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摘要： 隨著幕墻設(shè)計行業(yè)的發(fā)展與壯大，為幕墻設(shè)計配套的幕墻鋼結(jié)構(gòu)專業(yè)也發(fā)展起來。作為一個幕墻與鋼結(jié)構(gòu)專業(yè)的交叉學(xué)科，有其自身的特殊性。因其相對年輕之緣故，一直未形成自身的理論知識系統(tǒng)和專業(yè)技能體系，這給日常設(shè)計工作帶來不少困擾、思想混亂、甚至障礙，行業(yè)發(fā)展迫切需要構(gòu)建幕墻鋼結(jié)構(gòu)理論知識系統(tǒng)和專業(yè)技能體系。本文從幕墻鋼結(jié)構(gòu)理論與研究、工作與實踐、規(guī)范與案例三個方面來重點系統(tǒng)化講述幕墻鋼結(jié)構(gòu)理論知識與專業(yè)技能體系構(gòu)建之必要性與其所其包含的主要內(nèi)容，并對構(gòu)建幕墻鋼結(jié)構(gòu)理論知識與專業(yè)技能體系進(jìn)行初步探索。
關(guān)鍵詞：幕墻、鋼結(jié)構(gòu)、設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、制圖標(biāo)準(zhǔn)、節(jié)點圖庫
0 引言
幕墻鋼結(jié)構(gòu)專業(yè)作為鋼結(jié)構(gòu)和幕墻的交叉學(xué)科專業(yè)，它內(nèi)在本質(zhì)是鋼結(jié)構(gòu)體系一個分支，其功能和表現(xiàn)形式卻是為了服務(wù)幕墻，已經(jīng)發(fā)展為一個從業(yè)人數(shù)眾多的獨立專業(yè)。但長久以來，一直未見對此專業(yè)進(jìn)行系統(tǒng)化理論知識總結(jié)和專業(yè)技能體系構(gòu)建的相關(guān)著作或者技術(shù)文件出現(xiàn)，這為行業(yè)的規(guī)范化發(fā)展帶來極大不便，也為從業(yè)人員的理論知識增長和專業(yè)技能培訓(xùn)積累造成障礙
圖1 幕墻鋼結(jié)構(gòu)理論知識與專業(yè)技能體系總圖譜
和思想混亂。不管是該專業(yè)目前發(fā)展現(xiàn)狀，還是未來進(jìn)一步發(fā)展都需要進(jìn)行理論知識總結(jié)和專業(yè)技能進(jìn)行系統(tǒng)化構(gòu)建。
1 幕墻鋼結(jié)構(gòu)的定義與主要內(nèi)容
到底什么是幕墻鋼結(jié)構(gòu)，目前尚無明確的定義。一般來說，狹義上的幕墻鋼結(jié)構(gòu)為幕墻設(shè)計配套的雨篷鋼架、門頭鋼架、立面幕墻鋼架、出屋面邊緣幕墻鋼架、采光頂鋼架和汽車坡道鋼架。廣義上的幕墻鋼結(jié)構(gòu)是除了上述鋼架外，還包括屋頂塔架、建筑之間連廊鋼架、觀光電（詞條“光電”由行業(yè)大百科提供）梯井道鋼架、建筑內(nèi)部夾層鋼架以及戶外樓梯甚至室內(nèi)樓梯，小區(qū)景觀小品鋼結(jié)構(gòu)等，由土建設(shè)計院分包于幕墻設(shè)計院來完成的區(qū)別于主結(jié)構(gòu)的次要附屬結(jié)構(gòu)。
2 構(gòu)建幕墻鋼結(jié)構(gòu)理論的主要內(nèi)容，方法與初步成果
對于幕墻鋼結(jié)構(gòu)專業(yè)理論構(gòu)建工作主要圍繞著上節(jié)所述其主要工作內(nèi)容展開。包括埋件、雨篷鋼架結(jié)構(gòu)、立面鋼架結(jié)構(gòu)、屋頂鋼架結(jié)構(gòu)等。而對于理論知識來源方法則主要有兩類：歸納和演繹。歸納就是把日常設(shè)計工作中碰到的問題、問題討論過程、問題解決方案進(jìn)行知識積累，積累過程不斷實現(xiàn)由點到面的突破，進(jìn)行抽象化系統(tǒng)化歸納，從而最終形成理論化成果。這個過程可以理解為幕墻鋼結(jié)構(gòu)理論構(gòu)建過程中理論來源方法的唯物論。而演繹則是拿其它學(xué)科理論知識或者最前端的研究成果，當(dāng)然主要是主體結(jié)構(gòu)設(shè)計理論進(jìn)行幕墻鋼結(jié)構(gòu)化改造處理后演變成幕墻鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計理論。這個可以理解為幕墻鋼結(jié)構(gòu)理論來源中的辯證法。而就其歷史源頭來說應(yīng)該可以追溯到發(fā)表于《幕墻設(shè)計》2016年第5期(十月號、總第59期)的那篇《從屋頂鋼塔設(shè)計談幕墻鋼結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計》論文(論文后被《建筑工業(yè)》期刊2018年度會議論文集收錄)，該論文首次初步系統(tǒng)性地闡述了幕墻鋼結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計理論問題，點燃了幕墻鋼知識理論與技能體系構(gòu)建重任的星星之火。
幕墻鋼結(jié)構(gòu)理論研究工作已經(jīng)取得一定程度的進(jìn)展，其成果主要包括如圖一所示22篇論文(隨著后期的不斷增益，最終會達(dá)到25篇左右)，其中有12篇已經(jīng)發(fā)表在相關(guān)期刊發(fā)表，另 7篇已經(jīng)完成初稿，會在近一兩年內(nèi)陸續(xù)在相關(guān)專業(yè)刊發(fā)表。有興趣的讀者可以回讀相關(guān)論文和持續(xù)關(guān)注后期發(fā)表工作。這些論文集群涵蓋了荷載、埋件、雨篷、立面鋼架、電梯井道鋼架以及屋頂鋼架甚至玻璃、鋁板計算在內(nèi)的幕墻結(jié)構(gòu)幾乎所有部分，從理論上清晰明確地論述了這類結(jié)構(gòu)的力學(xué)特征與設(shè)計思路。
3 幕墻鋼結(jié)構(gòu)理論的實踐應(yīng)用
任何理論必須能夠指導(dǎo)我們的實踐和服務(wù)于工程項目才有具體實際意義。幕墻鋼結(jié)構(gòu)理論亦不例外。故工作與實踐應(yīng)該成為幕墻鋼結(jié)構(gòu)知識理念與專業(yè)技能體系構(gòu)建工作的中心和重點。如圖一所示，這塊內(nèi)容主要有五個部分：分別是設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、制圖標(biāo)準(zhǔn)以及節(jié)點圖庫、對員工進(jìn)行專業(yè)技能培訓(xùn)或者考核的專業(yè)庫題以及工作中常用到的制圖與計算軟件、對這些軟件進(jìn)行二次開發(fā)或者單獨開發(fā)專業(yè)軟件的編程開發(fā)工具。
圖2 幕墻鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容總覽
3.1對于幕墻鋼結(jié)構(gòu)理論必須落地到具體實踐項目才能夠發(fā)揮其強大的指導(dǎo)意義。一般來說，設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)是理論變成具體實踐的中介和橋梁，它是將理論知識與實踐以及日常經(jīng)驗具體化、條理化的重要技術(shù)文件。因為幕墻鋼結(jié)構(gòu)體量較小，相對于傳統(tǒng)主體結(jié)構(gòu)其傳力路徑有其自身的特征：一、設(shè)計時必須要考慮其支座主體結(jié)構(gòu)承載力和剛度;二、自重較輕，如荷載中水平作用較大;三、需要考慮溫度作用;四、因幕墻裝飾的屬性，故其在設(shè)計過程中需要考慮美觀問題。幕墻鋼結(jié)構(gòu)的這些特性使其在設(shè)計工作中有自身獨特的設(shè)計特性和設(shè)計思路。常規(guī)的主體結(jié)構(gòu)設(shè)計思維不盡合適，故專門編制一套設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)是必要的。幕墻鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容總覽詳見圖2所示。
3.2而目前來說我們的設(shè)計思想則必須通過制圖來給予表達(dá)，正確明晰的制圖規(guī)則是設(shè)計師將設(shè)計思想充分完整明晰地傳達(dá)給相關(guān)其實專業(yè)人員的必要保證。故一個所有相關(guān)技術(shù)人員遵守的制圖規(guī)則是必要的。另外制圖上亦同主體結(jié)構(gòu)制圖不同，幕墻鋼結(jié)構(gòu)需要大量表達(dá)同主體結(jié)構(gòu)的關(guān)系、構(gòu)件相對較小、比例偏大、方位變換較多、節(jié)點設(shè)計更為精細(xì)，這些特征使得幕墻鋼結(jié)構(gòu)制圖時采用主體結(jié)構(gòu)的制圖標(biāo)準(zhǔn)有不盡合理的地方，故編制專門的幕墻鋼結(jié)構(gòu)制圖標(biāo)準(zhǔn)亦是必要和可行的。制圖標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容總覽詳見圖3。
圖3 幕墻鋼結(jié)構(gòu)制圖標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容總覽
3.3專業(yè)幕墻鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點圖庫是一種可提高設(shè)計師制圖速度，提高設(shè)計效率的優(yōu)秀工具。亦可為初入行年輕設(shè)計師提供一個快速進(jìn)步，盡早在技術(shù)上成熟起來的捷徑。所以一個全面與優(yōu)秀的節(jié)點圖庫亦是構(gòu)建幕墻鋼結(jié)構(gòu)理論知識和設(shè)計技能時必須子項之一。幕墻鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點圖庫的整體內(nèi)容詳見圖4。圖庫截至目前為止共收錄386個常用幕墻鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點。涵蓋了鋼結(jié)構(gòu)焊接大樣、預(yù)埋件與后埋件節(jié)點、特殊支座節(jié)點、梁梁連接節(jié)點、梁柱連接節(jié)點、抗震框架節(jié)點、拉桿（詞條“拉桿”由行業(yè)大百科提供）節(jié)點、以及幕墻鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計師知識技能拓展用的樓承板作法節(jié)點、簡單砌體結(jié)構(gòu)，簡單獨立基礎(chǔ)、條形基礎(chǔ)、樁基礎(chǔ)、簡單混凝土（詞條“混凝土”由行業(yè)大百科提供）框架作法、混凝土結(jié)構(gòu)加固甚至簡單膜結(jié)構(gòu)（詞條“膜結(jié)構(gòu)”由行業(yè)大百科提供）等。
3.4設(shè)計一套對幕墻鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計師有效的能力考核辦法，是促進(jìn)和提高設(shè)計專業(yè)能力的有效手段。以考核題目的形式出現(xiàn)，將一些設(shè)計師在工作中容易犯的問題、容易忽視之處、甚至概念完全錯誤的地方等這些瑣碎專業(yè)的知識點以題庫考點的形式出現(xiàn)，既可以考核量化設(shè)計師的工作能力，又可以起到對設(shè)計疑難點進(jìn)行有效預(yù)警作用。最終目的是提高設(shè)計師的理論水平和設(shè)計技能，從而提高工程設(shè)計質(zhì)量。例如，判斷正誤題型中的第一題：“高強螺栓（詞條“高強螺栓”由行業(yè)大百科提供）分為承壓型和摩擦型，因為抗剪機理完成不同，故其采購和安裝時預(yù)拉力值以及施扭工藝必須嚴(yán)格區(qū)別，不可混用”。這是針對眾多鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計師一個錯誤概念而來，實質(zhì)上，高強螺栓（詞條“螺栓”由行業(yè)大百科提供）從生產(chǎn)、采購和施工來說，并沒有任何區(qū)別，更沒有承壓型和摩擦型區(qū)分，甚至其施工方法也是完全一樣的，施加的預(yù)拉應(yīng)力（詞條“拉應(yīng)力”由行業(yè)大百科提供）也是完全一樣的，其區(qū)別主要是節(jié)點抗剪原理，節(jié)點板加工時是否制作摩擦面。真正的區(qū)分是連接原理，所以正確的提法應(yīng)該是摩擦型連接或者承壓型連接，而非設(shè)計師經(jīng)常提到的摩擦型高強螺栓和承壓型高強螺栓。顯然，這樣的題目設(shè)置對于糾正設(shè)計師的錯誤知識概念，建立正確的知識概念是非常有意義的。筆者編制的專業(yè)題庫目前共包括判斷正誤、單項與多項選擇、分析與計算三類題目共計二百小題。均來自日常幕墻鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計工作實踐，后期會不斷增益和完善。
3.5專業(yè)軟件是設(shè)計師日常必須用到的設(shè)計工具，幕墻鋼結(jié)構(gòu)所需要的專業(yè)軟件用分三類。第一類是制圖類軟件，包括常用的Auto CAD 、Sketch Up等，是平面制圖和三維建模的必要工具。第二類是結(jié)構(gòu)計
圖4 幕墻鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點圖庫內(nèi)容總覽
算軟件，主要是Sap2000、Midas、3D3S等。主要是進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算時，力學(xué)仿真計算和規(guī)范校核的。第三類是各種編程開發(fā)語言工具，主要包括VB、VC、 C#、Python等，主要為進(jìn)行專業(yè)軟件開發(fā)所準(zhǔn)備。市場上專業(yè)軟件一般是為通用制圖與仿真計算準(zhǔn)備，故其專業(yè)化程度未必很高。另外，因為多為非專業(yè)人員開發(fā)，不可避免地會存在一些不順手甚至完全錯誤的地方，故由幕墻鋼結(jié)構(gòu)專業(yè)人士根據(jù)自己工作實踐需求開發(fā)實用結(jié)構(gòu)軟件是必要的。例如，日常工作中常用的后埋件錨栓計算軟件多為某國際知名錨栓品牌商提供，該計算軟件是根據(jù)歐盟相關(guān)錨栓計算標(biāo)準(zhǔn)編制而來，同中國標(biāo)準(zhǔn)JGJ145《混凝土結(jié)構(gòu)后錨固技術(shù)規(guī)程》有相當(dāng)多不一致的地方，并不完全符合中國實際情況。
圖5 幕墻鋼結(jié)構(gòu)相關(guān)軟件
更何況中國設(shè)計師使用該軟件進(jìn)行計算時，后埋件內(nèi)力是根據(jù)中國標(biāo)準(zhǔn)計算而來的，這種前端荷載與效應(yīng)(S)按中國標(biāo)準(zhǔn)計算，而后端承載力(R)按歐盟標(biāo)準(zhǔn)計算，然后來對比與判定錨栓安全性中西混用做法顯然是有問題的。而根據(jù)JGJ145《混凝土結(jié)構(gòu)后錨固技術(shù)規(guī)程》手算后埋件則是一個相當(dāng)繁瑣與耗時的過程，效率極為低下。這種情況下，設(shè)計師自己編寫軟件就是有強烈必要性的。而系統(tǒng)性的介紹和推薦一些專業(yè)開發(fā)語言工具，為一些有能力的設(shè)計師進(jìn)行專業(yè)能力拓展準(zhǔn)備是具有現(xiàn)實意義的。同時，隨著年輕設(shè)計師的高學(xué)歷化越來越明顯，計算機水平也越來越高，這也為設(shè)計師開發(fā)出高質(zhì)量的專業(yè)軟件提供了可能性和人才與知識準(zhǔn)備。幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計師常用的專業(yè)軟件如圖5所示。圖6為本人所編寫的《預(yù)埋件、后埋件與植筋計算軟件》主界面，該軟件可實現(xiàn)錨栓布置的動態(tài)編輯，可自動生成word計算書文件，以及DWG格式AutoCAD文件。除了全部依據(jù)中國規(guī)范進(jìn)行編制為，對幕墻鋼結(jié)構(gòu)常用的預(yù)埋件、后埋件與植筋三種連接方式進(jìn)行整合為一計算軟件，顯然對于提升幕墻鋼結(jié)構(gòu)連接的計算效率是非常有益的。
圖6 預(yù)埋件、后埋件與植筋計算軟件主界面
4幕墻鋼結(jié)構(gòu)相關(guān)的國家規(guī)范與案例
現(xiàn)行相關(guān)國家規(guī)范是本行業(yè)群體經(jīng)驗和群體理論高度應(yīng)用化總結(jié)。是我們的設(shè)計依據(jù)，亦是專業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行設(shè)計和溝通時的依據(jù)。一個優(yōu)秀設(shè)計師不僅應(yīng)當(dāng)熟悉規(guī)范相關(guān)條文字面含義，更應(yīng)該了解掌握這規(guī)定這些條文之意圖和精神，并能夠靈活地加以運用。故對同幕墻鋼結(jié)構(gòu)相關(guān)的我國現(xiàn)行規(guī)范進(jìn)行深入解讀是必要的，如圖1所示，本圖譜詳細(xì)列出了十六本規(guī)范(個別規(guī)范僅涉及其中部分章節(jié))。
此外，隨著全球化進(jìn)展加速，海外項目亦大量出現(xiàn)，這就要求設(shè)計師必須了解相關(guān)國際主流標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范相關(guān)理論知識，特別是國家地域性比較強的荷載(主要指風(fēng)和地震以及雪荷載)統(tǒng)計與計算方法，當(dāng)?shù)夭少彶牧闲阅苤笜?biāo)等以及這類材料計算方法與性能指標(biāo)我國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范統(tǒng)計方法的比較等。如果不能夠熟練掌握，在海外項目設(shè)計計算工作中就可能因一個小的知識點欠缺而引起計算或設(shè)計缺陷造成巨大工程損失。例如，風(fēng)荷載計算中涉及到一個基本風(fēng)速確定問題，而各國基本風(fēng)速確定時采用的測速高度、風(fēng)場場地狀況、粗糙度與統(tǒng)計方法均有所不同。一個重要參數(shù)叫風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)時距，就是統(tǒng)計風(fēng)速所使用時間段長短。這個數(shù)據(jù)國際上各國風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)中是不同的：美國、印度、澳大利亞取3秒，而我國、前蘇聯(lián)、日本、國際標(biāo)準(zhǔn)化組織取10分鐘，而英國、加拿大則取為1小時。各種風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)時距的換算關(guān)系見下表1(表中具體換算數(shù)據(jù)來自國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO)。
表1 各種不同時距風(fēng)速平均比值
根據(jù)表中數(shù)據(jù)，最常用的3秒鐘風(fēng)速時距同10分鐘風(fēng)速時距的換算問題系數(shù)是1.42，注意這與我國規(guī)范JGJ131《金屬與石材幕墻工程技術(shù)規(guī)程》中規(guī)定的1.5修正系數(shù)略有差異(而國際標(biāo)準(zhǔn)化組織中推薦的與瞬時風(fēng)速的修正系數(shù)為1.5，此規(guī)程雖然言明根據(jù)來自國際標(biāo)準(zhǔn)化組織，但將3秒風(fēng)速的修正值采用1.5，也許有規(guī)范制定者自己的考慮)。
經(jīng)典幕墻鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計案例分析亦是設(shè)計師熟悉設(shè)計理論，快速提高自身設(shè)計水平的有效手段。故在專業(yè)技能體系中應(yīng)包括數(shù)個典型的設(shè)計案例,實際上，在理論構(gòu)建部分二十二篇論文中已經(jīng)包含了亞洲基礎(chǔ)建設(shè)投資銀行總部大樓項目立面高大幕墻鋼架等不少案例分析。后期會繼續(xù)提供雨篷、立面、電梯井道鋼架、屋頂?shù)湫驮O(shè)計案例等，全方位提高設(shè)計師理論水平和設(shè)計經(jīng)驗。
5總結(jié)
雖然幕墻鋼結(jié)構(gòu)理論不過只是結(jié)構(gòu)理論與規(guī)范體系森林中的一顆小草，但從以上自身的內(nèi)容來看，這顆小草的豐富和完善亦可成長為參天大樹。行業(yè)的發(fā)展需要各位同行的共同努力。水平有限，希望各位同行來共同為幕墻鋼結(jié)構(gòu)理論知識與專業(yè)技能體系的構(gòu)建添磚加瓦和精細(xì)打磨，以期早日將其建成高樓大廈。
道長且險且艱，任重且急且寬，但前行的途中不會停歇。相信隨著幕墻行業(yè)的發(fā)展，理論與實踐的不斷豐富和完善，加上行業(yè)內(nèi)眾多同仁的共同努力，構(gòu)建幕墻鋼結(jié)構(gòu)理論知識與專業(yè)技能體系的宏偉目標(biāo)必將實現(xiàn)!
作者單位：浙江中南建設(shè)集團有限公司
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