荷载通过连接件传递给钢结构。钢结构通过自身的抗侧力体系（如框架结构、框架支撑结构等）来抵抗水平荷载。在协同工作中，幕墙的刚度和钢结构的抗侧刚度相互影响，需要进行合理的设计和协调。

2钢结构与幕墙协同工作对建筑整体性能的影响

2.1结构性能

幕墙与钢结构连接后，会对钢结构的整体刚度产生影响。一方面，幕墙的存在增加了结构的侧向约束，提高了结构的抗侧刚度。例如，在框架结构建筑中，玻璃幕墙通过连接件与框架柱和梁连接，相当于给框架结构增加了侧向支撑，减少了结构在风荷载或地震作用下的侧向位移。另一方面，如果幕墙的刚度设计不合理，会与钢结构产生不协调的变形，影响结构的整体稳定性。

2.2热工性能

幕墙的热工性能对建筑整体的保温隔热效果有重要影响。当幕墙与钢结构协同工作时，钢结构的导热性会影响幕墙周边的温度场。例如，在寒冷地区，如果钢结构没有进行有效的保温处理，热量会通过钢结构快速传导，降低幕墙的保温效果。幕墙自身的保温隔热构造（如中空玻璃的间隔层厚度、保温材料的填充等）也需要与钢结构的热传导特性相匹配，以实现良好的建筑整体保温隔热性能。

2.3采光性能

幕墙是建筑采光的重要途径。当与钢结构协同工作时，钢结构的布局和构件尺寸会影响幕墙的采光面积和采光均匀性。例如，在钢结构框架结构建筑中，如果框架柱和梁的尺寸较大，可能会遮挡部分幕墙，减少采光面积。钢结构的表面反射特性也会影响室内采光效果，如钢结构表面的光泽度会对光线的反射和散射产生影响。

2.4防火性能

钢结构在高温下强度会迅速下降，而幕墙材料的防火性能也各不相同。当钢结构与幕墙协同工作时，如果幕墙在火灾中破裂或燃烧，可能会加速火灾的蔓延。例如，玻璃幕墙在火灾高温下可能会破裂，为火灾提供通风通道，使火势迅速蔓延到相邻区域。钢结构的防火保护措施（如防火涂料、防火板等）需要考虑幕墙的存在，以确保在火灾情况下钢结构和幕墙的协同防火性能。

2.5抗震性能

在地震作用下，钢结构和幕墙需要协同变形。钢结构的抗震性能取决于其结构体系（如框架结构、框架支撑结构等）的抗震能力，而幕墙需要适应钢结构在地震时的变形。例如，在框架支撑结构建筑中，支撑在地震时会发生屈服和变形，幕墙需要通过合理的连接方式和自身的柔性设计来适应这种变形，否则会导致幕墙的破坏，进而影响建筑的整体抗震性能。

3建筑整体性能评估方法

3.1结构性能评估

利用有限元软件对钢结构与幕墙协同工作的结构体系进行建模分析。可以准确地计算结构在不同荷载作用下的应力、应变和位移等参数。例如，在分析超高层建筑时，将钢结构框架和幕墙系统一起建模，考虑风荷载、地震荷载等多种荷载组合，评估结构的整体安全性和稳定性。通过现场测试可以获取钢结构与幕墙协同工作的实际性能数据。例如，使用应变片测量钢结构在幕墙荷载作用下的应变情况，使用全站仪测量结构的位移情况。现场测试数据可以用于验证有限元分析结果，同时也可以发现结构在实际使用中可能存在的问题。

3.2热工性能评估

热流计法是测量建筑围护结构热工性能的常用方法。在钢结构与幕墙协同工作的建筑中，可以在幕墙和钢结构连接部位以及幕墙的不同位置安装热流计，测量热量的传递情况，从而评估热桥效应的影响程度和幕墙的保温隔热性能。

3.3采光性能评估

在建筑室内不同位置测量采光系数，评估幕墙采光性能。考虑钢结构对采光的遮挡影响，通过测量不同季节、不同时间段的采光系数，分析采光均匀性和采光效果。利用采光模拟软件（如Radiance等）对建筑的采光情况进行模拟。将钢结构和幕墙的几何形状、材料光学特性等参数输入软件，模拟室内的采光分布，预测不同采光控制措施下的采光效果，为采光设计和优化提供依据。

3.4防火性能评估

对钢结构和幕墙的防火构造进行耐火试验。按照相关标准，在实验室中模拟火灾环境，测试钢结构的防火保护措施的有效性和幕墙在火灾中的性能，如幕墙玻璃的耐火完整性、钢结构的耐火极限等。

3.5抗震性能评估

采用地震模拟软件对钢结构与幕墙协同工作的建筑进行地震模拟。输入地震波，分析建筑在地震作用下的响应，包括结构的变形、应力分布以及幕墙的破坏情况等，评估建筑的抗震性能。

结束语

钢结构与幕墙协同工作对建筑的整体性能有着多方面的影响。通过对结构性能、热工性能、采光性能、防火性能和抗震性能等方面的分析，可以全面评估这种协同工作下建筑的整体性能。采用合理的评估方法，如有限元分析、现场测试、模拟软件分析等，可以准确地获取建筑的性能数据。

参考文献

[1]蔡天飞,刘宇,史广勇.酒店钢结构与外幕墙连接节点施工技术[J].四川建材,2024,50(08):147-148+151.

[2]段陈秀.建筑幕墙钢结构施工技术的应用研究[J].中国建筑金属结构,2024,23(06):2-4.

[3]黄明辉.钢结构点支撑玻璃幕墙施工技术研究[C]//深圳市建筑门窗幕墙学会,深圳市土木建筑学会门窗幕墙专业委员会,深圳市装饰行业协会.现代建筑门窗幕墙技术与应用——2024科源奖学术论文集.深圳市科源建设集团股份有限公司;,2024:3.

[4]李凌云.超高层建筑幕墙钢结构安装施工技术研究[J].北方建筑,2023,8(06):52-56.

[5]冷冬,刘元清,刘畅,等.建筑幕墙钢结构施工技术的运用[J].大众标准化,2023,(23):150-152.