結(jié)構(gòu)工程師:石材幕墻的深化設(shè)計(jì)與知識

　　目前幕墻干掛石材設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)單位通常只提供立面分格形式和少量節(jié)點(diǎn)圖，其細(xì)致程度無法達(dá)到依圖施工的程度，因此，石材板及相關(guān)的干掛體系的深化設(shè)計(jì)工作就非常必要，這項(xiàng)工作一般由掛板施工單位負(fù)責(zé)。由于其技術(shù)水平的參差不齊，許多石材工程甚至沒有相應(yīng)的力學(xué)計(jì)算和現(xiàn)場試驗(yàn)驗(yàn)證，石材及干掛體系的選擇和確定均依據(jù)日常的施工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行，很有可能造成強(qiáng)度不足的危險(xiǎn)隱患或強(qiáng)度過大的材料浪費(fèi)。干掛石材的設(shè)計(jì)必須按照相關(guān)規(guī)范，依嚴(yán)格的程序進(jìn)行，其力學(xué)計(jì)算結(jié)論要與現(xiàn)場的力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果相吻合。本文根據(jù)石材幕墻工程施工及設(shè)計(jì)的工程實(shí)踐，從石材、龍骨、掛件的材料的選擇、物理實(shí)驗(yàn)性能、力學(xué)計(jì)算、模擬實(shí)際情況的現(xiàn)場受力性能實(shí)驗(yàn)、施工圖設(shè)計(jì)等各個(gè)階段，介紹干掛石材的全過程設(shè)計(jì)。$lesson$

　　總論：

　　石材幕墻的深化設(shè)計(jì)通常根據(jù)設(shè)計(jì)方提供的圖紙確定石材的精確分格尺寸、顏色、材質(zhì)、嵌縫材料等，并繪出尺寸詳盡的石材立面圖及各復(fù)雜部位的節(jié)點(diǎn)詳圖，然后依各單塊石材的重量、尺寸及抗震、抗風(fēng)壓等各項(xiàng)要求，進(jìn)行相關(guān)的力學(xué)計(jì)算，確定石材的干掛方式及龍骨體系、埋件、連接件等的尺寸規(guī)格。并在有條件的情況下，對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行現(xiàn)場的力學(xué)性能試驗(yàn)，以確保石材幕墻的安全性。

　　1.石材的選擇

　　對于深化設(shè)計(jì)而言，應(yīng)配合設(shè)計(jì)單位和建設(shè)方的工作，根據(jù)設(shè)計(jì)方對幕墻分格形式及材質(zhì)顏色等建筑效果的要求，向建設(shè)方提供各種石材樣本，以協(xié)助其盡快確定所用石材。通常要在對幾種石材的選擇中，應(yīng)依據(jù)所掌握的石材資料，重點(diǎn)考慮擬用石材的表面特征、顏色和紋理等技術(shù)性能指標(biāo)。盡管石材供應(yīng)商已給出了石材的物理性能指標(biāo)，但石材作為一種天然材料其物理性質(zhì)變化很大，因此必須重新確認(rèn)，以便為石材的設(shè)計(jì)確立相應(yīng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)。

　　2.干掛方式的選擇

　　石材的干掛方式有鋼銷式、通槽式、短槽式、背栓式等幾種形式，較常用的有短槽式和背栓式兩種，其懸掛方式比較而言，短槽式成本較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數(shù)要求不太高時(shí);背栓式干掛牢靠穩(wěn)定，但成本較高，用于較大塊石材(厚度30┨時(shí)石材面積大于1.5┫)或?qū)κ陌踩阅芤筝^高時(shí)。

　　3.石材及干掛體系的力學(xué)計(jì)算

　　首先確定幕墻所受的荷載及作用形式，然后確定石材的干掛方式，進(jìn)而確定石材板塊的計(jì)算模型，進(jìn)行受力安全性計(jì)算，最后根據(jù)干掛體系所受荷載值確定干掛體系的構(gòu)造形式和所用掛件、連接件、埋件及橫豎龍骨的規(guī)格尺寸。石材及其干掛體系的設(shè)計(jì)應(yīng)符合國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《金屬與石材幕墻工程技術(shù)規(guī)范》JGJ133-2001的要求。

　　3.1荷載的確定

　　計(jì)算時(shí)通常考慮材料的自重、所受風(fēng)荷載及地震荷載，并根據(jù)荷載作用方式對其進(jìn)行組合。其相應(yīng)分項(xiàng)系數(shù)及組合系數(shù)都應(yīng)嚴(yán)格按規(guī)范要求取用，對某些特殊的建筑物，設(shè)計(jì)說明書中對相應(yīng)荷載計(jì)算取值會有特殊要求，在計(jì)算時(shí)應(yīng)和規(guī)范對照取其最大值。對干掛體系進(jìn)行計(jì)算時(shí)，應(yīng)根據(jù)剛體的力的傳遞的特性，確定其所受荷載進(jìn)行力學(xué)計(jì)算。有時(shí)。一些荷載不易確定時(shí)，可通過模擬試驗(yàn)來確定其大小。

　　3.2石材的計(jì)算

　　石材的計(jì)算主要包括掛板板塊自身的抗彎計(jì)算和掛板與掛件銷釘連接處的抗剪計(jì)算。有時(shí)還應(yīng)計(jì)算石材的熱裂應(yīng)力。計(jì)算方式與石材的干掛方式有關(guān)，本文以背栓式干掛石材固定體系來說明。石材板所受荷載包括水平向的風(fēng)荷載和地震荷載，豎向的地震荷載和石材自重。以及溫度變化產(chǎn)生的熱裂應(yīng)力。背栓式干掛石材典型的安裝體系是通過上下各2組(共4組)掛件將石材固定，其中石材上邊兩組掛件起支承石材重量及在垂直于石材平面的方向上約束石材的作用，下邊的兩組掛件只是在垂直于石材平面的方向上起約束石材的作用。對石材進(jìn)行抗彎計(jì)算時(shí)，應(yīng)按四點(diǎn)支撐板計(jì)算其應(yīng)力。其計(jì)算邊長a0、b0.所得最大彎曲應(yīng)力設(shè)計(jì)值不應(yīng)超過石材板的抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;對背栓掛件在石材板上產(chǎn)生的剪應(yīng)力進(jìn)行抗剪計(jì)算時(shí)，一般根據(jù)相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算，要求石板所受剪應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值不大于板材抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。應(yīng)注意的是，豎向剪應(yīng)力只有上排的兩組掛件承擔(dān)，而不是由全部四組掛件共同承擔(dān)。

　　3.3干掛體系的設(shè)計(jì)

　　在石材幕墻工程中，石材干掛體系的設(shè)計(jì)一般由施工單位獨(dú)立完成，由于幕墻作為懸掛體系的特性，干掛體系的設(shè)計(jì)決定著幕墻的結(jié)構(gòu)安全，有著特殊的重要性，而又因?yàn)槠鋵儆陔[蔽工程，尤其應(yīng)得到足夠的重視。

　　干掛石材體系力的傳遞

　　板材中的最大應(yīng)力可通過簡化計(jì)算方法或有元程序計(jì)算得出。值得強(qiáng)調(diào)的是，有些特殊的石材由于其獨(dú)特的紋理特性而使石材在沿板長及板高方向的強(qiáng)度具有非常明顯廠的差異，須分別對這兩個(gè)不同的強(qiáng)度方向進(jìn)行計(jì)算。另外，在計(jì)算石材于某一點(diǎn)達(dá)到某方向的最大應(yīng)力的同時(shí)，必須計(jì)算其在垂直方向上的應(yīng)力。

　　3.3石材的允許應(yīng)力

　　根據(jù)前述石材物理性能試驗(yàn)，可得到相應(yīng)的石材強(qiáng)度指標(biāo)。通常用于建筑物干掛石材的有花崗巖、大理石和石灰石等，根據(jù)各種石材特有的性能特征及施工經(jīng)驗(yàn)在對上述石材進(jìn)行力學(xué)計(jì)算是采用的安全系數(shù)應(yīng)有所不同。美國各種石材的工業(yè)協(xié)會對于相應(yīng)的石材都給出了推薦使用的安全系數(shù)。如對于石灰石，美國石灰石行業(yè)推薦的設(shè)計(jì)安全系數(shù)值為8.用實(shí)驗(yàn)的出的石材彎曲強(qiáng)度及壓縮強(qiáng)度除以相應(yīng)的設(shè)計(jì)安全系數(shù)，即可得到時(shí)常的允許應(yīng)力。

　　3.4石材板塊自身的抗彎驗(yàn)算

　　對于各向異性的石材，石材板塊姿勢的抗彎驗(yàn)算分為兩種情況。一是石材板塊中發(fā)生最大彎曲應(yīng)力的點(diǎn)在另一方向上的應(yīng)力為零，只要此最大應(yīng)力小于對應(yīng)方向上的石材允許應(yīng)力則石材板塊自身的抗彎性能滿足要求，反之則不滿足。二是石材板塊中發(fā)生最大彎曲應(yīng)力的點(diǎn)在另一方向上的應(yīng)力不為零，則驗(yàn)算時(shí)也應(yīng)該同時(shí)考慮此應(yīng)力。這時(shí)可以應(yīng)用內(nèi)摩擦理論，設(shè)一個(gè)方向?yàn)閄，另一個(gè)垂直的方向?yàn)閅，在滿足下列公式時(shí)，則石材板塊自身的抗彎性能滿足要求，反之則不滿足。

　　3.5銷釘孔處石材的抗剪驗(yàn)算

　　先根據(jù)銷釘孔的深度、石材板塊的厚度等幾何參數(shù)算出銷釘孔處的深度、石材板塊的厚度等幾何參數(shù)反之則不滿足。

　　2.石材物理性能試驗(yàn)

　　在為一個(gè)工程項(xiàng)目的石材做試驗(yàn)建立設(shè)計(jì)指標(biāo)時(shí)，必須取能代表所用石材的試樣，或者直接從將要用于建筑物的石材中挑選試樣。干掛石材的物理性能主要包括彎曲強(qiáng)度、斷裂模量、壓縮強(qiáng)度、吸水率及體積密度，這些指標(biāo)均可通過標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法獲得，而相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)中都有指定的最小物理性能指標(biāo)。

　　4.現(xiàn)場受力性能試驗(yàn)

　　干掛石材理論計(jì)算的模型畢竟與現(xiàn)場時(shí)常的實(shí)際受力情況有所不同，為驗(yàn)證理論計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，必須在施工現(xiàn)場按擬采用的干掛石材的固定體系固定石材，然后對其逐步施加設(shè)計(jì)規(guī)定的荷載并觀察記錄其整體受力性能。最后按試驗(yàn)對力學(xué)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析和研究，以確保干掛石材在實(shí)際使用過程中確實(shí)具有相當(dāng)?shù)陌踩取?/P>

　　5、施工圖設(shè)計(jì)

　　干掛石材施工圖設(shè)計(jì)的依據(jù)為：建筑平面圖、立面圖、節(jié)點(diǎn)大樣圖、其他專業(yè)需與干掛石材配合的有關(guān)圖紙及其他要求和干掛石材的計(jì)算書。施工圖設(shè)計(jì)必須做到既滿足建筑師的要求，又要與現(xiàn)場的實(shí)際情況相吻合，施工圖設(shè)計(jì)主要包括石材的安裝立面圖設(shè)計(jì)、石材節(jié)點(diǎn)大樣圖設(shè)計(jì)、石材的加工詳圖設(shè)計(jì)等。

　　1、安裝立面圖設(shè)計(jì)：根據(jù)建筑立面圖的板塊分格要求，在各立面上將不同形狀或不同尺寸的石材分別獨(dú)立編號，編號應(yīng)確保唯一并方便實(shí)用，所設(shè)計(jì)的石材安裝立面圖應(yīng)清洗表達(dá)出各立面上所有不同種類的石材板塊。若工程的體形較復(fù)雜，為查找干掛石材立面圖紙方便，還應(yīng)設(shè)計(jì)干掛石材安裝立面圖的位置索引圖，清晰的表示出建筑物每個(gè)區(qū)域墻面對應(yīng)的掛板立面編號圖編號。

　　2、石材節(jié)點(diǎn)大樣圖設(shè)計(jì)：對建筑物的拐角、窗口、屋檐、及其它復(fù)雜部位石材的形狀、尺寸及連接方式，應(yīng)單獨(dú)設(shè)計(jì)干掛石材節(jié)點(diǎn)大樣圖，以表明這些部位石材的實(shí)際情況。

　　3、石材加工詳圖設(shè)計(jì)：石材安裝立面圖及節(jié)點(diǎn)大樣圖經(jīng)建筑師批準(zhǔn)后，即可按石材安裝立面圖上的石材尺寸分格及節(jié)點(diǎn)大樣圖的細(xì)節(jié)進(jìn)行加工詳圖設(shè)計(jì)，該詳圖即通常所說的石材加工單。在確定干掛石材的具體形狀及加工尺寸時(shí)，須反復(fù)核實(shí)以確保萬無一失(尤其在采用較為昂貴的進(jìn)口石材時(shí))以免造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

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