干掛石材幕墻深化設計 確保安全最重要

　　夏國芳浙江廣藝建筑裝飾工程有限公司

　　摘要：本文根據石材幕墻工程施工及設計的工程實踐，從石材、龍骨、掛件的材料的選擇、物理實驗性能、力學計算、模擬實際情況的現場受力性能實驗、施工圖設計等各個階段，介紹干掛石材的全過程設計。


　　石材幕墻的深化設計通常根據設計方提供的圖紙確定石材的精確分格尺寸、顏色、材質、嵌縫材料等，并繪出尺寸詳盡的石材立面圖及各復雜部位的節點詳圖，然后依各單塊石材的重量、尺寸及抗震、抗風壓等各項要求，進行相關的力學計算，確定石材的干掛方式及龍骨體系、埋件、連接件等的尺寸規格。并在有條件的情況下，對計算結果進行現場的力學性能試驗，以確保石材幕墻的安全性。


　　1 石材的選擇

　　對于深化設計而言，應配合設計單位和建設方的工作，根據設計方對幕墻分格形式及材質顏色等建筑效果的要求，向建設方提供各種石材樣本，以協助其盡快確定所用石材。通常要在對幾種石材的選擇中，應依據所掌握的石材資料，重點考慮擬用石材的表面特征、顏色和紋理等技術性能指標。盡管石材供應商已給出了石材的物理性能指標，但石材作為一種天然材料其物理性質變化很大，因此必須重新確認，以便為石材的設計確立相應的設計指標。


　　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要求不太高時；背栓式干掛牢靠穩定，但成本較高，用于較大塊石材(厚度30㎜時石材面積大于1.5㎡)或對石材安全性能要求較高時。


　　3 石材及干掛體系的力學計算

　　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，進而確定石材板塊的計算模型，進行受力安全性計算，最后根據干掛體系所受荷載值確定干掛體系的構造形式和所用掛件、連接件、埋件及橫豎龍骨的規格尺寸。石材及其干掛體系的設計應符合國家行業標準《金屬與石材幕墻工程技術規范》JGJ133-2001的要求。


　　3.1 荷載的確定

　　計算時通常考慮材料的自重、所受風荷載及地震荷載，并根據荷載作用方式對其進行組合。其相應分項系數及組合系數都應嚴格按規范要求取用，對某些特殊的建筑物，設計說明書中對相應荷載計算取值會有特殊要求，在計算時應和規范對照取其最大值。對干掛體系進行計算時，應根據剛體的力的傳遞的特性，確定其所受荷載進行力學計算。有時，一些荷載不易確定時，可通過模擬試驗來確定其大小。


　　3.2 石材的計算

　　石材的計算主要包括掛板板塊自身的抗彎計算和掛板與掛件銷釘連接處的抗剪計算。有時還應計算石材的熱裂應力。計算方式與石材的干掛方式有關，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。以及溫度變化產生的熱裂應力。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。


　　對石材進行抗彎計算時，應按四點支撐板計算其應力。其計算邊長a0、b0.所得最大彎曲應力設計值不應超過石材板的抗彎強度設計值；對背栓掛件在石材板上產生的剪應力進行抗剪計算時，一般根據相應的經驗公式進行計算，要求石板所受剪應力標準值不大于板材抗剪強度設計值。應注意的是，豎向剪應力只有上排的兩組掛件承擔，而不是由全部四組掛件共同承擔。


　　3.3 干掛體系的設計

　　在石材幕墻工程中，石材干掛體系的設計一般由施工單位獨立完成，由于幕墻作為懸掛體系的特性，干掛體系的設計決定著幕墻的結構安全，有著特殊的重要性，而又因為其屬于隱蔽工程，尤其應得到足夠的重視。


　　干掛石材體系力的傳遞

　　板材中的最大應力可通過簡化計算方法或有元程序計算得出。值得強調的是，有些特殊的石材由于其獨特的紋理特性而使石材在沿板長及板高方向的強度具有非常明顯廠的差異，須分別對這兩個不同的強度方向進行計算。另外，在計算石材于某一點達到某方向的最大應力的同時，必須計算其在垂直方向上的應力。


　　3.3 石材的允許應力

　　根據前述石材物理性能試驗，可得到相應的石材強度指標。通常用于建筑物干掛石材的有花崗巖、大理石和石灰石等，根據各種石材特有的性能特征及施工經驗在對上述石材進行力學計算是采用的安全系數應有所不同。美國各種石材的工業協會對于相應的石材都給出了推薦使用的安全系數。如對于石灰石，美國石灰石行業推薦的設計安全系數值為8。用實驗的出的石材彎曲強度及壓縮強度除以相應的設計安全系數，即可得到時常的允許應力。


　　3.4 石材板塊自身的抗彎驗算

　　對于各向異性的石材，石材板塊姿勢的抗彎驗算分為兩種情況。一是石材板塊中發生最大彎曲應力的點在另一方向上的應力為零，只要此最大應力小于對應方向上的石材允許應力則石材板塊自身的抗彎性能滿足要求，反之則不滿足。二是石材板塊中發生最大彎曲應力的點在另一方向上的應力不為零，則驗算時也應該同時考慮此應力。這時可以應用內摩擦理論，設一個方向為X，另一個垂直的方向為Y，在滿足下列公式時，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算

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


　　4 石材物理性能試驗

　　在為一個工程項目的石材做試驗建立設計指標時，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度、斷裂模量、壓縮強度、吸水率及體積密度，這些指標均可通過標準試驗方法獲得，而相應的標準中都有指定的最小物理性能指標。干掛石材理論計算的模型畢竟與現場時常的實際受力情況有所不同，為驗證理論計算結果的準確性，必須在施工現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計規定的荷載并觀察記錄其整體受力性能。最后按試驗對力學計算結果進行分析和研究，以確保干掛石材在實際使用過程中確實具有相當的安全度。


　　5 施工圖設計

　　干掛石材施工圖設計的依據為：建筑平面圖、立面圖、節點大樣圖、其他專業需與干掛石材配合的有關圖紙及其他要求和干掛石材的計算書。施工圖設計必須做到既滿足建筑師的要求，又要與現場的實際情況相吻合，施工圖設計主要包括石材的安裝立面圖設計、石材節點大樣圖設計、石材的加工詳圖設計等。


　　安裝立面圖設計：根據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立編號，編號應確保唯一并方便實用，所設計的石材安裝立面圖應清洗表達出各立面上所有不同種類的石材板塊。若工程的體形較復雜，為查找干掛石材立面圖紙方便，還應設計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區域墻面對應的掛板立面編號圖編號。


　　石材節點大樣圖設計：對建筑物的拐角、窗口、屋檐、及其它復雜部位石材的形狀、尺寸及連接方式，應單獨設計干掛石材節點大樣圖，以表明這些部位石材的實際情況。


　　石材加工詳圖設計：石材安裝立面圖及節點大樣圖經建筑師批準后，即可按石材安裝立面圖上的石材尺寸分格及節點大樣圖的細節進行加工詳圖設計，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，須反復核實以確保萬無一失(尤其在采用較為昂貴的進口石材時)以免造成巨大的經濟損失。


　　6 結語

　　目前幕墻干掛石材設計，設計單位通常只提供立面分格形式和少量節點圖，其細致程度無法達到依圖施工的程度，因此，石材板及相關的干掛體系的深化設計工作就非常必要。干掛石材的設計必須按照相關規范，依嚴格的程序進行，其力學計算結論要與現場的力學性能試驗結果相吻合。

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