石材干挂幕墙的优化设计

　　外墙干挂石材幕墙以其独特的自然庄重、色彩绚丽风格与外形而备受推崇，它既有效防止常规饰面石材湿贴法施工引起的石材墙面泛碱、变色、空鼓、脱落等缺陷，又具有缩短施工周期、安装精度高、装饰效果好、减轻建筑物自重、提高抗震性能等优点，特别是具有安装牢固、使用安全的特点，在建筑室外墙面的装饰中得到了广泛应用，受到业主和建筑师的青睐。

　　建筑幕墙行业是随着建筑行业的快速发展而出现的，建筑幕墙是融建筑技术、功能和建筑艺术于一体的建筑外围护结构，是当今建筑物的高级外装修。石材是古老的建筑材料，石材因其高贵典雅、坚实耐用、稳健庄重、返璞归真的天然本色，给人们带来生活的情趣和回归自然的感受，成为室外装饰的首选材料之一。本文简要论述了现代建筑石材幕墙的优化设计，以期对相关从业人员有所帮助。

　　前言

　　现代建筑石材幕墙的优化设计，通常根据建筑图纸来确定石材的精确分格尺寸、颜色、材质、嵌缝材料等，并绘出尺寸详尽的石材立面图及各复杂部位的节点详图，然后依单块石材的重量、尺寸及抗震、抗风压等各项要求，进行相关的力学强度计算、确定石材的干挂方式及龙骨体系。在确定干挂石材的具体形状及加工尺寸时，需精确核实，确保万无一失（尤其在采用较昂贵的进口石材时），以免造成巨大的经济损失。

　　目前，设计单位对幕墙干挂石材通常只提供立面分格形式和少量节点图，施工单位无法依图施工，因此，需要对石材板及相关的干挂体系进行优化设计，而这一般由挂板施工单位负责。由于技术水平参差不齐，许多石材工程甚至没有相应的力学计算和现场试验验证，选择和确定石材及干挂体系均依据日常的施工经验，很有可能因强度不足留下隐患或强度过大而浪费材料。石材幕墙的优化设计需确认石材板块材料、选择的干挂方式和对石材及干挂体系进行力学计算，确定龙骨体系、埋件、连接件等的尺寸规格。并在有条件的情况下，对计算结果进行现场的力学性能试验，以确保石材幕墙的安全性。

　　一、选择石材

　　优化设计时设计单位和建设方应相互配合，根据设计方对幕墙分格形式及材质颜色等建筑效果的要求，向建设方提供各种石材样本，以协助其尽快确定所用石材。应依据所掌握的石材资料，重点考虑拟用石材的表面特征、颜色和纹理等技术性能指标。尽管石材供应商会提供石材的物理性能指标，但作为一种天然材料，石材的物理性质变化很大，应再次予以确认，以便为石材的设计确立相应的设计指标。

　　二、选择干挂方式

　　石材的干挂方式有钢销式、通槽式、短槽式、背栓式等几种形式，较常用的有短槽式和背栓式 2 种。比较而言，短槽式成本较低，但安全性不如背栓式，通常用于石材重量不太大或安全系数要求不太高时；背栓式干挂牢靠稳定，但成本较高，用于较大块石材（ 厚度30mm时石材面积> 1.5m2） 或对石材安全性能要求较高时。

　　三、石材及干挂体系的力学计算

　　应该先确定幕墙所受的荷载及作用形式，再确定石材的干挂方式，进而确定石材板块的计算模型，并进行受力安全性计算，最后根据干挂体系所受荷载值，确定干挂体系的构造形式和所用挂件、连接件、埋件及横竖龙骨的规格尺寸。石材及其干挂体系的设计应符合国家行业标准《金属与石材幕墙工程技术规范》（JGJ133—2001）的要求。

　　3.1 石材

　　石材的计算主要包括挂板板块自身的抗弯计算和挂板与挂件销钉连接处的抗剪计算，有时还应计算石材的热裂应力。计算方式与石材的干挂方式有关（ 本文以背栓式干挂石材固定体系为例说明）。石材板所受荷载包括水平向的风荷载和地震荷载、竖向的地震荷载和石材自重，以及温度变化产生的热裂应力。背栓式干挂石材典型的安装体系是通过上下各2组（共4组） 挂件将石材固定。其中，石材上面2组挂件起支承石材重量及在垂直于石材平面的方向上约束石材的作用，下面的 2组挂件在垂直于石材平面的方向上起约束石材的作用。对石材进行抗弯计算时，应按支撑板上4个点计算其应力，所得最大弯曲应力设计值不应超过石材板的抗弯强度设计值。对背栓挂件在石材板上产生的剪应力进行抗剪计算时，一般根据相应的经验公式进行计算，要求石板所受剪应力标准值不大于板材抗剪强度设计值。应注意的是，竖向剪应力应由上排的2组挂件承担，而非全部4组挂件共同承担。

　　3.2 荷载的确定

　　计算时通常考虑材料的自重、所受风荷载及地震荷载，并根据荷载作用方式对其进行组合。其相应分项系数及组合系数都应严格按规范要求取用，对某些特殊的建筑物，设计说明书中对相应荷载计算取值会有特殊要求，在计算时应对照规范取其最大值。对干挂体系进行计算时，应根据刚体的力的传递特性，确定其所受荷载并进行力学计算。当有些荷载不易确定时，可通过模拟试验来确定其大小。

　　3.3 石材的允许应力

　　根据前述石材物理性能试验，可得到相应的石材强度指标。

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　　通常用于建筑物干挂石材的有花岗岩、大理石和石灰石等，根据各种石材特有的性能特征及施工经验，对上述石材进行力学计算时采用的安全系数应有所不同。美国各种石材的工业协会对相应的石材都给出了推荐使用的安全系数，如对石灰石，美国石灰石行业推荐的设计安全系数值为8。由实验得到的石材弯曲强度及压缩强度除以相应的设计安全系数，即可得到时常的允许应力。

　　3.4 干挂体系的设计

　　在石材幕墙工程中，石材干挂体系的设计一般由施工单位独立完成。由于幕墙具有悬挂体系的特性，干挂体系的设计决定着幕墙的结构安全，有着特殊的重要性，而又因为其属于隐蔽工程，尤其应得到足够的重视。

　　板材中的最大应力可通过简化计算方法或有元程序计算得出。值得强调的是，有些特殊的石材由于其独特的纹理特性而使石材在沿板长及板高方向的强度具有非常明显的差异，须分别对这2个不同的强度方向进行计算。另外，在计算石材于某一点达到某方向的最大应力的同时，必须计算其在垂直方向上的应力。

　　3.5 石材板块自身的抗弯验算

　　对各向异性的石材，石材板块姿势的抗弯验算有以下两种情况：

　　（1） 石材板块中发生最大弯曲应力的点在另一方向上的应力为零，只要此最大应力小于对应方向上的石材允许应力，则石材板块自身的抗弯性能满足要求，反之则不满足。

　　（2） 石材板块中发生最大弯曲应力的点在另一方向上的应力不为零，则验算时也应同时考虑此应力。这时可应用内摩擦理论，设一个方向为 X，另一个垂直的方向为 Y，则石材板块自身的抗弯性能能满足要求，反之则不能满足。

　　3.6 销钉孔处石材的抗剪验算

　　根据销钉孔的深度、石材板块的厚度等计算公式，算出销钉孔处的深度、石材板块的厚度等几何参数，使销钉孔处石材的抗剪能力能基本符合规范要求。以满足石材抗剪应有的强度。

　　四、现场受力性能试验

　　干挂石材理论计算的模型毕竟与现场实际受力情况有所不同，公司在承接一些石材干挂幕墙工程时，为验证理论计算结果的准确性，在施工现场按拟采用的干挂石材的固定体系固定石材，然后对其逐步施加设计规定的荷载并观察记录其整体受力性能。最后按试验对力学计算结果进行分析和研究，以确保干挂石材在实际使用过程中具有一定的安全度。

　　五、施工图设计

　　干挂石材施工图设计的依据为： 建筑平面图、立面图、节点大样图、其他专业需与干挂石材配合的有关图纸及其他要求、干挂石材的计算书。施工图设计必须做到既满足建筑师的要求，又要与现场的实际情况相吻合，施工图设计主要包括石材的安装立面图设计、石材节点大样图设计、石材的加工详图设计等。

　　5.1 安装立面图

　　根据建筑立面图的板块分格要求，在各立面上将不同形状或不同尺寸的石材分别独立编号，编号应确保唯一并方便实用，所设计的石材安装立面图应清晰表达出各立面上所有不同种类的石材板块。若工程的体形较复杂，为方便查找干挂石材立面图纸，还应设计干挂石材安装立面图的位置索引图，以清晰地表示出与建筑物每个区域墙面对应的挂板立面编号图编号。

　　5.2 石材节点大样图

　　对建筑物的拐角、窗口、屋檐及其它复杂部位石材的形状、尺寸及连接方式，应单独设计干挂石材节点大样图，以表明这些部位石材的实际情况。

　　5.3 石材加工详图

　　石材安装立面图及节点大样图经建筑师批准后，即可按石材安装立面图上的石材尺寸分格及节点大样图的细节进行加工详图设计，该详图即通常所说的石材加工单。在确定干挂石材的具体形状及加工尺寸时，须反复核实以确保万无一失。

　　六、结束语

　　综上所述，通过对石材干挂优化设计全过程的介绍，表明现代建筑幕墙优化设计的重要性。而玻璃幕墙的优化设计，在某种程度上可用幕墙的抗风压性能、空气渗透性能、雨水渗漏性能及平面变形性能的检测报告来相应佐证。