本發(fā)明涉及建筑外圍護結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法，特別是提供一種高層、超高層建筑幕墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計方法。

背景技術(shù)：

近年來，隨著建筑市場的快速發(fā)展，建筑高度在24m以上的公共建筑和十層以上的居住建筑這樣的高層建筑以及建筑高度超過100m的超高層建筑越來越多。建筑幕墻作為一種高級建筑外墻，備受建筑師和開發(fā)商青睞。幕墻的設(shè)計主要是指構(gòu)成幕墻的關(guān)鍵部件幕墻龍骨的設(shè)計，幕墻龍骨包括立柱和橫梁。

由于幕墻龍骨的受力形式一般為簡支梁或雙跨梁形式，受力比較明確，理論計算結(jié)果一般與實際情況比較接近，因此，不必因一些未知的或不易考慮到的不利因素而留過多的安全余量，可以很大程度的依據(jù)理論結(jié)果來對幕墻立柱或橫梁的截面做設(shè)計。所以，如何對整個幕墻系統(tǒng)做合理的結(jié)構(gòu)分析和規(guī)劃將決定立柱或橫梁的型材的使用率。

對于同種幕墻系統(tǒng)或同種幕墻結(jié)構(gòu)形式，常規(guī)幕墻龍骨方案的設(shè)計方法是根據(jù)結(jié)構(gòu)受力最差的區(qū)域來確定整個系統(tǒng)的龍骨截面。如圖1所示為現(xiàn)有幕墻的設(shè)計流程，以幕墻立柱的截面設(shè)計為例：常規(guī)幕墻立柱截面設(shè)計流程一般是，首先由建筑師設(shè)計建筑外形，確定幕墻的層高、分格及內(nèi)飾面龍骨輪廓的尺寸范圍等，再由相關(guān)單位對設(shè)計師設(shè)計的建筑進行風(fēng)洞試驗，然后由幕墻設(shè)計者初步計算出滿足要求的立柱截面，取整個建筑中受力最大即最不利的位置對立柱截面進行校核，之后交由鋁型材廠家確認所設(shè)計的立柱的截面形狀是否能夠生產(chǎn)，如果不合適則會對立柱截面做微調(diào)，之后反饋給幕墻設(shè)計者進行校核，確認立柱截面可滿足要求后由鋁型材廠家加工制作。

這種設(shè)計方法的缺點有：

①、以一概全：一棟建筑各個位置的荷載大小不一，建筑的層高又可能有多種，特別是當建筑高度較大時，荷載的離散性也會較大，如果仍采用常規(guī)的以建筑上受力最大位置進行立柱截面設(shè)計的做法，材料整體利用率會很低，造成材料的極大浪費。

②、截面設(shè)計效率較低：現(xiàn)有的設(shè)計方法中，一般是先設(shè)計出龍骨截面，然后進行計算校核，當不合適時進行調(diào)整，之后再計算校核...這樣設(shè)計在先、計算在后的方法需要反復(fù)調(diào)整計算，設(shè)計截面時效率較低。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是改進現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，提供一種高層、超高層建筑幕墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計方法。該優(yōu)化設(shè)計方法可以較大的提高材料整體利用率，降低材料用量，同時也可以提高立柱截面的設(shè)計效率，使截面設(shè)計更精準、更高效。

和主體結(jié)構(gòu)中的鋼材、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)不同。幕墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的最底線，是材料加工生產(chǎn)的極限能力。因此，幕墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化的設(shè)計方法也和主體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計方法不同，但是依據(jù)的是相同的原理。國際上比較先進的主體結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法是基于概率極限狀態(tài)的設(shè)計法。它包括承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)。本文將提及的發(fā)明中，幕墻的結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計是基于材料極限加工能力的，并結(jié)合承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)，進行區(qū)域劃分和極限布置，同時考慮一柱極限多用的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計法。

本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：

一種高層、超高層建筑幕墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計方法，其包括如下設(shè)計步驟：

步驟一：根據(jù)建筑師提供的建筑外形已知幕墻的層高、分格及內(nèi)飾面的尺寸以及幕墻龍骨外輪廓，設(shè)計出初步龍骨截面；

步驟二：將設(shè)計出的初步龍骨截面發(fā)給型材生產(chǎn)廠家，由型材生產(chǎn)廠家根據(jù)初步龍骨截面給出能做的最小截面，該最小截面是型材生產(chǎn)廠家根據(jù)其對材料的極限加工能力得出的；

步驟三：根據(jù)實驗單位做的試驗結(jié)果和荷載規(guī)范計算結(jié)果得出建筑各個位置的荷載，繪制出建筑荷載分布區(qū)域圖，之后結(jié)合龍骨結(jié)構(gòu)自身特征對建筑進行區(qū)域劃分；

步驟四：計算出步驟二中由型材生產(chǎn)廠家給出的該最小截面在滿足規(guī)范要求即對承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)要求的前提下，在不同龍骨結(jié)構(gòu)自身特征下所能承受的最大荷載，之后在已經(jīng)做好的建筑荷載分布區(qū)域圖中圈出該最小截面能使用的區(qū)域范圍，該最小截面即為幕墻龍骨的最小截面；

步驟五：對剩余的區(qū)域中龍骨截面的設(shè)計：

使用如下方法中的至少一種：

A.找出所述剩余區(qū)域中的荷載和龍骨結(jié)構(gòu)自身特征，然后，在能滿足規(guī)范要求前提下計算出所述剩余區(qū)域所需最小的龍骨截面參數(shù)，之后分別設(shè)計出與之相應(yīng)的龍骨截面。

B.對于設(shè)定的截面通過加強措施使之適用于所述剩余區(qū)域。

C.使用步驟四中的龍骨最小截面。

其中：

所述步驟二中，材料加工極限能力：指的是幕墻結(jié)構(gòu)中的龍骨即包括橫梁、立柱的材料，用鋁合金加工的加工極限能力。鋁合金立柱或橫梁的加工方式為擠壓成形，材料加工極限能力包括如下幾個方面：

(1)寬厚比：如果立柱、橫梁的截面寬度較大而壁厚太薄即寬厚比太大，會出現(xiàn)型材擠出困難，擠出時變形；

(2)厚度差：所述截面中相鄰板件的厚度差比較大時，由于出料速度及冷卻過程不均勻，擠出的型材上可能出現(xiàn)條紋、變形，做表面處理后出現(xiàn)色差；

(3)模具安全：擠出模具一般是邊緣薄中間厚的形狀，所述截面設(shè)計不合理，模具就會受到比較大的壓力，此時模具的邊緣可能被破壞，即出現(xiàn)爆模、模具出裂紋等一系列問題；

因此并非在結(jié)構(gòu)利用率不高的情況下，鋁型材斷面可以不斷優(yōu)化。而是還要依據(jù)型材生產(chǎn)廠家給出的材料極限加工能力作為優(yōu)化設(shè)計在該階段的一個休止點。

具體地，型材生產(chǎn)廠家確定最小截面中一般會具體做包括如下工作：

1.如果初步龍骨截面寬厚比太大無法滿足加工要求，要將該壁厚增厚；

2.如果初步龍骨截面中相鄰板件的壁厚的厚度差比較大，要將厚度差減小，例如將較薄的壁厚加厚，或?qū)⑤^厚的壁厚減薄，或開較大轉(zhuǎn)角R等。

關(guān)于步驟2，不同型材生產(chǎn)廠家，型材加工的能力不同，能加工出這個設(shè)計截面的最小壁厚也不同。在本優(yōu)化設(shè)計方法中，將設(shè)計出的初步龍骨截面先交給型材生產(chǎn)廠家，由型材生產(chǎn)廠家給出該初步龍骨截面能做出的最薄壁厚。

所述龍骨結(jié)構(gòu)自身特征指跨度

要提高幕墻龍骨的整體利用率，就有必要根據(jù)幕墻的荷載和層高的分布情況對整片幕墻做區(qū)域劃分，之后對不同的區(qū)域設(shè)計出與之對應(yīng)的龍骨截面。

關(guān)于步驟三，即對于建筑進行區(qū)域劃分中，需要指出的是，對于體量較大的項目，如果區(qū)域劃分太細，雖然可以進一步提高材料整體利用率，但會增加開模量，提高開模成本，增加后期加工備料等過程的復(fù)雜性，安裝時難區(qū)分等。需由設(shè)計者綜合考慮，在區(qū)域劃分不多的情況下材料整體利用率又得到較大提高，既實現(xiàn)龍骨截面數(shù)量最少化材料利用率最大化。常規(guī)項目一般劃分4個以內(nèi)區(qū)域、增加一款新斷面即可實現(xiàn)材料利用率的較大優(yōu)化。

因此，在區(qū)域劃分時可以將建筑中的各個單元的跨度范圍最少分成大跨度和小跨度兩組，將建筑各處的荷載最少分成大荷載和小荷載兩組，然后，例如組合成四個區(qū)域：

1.大跨度大荷載；

2.大跨度小荷載；

3.小跨度小荷載；

4.小跨度大荷載。

另外，在設(shè)計龍骨截面時，還可以將幾個劃分的區(qū)域進行合并，例如將大荷載小跨度區(qū)域和小荷載大跨度區(qū)域合并，設(shè)計龍骨為同樣的截面。

例如對于幕墻立柱，荷載為風(fēng)壓，在所述步驟三中，即根據(jù)幕墻龍骨荷載及跨度初步對建筑進行區(qū)域劃分中，可以是根據(jù)單元的跨度和各個位置的風(fēng)壓做區(qū)域劃分，對于立柱截面設(shè)計，分為四個區(qū)域，該四個區(qū)域可初步劃分為小跨度小風(fēng)壓、小跨度大風(fēng)壓、大跨度小風(fēng)壓和大跨度大風(fēng)壓等幾個區(qū)域，將條件不同的區(qū)域區(qū)分開來。

之后在步驟四中，需由設(shè)計者校核型材生產(chǎn)廠家給出的該最薄可加工截面即最小截面是否滿足規(guī)范的規(guī)定，若不滿足，設(shè)計者進行加厚反饋給廠家，再由廠家判斷加工可行性，直至型材生產(chǎn)廠家和校核兩項均滿足。

在步驟五中也是如此，在找出所述剩余區(qū)域中的荷載和龍骨結(jié)構(gòu)自身特征，然后，在能滿足規(guī)范要求前提下計算出所述剩余區(qū)域所需最小的龍骨截面參數(shù)，之后分別設(shè)計出與之相應(yīng)的龍骨截面之后，發(fā)給型材生產(chǎn)廠家，由其確定是否能開模，如果不能滿足型材生產(chǎn)廠家的極限加工能力，則對截面進行微調(diào)；然后重新驗算龍骨截面是否滿足規(guī)范對承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)的要求，最終確定相應(yīng)剩余分區(qū)截面。

在所述步驟三和步驟四中，所述的荷載，代表的是主導(dǎo)荷載，所述主導(dǎo)荷載通常指依據(jù)荷載規(guī)范將若干可能同時出現(xiàn)的荷載進行合理組合得到的一個組合荷載。

所述主導(dǎo)荷載是指對龍骨能否滿足使用要求起主導(dǎo)作用的一個組合荷載。

該組合荷載可以是多個荷載的組合，也可以是單一荷載。

例如，對于立柱，主導(dǎo)荷載就是風(fēng)荷載；對于立面幕墻的橫梁，主導(dǎo)荷載可能會是重力荷載；對于水平采光頂?shù)凝埞牵鲗?dǎo)荷載又會是風(fēng)、雪、自重進行組合得到的一個組合荷載。

所述主導(dǎo)載荷由設(shè)計者自行確定。

本設(shè)計方法可以適合幕墻中的立柱和橫梁，也適用于其他桿件的優(yōu)化設(shè)計。

在所述步驟4中，所述承載能力極限狀態(tài)：指的是鋁合金型材達到材料最大設(shè)計強度，包括抗彎強度、抗拉強度、抗壓強度、抗剪強度、局部承壓強度、以及靠螺紋連接的型材的螺紋抗拉強度、以及有裝飾條的型材的扭矩抵抗能力的抗剪強度、槽口的強度。任何一個承載能力達到極限狀態(tài)，都作為優(yōu)化設(shè)計在該階段的一個休止點。

所述正常使用極限狀態(tài)：指的是鋁合金型材達到不適于繼續(xù)承載的變形。包括影響室內(nèi)使用效果的變形，影響幕墻水密性能的變形、影響幕墻氣密性能的變形、由于自身抗扭轉(zhuǎn)剛度不足產(chǎn)生的外連接裝飾條的變形、影響幕墻各種材料之間彈性縫隙的變形等。任何一個變形狀態(tài)達到極限，都是正常使用極限狀態(tài)，都作為優(yōu)化設(shè)計在該階段的休止點。

步驟四中選出能夠適應(yīng)型材生產(chǎn)廠家給出的龍骨最小截面的使用區(qū)域，一般情況下是所劃分區(qū)域中荷載較小的區(qū)域。但是，也不排除，型材生產(chǎn)廠家給出的龍骨最小截面在建筑荷載分布區(qū)域圖中適應(yīng)的劃分區(qū)域不是荷載最小的區(qū)域，那么，荷載更小的區(qū)域也可能成為剩余的劃分區(qū)域，這樣，在步驟五中，設(shè)計出的剩余分區(qū)截面可能比最小截面還要小。

這種情況下，為了簡化其間，有時候這樣的剩余分區(qū)也就使用所述最小截面的龍骨了。

所述結(jié)構(gòu)自身特征通常指跨度。

在步驟四和步驟五中，計算龍骨截面中校核能滿足規(guī)范要求前提下各區(qū)域所需的最小截面的參數(shù)一般會是截面抵抗矩和慣性矩。

例如，如果是設(shè)計立柱，荷載和跨度兩項影響的主要是立柱截面所需的抵抗矩和慣性矩。

所述剩余區(qū)域可以是指在步驟四的選擇后剩余的區(qū)域，也可以是在所述步驟四選擇后剩余的區(qū)域進行合并后的區(qū)域。

步驟五中，設(shè)計龍骨截面的具體方法有：

在所述步驟五，將幕墻龍骨劃分成若干區(qū)域后，每個區(qū)域載荷的離散型會小一些，針對每個區(qū)域進行龍骨截面的設(shè)計，材料浪費情況會減少，但是，龍骨截面規(guī)格也會增加，因此需要設(shè)計者同時考慮如何避免龍骨過多開模問題。因此，在步驟五中乃至步驟四中，都可以使用合并區(qū)域的方法來避免劃分區(qū)域過多出現(xiàn)的問題。

進一步地，在對于剩余劃分區(qū)域設(shè)計截面中，可以對于所述最小截面進行如下加強措施：

1.局部壁厚加厚。較佳的是將龍骨受力最大的例如前后側(cè)的側(cè)壁加厚。

2.改開口截面為閉口截面。

而在龍骨截面設(shè)計時，設(shè)計者應(yīng)該考慮如何使設(shè)計出來的截面在更為不利的位置使用時，可以比較方便的做加強(一般做法是增加插芯)而不必另開模具，做到一柱多用。

因此，加強措施還可以是在不改截面基礎(chǔ)上的加強，例如，可以采用一柱多用的方法，具體為：

一柱多用設(shè)計方法：指的是在設(shè)定的鋁合金型材基礎(chǔ)上，通過設(shè)置加強件措施來提高其承載能力，使之適用于更為不利的所述剩余的劃分區(qū)域。

所述設(shè)定的鋁合金型材，可以是現(xiàn)有的鋁合金型材，或是所述最小截面的鋁合金型材，或是在剩余區(qū)域中計算的一種截面尺寸的鋁合金型材。

實現(xiàn)一種鋁合金型材在多個區(qū)域的應(yīng)用，避免每個區(qū)域都對應(yīng)使用一種新截面的型材，減少了開模量，即減少型材斷面種類的數(shù)量。

在一柱多用方法中，所述加強件措施是在所述型材中插設(shè)插芯。

一柱多用設(shè)計法要求設(shè)計者在對龍骨截面設(shè)計時事先考慮一柱多用所需的一些加強件固定構(gòu)造的設(shè)計。

所述加強件固定構(gòu)造可以是在龍骨中設(shè)計預(yù)留的閉合腔，以供在其中插入鋼插芯；和/或

所述加強件固定構(gòu)造可以是供插芯所用的卡固結(jié)構(gòu)，以供插芯附著。

當在現(xiàn)有型材基礎(chǔ)上通過加強仍無法滿足剩余的一些受力差的區(qū)域時，需要根據(jù)力學(xué)分析確定一款材料增加量最小同時又滿足使用要求的截面，這個時候也采用一柱多用的方法，既在新截面滿足了下一個受力差的區(qū)域外，能通過對新截面做進一步加強使之用于受力最差的區(qū)域，將整個幕墻全覆蓋。即在所述最小截面或?qū)τ谑Ｓ鄥^(qū)域設(shè)計的一種截面基礎(chǔ)上，對該截面進行調(diào)整。

步驟五中所述加強設(shè)計可以是在新截面基礎(chǔ)上加強，也可以是對初始最小截面進行加插芯加強。

截面調(diào)整與使用加強件的方法可以同時應(yīng)用，也可以單獨使用，設(shè)計中先后使用過順序也可以隨意調(diào)整。

對于A、B兩種具體方法以及截面調(diào)整的方法，還需要將設(shè)計出的剩余分區(qū)截面發(fā)給型材生產(chǎn)廠家，由其確定是否能開模，或?qū)τ诮孛孢M行微調(diào)；然后重新驗算龍骨截面是否滿足規(guī)范對承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)的要求，最終確定相應(yīng)剩余分區(qū)截面。

本發(fā)明提供的高層、超高層建筑幕墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計方法，一改現(xiàn)有技術(shù)中的以龍骨承受的最大荷載進行截面設(shè)計的方法，避免了“以一概全”的問題，對于建筑進行合理的區(qū)域劃分，各個區(qū)域有各自的龍骨截面；又為了減少開模具的數(shù)量，又提出對各區(qū)域龍骨截面的加強設(shè)計的步驟，實現(xiàn)了“一柱多用”，在節(jié)約材料、簡化工藝和確保結(jié)構(gòu)安全等方面找到平衡點，同時也提高了立柱截面的設(shè)計效率。因此，本優(yōu)化設(shè)計方法適合高層、超高層等有必要進行區(qū)域劃分的建筑幕墻設(shè)計，可以在保證結(jié)構(gòu)安全、工藝簡單的前提下，較大的提高材料利用率。

附圖說明

圖1為現(xiàn)有技術(shù)中幕墻立柱的設(shè)計流程圖。

圖2為使用本發(fā)明提供的高層、超高層建筑幕墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計方法設(shè)計幕墻立柱的設(shè)計流程圖。

圖3為使用本發(fā)明提供的高層、超高層建筑幕墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計方法設(shè)計幕墻立柱的建筑的平面圖。

圖4為圖3所示建筑的立面圖，其上兩側(cè)的數(shù)字為樓層號和標高，因為樓層較高，樓層號和標高數(shù)字不十分清晰，只是為了示意性顯示建筑立面。

圖5為圖3所示的建筑進行風(fēng)洞試驗的風(fēng)荷載分布圖。

圖6為圖3所示建筑幕墻區(qū)域初步劃分圖。

圖7a至圖7g為用作如圖3所示建筑幕墻的幾種標準立柱的斷面結(jié)構(gòu)示意圖，其中：

圖7a為中立柱1的斷面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7b為中立柱2的斷面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7c為中立柱3的斷面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7d為公立柱1的斷面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7e為公立柱3的斷面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7f為公立柱2的斷面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7g為母立柱1的斷面結(jié)構(gòu)示意圖。

圖8a至圖8g為用作如圖3所示建筑幕墻的幾種加強立柱的斷面結(jié)構(gòu)示意圖，其中：

圖8a為加強中立柱4的斷面結(jié)構(gòu)示意圖，是在中立柱1基礎(chǔ)上做截面調(diào)整；

圖8b為加強中立柱5的斷面結(jié)構(gòu)示意圖，是在中立柱2基礎(chǔ)上做截面調(diào)整；

圖8c為加強中立柱6的斷面結(jié)構(gòu)示意圖，是在中立柱3基礎(chǔ)上做截面調(diào)整；

圖8d為加強公立柱4的斷面結(jié)構(gòu)示意圖，是在公立柱1基礎(chǔ)上做截面調(diào)整；

圖8e為加強公立柱5的斷面結(jié)構(gòu)示意圖，是在公立柱2基礎(chǔ)上做截面調(diào)整；

圖8f為加強公立柱6的斷面結(jié)構(gòu)示意圖，是在公立柱3基礎(chǔ)上做截面調(diào)整；

圖8g為加強母立柱2的斷面結(jié)構(gòu)示意圖，是在母立柱1基礎(chǔ)上做截面調(diào)整。

圖9為公母立柱二次加強后的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖10為中立柱二次加強后的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖11為采用本優(yōu)化設(shè)計方法對于幕墻立柱截面進行設(shè)計的流程示意圖。

具體實施方式

如圖2所示，本發(fā)明使用本發(fā)明提供的高層、超高層建筑幕墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計方法設(shè)計幕墻立柱的設(shè)計流程是：

建筑師設(shè)計出建筑外形，如圖3和圖4所示，由此就已知幕墻的層高、分格及內(nèi)飾面的尺寸以及幕墻龍骨外輪廓A1。

步驟一：如圖11所示，幕墻設(shè)計者根據(jù)建筑師設(shè)計的立柱外輪廓按照立柱的設(shè)計規(guī)范設(shè)計出符合外觀效果的立柱截面A2。

步驟二：將設(shè)計出的初步龍骨截面(參見圖11)發(fā)給型材生產(chǎn)廠家，由型材生產(chǎn)廠家根據(jù)初步龍骨截面給出能做的最小截面，該最小截面是型材生產(chǎn)廠家根據(jù)其對材料的極限加工能力得出的。

步驟三：根據(jù)實驗單位進行的試驗和荷載規(guī)范計算出建筑各個位置的荷載(如圖5所示)，得出建筑各處荷載分布情況，繪制出建筑荷載分布區(qū)域圖，之后結(jié)合龍骨跨度對建筑進行區(qū)域劃分。

由實驗單位對該建筑進行風(fēng)洞試驗，根據(jù)實驗單位進行的試驗和荷載規(guī)范計算出建筑各個位置的荷載，得出建筑各處荷載分布情況，繪制出建筑荷載分布區(qū)域圖，如圖6所示。

如圖3、圖4、圖5所示，由風(fēng)洞實驗得到的風(fēng)荷載離散性很大，如果不對幕墻做區(qū)域劃分而只按最不利位置設(shè)計立柱截面會造成很大的材料浪費。從風(fēng)洞實驗結(jié)果看，風(fēng)壓大部分在3kPa以下，3kPa-4kPa分布在建筑角部，風(fēng)壓超過4kPa的區(qū)域集中在建筑弧形轉(zhuǎn)角的突出部位。立柱跨度則有4.2m、4.8m和5.6m三種。區(qū)域劃分時，可以初步按普通風(fēng)壓標準層高、普通風(fēng)壓大層高、大風(fēng)壓標準層高和大風(fēng)壓大層高對幕墻做區(qū)域劃分。其中普通風(fēng)壓標準層高的區(qū)域會覆蓋整個建筑中幕墻的一多半，這部分可使用較小的立柱截面。對于普通風(fēng)壓大層高和大風(fēng)壓標準層高一般可以共用一種加強的立柱截面。最后對局部受力特別差的做特殊加強。這樣就充分利用了材料，也保證了項目中局部受荷大的薄弱區(qū)域的安全性。

具體劃分如下：

根據(jù)風(fēng)洞實驗、荷載規(guī)范計算結(jié)果和立柱跨度，初步將幕墻劃分為幾個區(qū)域，如圖6所示。

A：5.6m大層高2.52kPa以下風(fēng)壓區(qū)；(大跨度小風(fēng)壓區(qū)域)

B：4.2m標準層高3kPa以下風(fēng)壓區(qū)；(小跨度小風(fēng)壓區(qū)域)

C：4.2m標準層3.7kPa-4.79kPa風(fēng)壓區(qū)；(小跨度大風(fēng)壓區(qū)域)

D：4.8m層高3kPa以下風(fēng)壓區(qū)；(小跨度小風(fēng)壓區(qū)域)

E：5.6m大層高5.11kPa(最大)風(fēng)壓區(qū)；(大跨度大風(fēng)壓區(qū)域)

F：4.8m層高3.7kPa風(fēng)壓區(qū)；(小跨度中等風(fēng)壓區(qū)域)

G：4.2m層高3kPa-3.7kPa區(qū)；(小跨度小風(fēng)壓區(qū)域)

H：4.3m層高3kPa以下區(qū)。(小跨度小風(fēng)壓區(qū)域)

步驟四：計算出步驟二中由型材生產(chǎn)廠家給出的該最小截面在滿足規(guī)范要求即對承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)要求的前提下，所能承受的最大荷載，之后在已經(jīng)做好的建筑荷載分布區(qū)域圖中圈出該最小截面能使用的范圍，該最小截面即為幕墻龍骨的最小截面。

設(shè)計最小截面：如圖7a至圖7g所示，由立柱的外輪廓、規(guī)范對立柱最小壁厚的規(guī)定及廠家的加工能力設(shè)計出最小立柱截面。由于幕墻上開啟扇的影響，使得中立柱和公立柱分別多開兩個模具，共有中立柱1、中立柱2和中立柱3三種中立柱模具，還有公立柱1、公立柱2和公立柱3三種公立柱模具，以及母立柱1的模具。

根據(jù)上述幾種立柱截面反推出立柱承載力，如表1所示。

根據(jù)立柱承載力劃分出標準立柱能滿足的區(qū)域，這樣如圖6中的B區(qū)、D區(qū)、G區(qū)、H區(qū)就合而為一，統(tǒng)一使用如圖7a至圖7g所示的標準料即標準立柱。

步驟五：對剩余的劃分區(qū)域：

分別計算出能滿足所述規(guī)范要求前提下各區(qū)域所需的最小截面參數(shù)，并合并相近的，對于步驟二得到的最小截面進行加強設(shè)計，在本實施例中，如圖8所示，在如圖7所示的標準立柱基礎(chǔ)上，對其前后側(cè)壁的厚度進行了增厚的調(diào)整，使之能夠通過這樣的措施達到在剩余的相應(yīng)分區(qū)能夠承受相應(yīng)的荷載，見表2。

表1 標準立柱承載力

表2：加強立柱承載力

這樣A、C、F區(qū)就合而為一，統(tǒng)一采用截面調(diào)整加強的中立柱，如圖8a至圖8c所示，公母立柱不加強。如果需要對于公母立柱做加強，可以如圖8d至圖8g所示加強公母立柱。

對局部大跨度大風(fēng)壓位置的立柱，需要做特殊加強：用如圖8a至圖8g所示截面調(diào)整加強后的公母立柱和中立柱做二次加強---增加鋼插芯。這樣就避免了重新開模，減小開模費用。如圖9所示，在圖8d所示的公立柱4中通過設(shè)計的卡固結(jié)構(gòu)41插設(shè)固定鋼插芯B1。如圖10所示，在圖8c所示的中立柱6的封閉腔中插設(shè)鋼插芯B2。

在上述實施例中，E區(qū)為特殊加強區(qū)，其中用如圖9和圖10所示的經(jīng)過截面調(diào)整和加設(shè)鋼插芯，在標準立柱基礎(chǔ)上二次強化的加強立柱即可適用。

由此可知，如圖3所示的建筑，經(jīng)過使用本設(shè)計方法，設(shè)計結(jié)果如下：

A：5.6m大層高2.52kPa以下風(fēng)壓區(qū)；(大跨度小風(fēng)壓區(qū)域)使用截面調(diào)整立柱。

B：4.2m標準層高3kPa以下風(fēng)壓區(qū)；(小跨度小風(fēng)壓區(qū)域)使用標準立柱。

C：4.2m標準層3.7kPa-4.79kPa風(fēng)壓區(qū)；(小跨度大風(fēng)壓區(qū)域)使用截面調(diào)整立柱。

D：4.8m層高3kPa以下風(fēng)壓區(qū)；(小跨度小風(fēng)壓區(qū)域)使用標準立柱。

E：5.6m大層高5.11kPa(最大)風(fēng)壓區(qū)；(大跨度大風(fēng)壓區(qū)域)使用截面調(diào)整后插鋼芯的立柱。

F：4.8m層高3.7kPa風(fēng)壓區(qū)；(小跨度中等風(fēng)壓區(qū)域)使用截面調(diào)整立柱。

G：4.2m層高3kPa-3.7kPa區(qū)；(小跨度小風(fēng)壓區(qū)域)使用標準立柱。

H：4.3m層高3kPa以下區(qū)。(小跨度小風(fēng)壓區(qū)域)使用標準立柱。

通過對建筑進行分區(qū)，提高總體立柱的利用率。本發(fā)明提供的優(yōu)化設(shè)計方法，對于沒有開啟扇的幕墻，使用兩套模具即可完成對整個幕墻的立柱優(yōu)化布置。

圖11示出了另一種設(shè)計方法。幕墻設(shè)計者設(shè)計出立柱截面A1，再經(jīng)過型材生產(chǎn)廠家，得到了最小截面A2，在區(qū)域劃分圖中選定了A2的適合使用區(qū)域。對于無法滿足受力要求的區(qū)域時，就要采取加強措施，例如增加前后壁厚構(gòu)成截面A3。對于仍然無法滿足受力要求的區(qū)域，可以再次改變截面結(jié)構(gòu)，例如將開口截面改為閉口截面A4。

在本發(fā)明提供的優(yōu)化設(shè)計方法中，對于建筑荷載進行區(qū)域劃分，對于不同的區(qū)域荷載使用不同截面的龍骨，可提高材料利用率。

除此之外，還有一個明顯的特點，就是在根據(jù)建筑師的的設(shè)計得出的初步龍骨截面后，不是先根據(jù)荷載和龍骨結(jié)構(gòu)自身特征進行截面設(shè)計，而是將初步龍骨截面發(fā)給型材生產(chǎn)廠家，由廠家給出最小截面，找到最小截面適合使用的區(qū)域。這比起現(xiàn)有技術(shù)的設(shè)計的現(xiàn)設(shè)計截面，然后交給廠家，廠家修改后在核對的流程，明顯簡單得多。雖然在對剩余區(qū)域進行龍骨截面設(shè)計中會產(chǎn)生新的截面，還需要交給廠家，廠家修改后還有校核，但畢竟是少量的龍骨，而且在對于剩余區(qū)域的龍骨設(shè)計中，可以采用一柱多用的方法，這樣就根本避免了設(shè)計、廠家、再校核的循環(huán)。再有，即使是在剩余區(qū)域龍骨設(shè)計中出現(xiàn)新的截面，一般情況下對于例如龍骨受力最大的位置增加壁厚，通常得到的截面一般都會是廠家能夠加工的，廠家修改的可能性較小。因此，本發(fā)明可以減少或基本避免設(shè)計流程上的這種循環(huán)過程。

再有，本發(fā)明，將初步龍骨截面先拿給廠家，得到最薄可加工的最小截面，這樣，還可以提高材料的利用率。

而對剩余區(qū)域通過計算反推出龍骨在滿足規(guī)范要求前提下所需的最小截面參數(shù)，通過該截面參數(shù)設(shè)計出滿足的龍骨截面，屬于對龍骨截面的反向設(shè)計，避免了重復(fù)調(diào)整計算的循環(huán)過程，提高了截面設(shè)計的效率。

下面是有一個具體實施例，其中與前述實施例相同的內(nèi)容就不重復(fù)描述了。

一種高層、超高層建筑幕墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計方法，其包括如下步驟：

步驟一：根據(jù)建筑師提供的建筑外形已知幕墻的層高、分格及幕墻龍骨外輪廓，設(shè)計出初步龍骨截面；

步驟二：將設(shè)計出的初步龍骨截面發(fā)給型材生產(chǎn)廠家，由型材生產(chǎn)廠家根據(jù)初步龍骨截面給出能做的最小截面，該最小截面是型材生產(chǎn)廠家根據(jù)其對材料的極限加工能力得出的；

步驟三：根據(jù)實驗單位進行的試驗和荷載規(guī)范計算出建筑各個位置的荷載，得出建筑各處荷載分布情況，繪制出建筑荷載分布區(qū)域圖，根據(jù)幕墻龍骨荷載及跨度對建筑進行區(qū)域劃分；

步驟四：計算出步驟二中由型材生產(chǎn)廠家給出的該最小截面在滿足規(guī)范要求即對承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)要求的前提下，所能承受的最大荷載，之后在已經(jīng)做好的建筑荷載分布區(qū)域圖中圈出該最小截面能使用的范圍，該最小截面即為幕墻龍骨的最小截面；

步驟五：對剩余的劃分區(qū)域：

分別計算出能滿足所述規(guī)范要求前提下各區(qū)域所需的最小截面參數(shù)，并設(shè)計出與之對應(yīng)的剩余區(qū)域龍骨截面，如果所需最小截面參數(shù)相近則可將其合并成一個區(qū)域用同一種龍骨截面。

對于步驟二得到的最小截面進行加強設(shè)計，使之能夠通過加強措施達到在剩余的相應(yīng)分區(qū)能夠承受相應(yīng)的荷載。

在步驟二中，充分發(fā)揮型材廠家的極限加工能力，做出其能做的型材截面，同時，還需設(shè)計值結(jié)合規(guī)范校核型材壁厚是否超出規(guī)范要求的最小壁厚，在加工可行性和規(guī)范要求同時滿足時，確定最終的最小截面的尺寸。

在本優(yōu)化設(shè)計方法的步驟三中依據(jù)“實驗單位進行的試驗結(jié)果和荷載規(guī)范計算結(jié)果”確定建筑各個部位的荷載，將建筑荷載進行分區(qū)，并繪制出荷載分布區(qū)域圖。

在步驟三中，完成荷載的分區(qū)之后，結(jié)合龍骨跨度可初步將建筑劃分為小跨度小風(fēng)壓、小跨度大風(fēng)壓、大跨度小風(fēng)壓和大跨度大風(fēng)壓等幾個區(qū)域。

在步驟五中對剩余的劃分區(qū)域，由設(shè)計者反推出在滿足規(guī)范要求下各區(qū)域所需的最小截面參數(shù)(一般是指截面抵抗矩和慣性矩)，當所需最小截面參數(shù)接近時，可將其合并為一個區(qū)域，根據(jù)最小截面參數(shù)初步設(shè)計出該分區(qū)截面。之后發(fā)給型材生產(chǎn)廠家，由其確定是否能開模，或?qū)孛孢M行微調(diào)；然后重新驗算龍骨截面是否滿足規(guī)范對承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)的要求，最終確定相應(yīng)剩余分區(qū)截面。

在所述步驟五中，所述設(shè)計出與之對應(yīng)的剩余區(qū)域龍骨截面處，設(shè)計者為了實現(xiàn)一柱多用而留一些便于做進一步加強的構(gòu)造設(shè)計，例如在龍骨的端面上設(shè)計供插芯所用的卡固結(jié)構(gòu)，通過在型材中加插芯做進一步加強，使之適用于剩余分區(qū)承載更大、更不利的區(qū)域，從而減少龍骨的開模數(shù)量。

做加強設(shè)計可以針對剩余分區(qū)截面，也可以針對所述最小截面。

綜上所述，通過對幕墻進行分區(qū)，合理設(shè)計立柱截面，充分進行優(yōu)化分析，一般都能使得幕墻60％以上區(qū)域的立柱得到優(yōu)化，避免了因局部受力較差而使得整片幕墻的立柱的余量太大，造成材料浪費。

本發(fā)明提供的優(yōu)化設(shè)計方法的主要發(fā)明要點有以下幾點：

1、對建筑上各處的荷載進行分區(qū)；

2、結(jié)合龍骨跨度和荷載對建筑進行區(qū)域劃分；

3、充分發(fā)揮型材廠家的加工能力，設(shè)計出最小的型材截面，并計算出該截面可以使用的范圍；

4、對剩余區(qū)域通過計算反推出龍骨在滿足規(guī)范要求前提下所需的最小截面參數(shù)，通過該截面參數(shù)設(shè)計出滿足的龍骨截面。對于剩余區(qū)域的龍骨設(shè)計屬于對龍骨截面的反向設(shè)計，避免了重復(fù)調(diào)整計算的循環(huán)過程，提高了截面設(shè)計的效率。

本發(fā)明提供的高層、超高層建筑幕墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計方法，從如下幾個方面體現(xiàn)出其積極效果：

1、簡化了幕墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計流程。

2、明確了幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計流程的主要控制點。

3、重新定義幕墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的概念。

4、提出了超高層幕墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的方法。

5、對幕墻大部分龍骨進行優(yōu)化，提高了龍骨利用率，節(jié)約材料，同時提高了立柱截面的設(shè)計效率和精準度。