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摘要：为分析幕墙结构安全要求，作者运用现有建筑安全理论，对常见幕墙结构安全要求进行梳理，提出了系统的方法。结论将为幕墙安全规定提供参考。
关键词：建筑安全原则; 幕墙结构设计工作年限; 幕墙结构安全要求
按照《民用建筑通用规范》GB55031的规定，幕墙作为建筑部件，应遵循建筑建设安全原则，应根据其在建筑物中的位置作用和受力状态确定设计及构造做法，结构应能承受在施工和使用期间可能出现的各种作用，具有相应的适应能力与抵抗能力。幕墙结构设计应规定建筑幕墙结构的设计使用年限，宜不小于50年，不得小于25年。幕墙结构的设计基准期应为50年。
本文对幕墙结构安全的几个要素：安全等级、可靠度水平、设计工作年限等进行分析，明确了以上几个概念。
1 幕墙结构安全等级及设计工作年限
1.1. 幕墙结构安全等级
幕墙结构是建筑幕墙中能承受作用并具有适度刚度的由各连接部件有机组合而成的系统。幕墙结构构件是幕墙结构在物理上可以区分出的部件。幕墙结构体系是幕墙结构中所有构件（词条“构件”由行业大百科提供）及其共同工作的方式。幕墙结构模型是用于幕墙结构分析及设计的理想化幕墙结构体系。
幕墙结构设计时，应根据结构破坏可能产生的后果，即危及生命、造成经济损失、对社会或环境产生影响等的严重性，采用不同的安全等级。安全等级统一划分为一级、二级、三级共三个等级，大量的一般结构列入二级，大型公共建筑等重要结构列为一级，小型或临时性储存建筑等次要结构列为三级。设计文件中应明确幕墙结构的安全等级。
同一建筑结构中的各种结构构件一般与整体结构采用相同的安全等级，可根据具体结构构件的重要程度和经济效果进行适当调整。
1.2. 设计工作年限
幕墙结构的设计工作年限是设计规定的幕墙结构或幕墙结构构件不需大修即可按照预定目的使用的年限。
永久作用是在设计工作年限内始终存在且其量值变化与平均值相比可以忽略不计的作用和变化是单调的且其趋于某个限值的作用。
可变作用是在设计工作年限内其量值随时间变化，且其变化与平均值相比不可以忽略不计的作用。可分为使用时推力、施工荷载（词条“荷载”由行业大百科提供）、风荷载、雪荷载、撞击荷载、地震作用、温度作用。
偶然作用是在设计工作年限内不一定出现，而一旦出现其量值很大，且持续期很短的作用。
当界定幕墙为易于替换的结构构件时，幕墙结构的设计工作年限为25年;当界定幕墙为普通房屋和构筑物的结构构件时，幕墙结构的设计工作年限为50年;当界定幕墙为标志性建筑和特别重要的建筑结构时，幕墙结构的设计工作年限为100年。
当建筑设计有特殊规定时，幕墙结构的设计工作年限按照规定确定且不得小于25年。
幕墙结构设计应评估环境影响。当幕墙所处的环境对其耐久性有较大影响时，应根据不同的环境类别采用相应的构造设计、防护要求、加工水平、施工措施、验收标准等，应在设计工作年限内定期检修及维护，不影响安全和正常使用。
2 结构安全分析
2.1. 结构设计及结构分析原则和结构模型
幕墙结构应按围护结构设计。幕墙结构设计应考虑永久荷载、风荷载、地震作用和施工、清洗、维护荷载。大跨度空间结构和预应力（词条“预应力”由行业大百科提供）结构应考虑温度作用。可分别计算施工阶段和正常使用阶段的作用效应（词条“作用效应”由行业大百科提供）。与水平面夹角小于75°的建筑幕墙还应考虑雪荷载、活荷载、积灰荷载。幕墙结构设计的基准期为50年。
幕墙结构应根据传力途径对幕墙面板、支承结构（词条“支承结构”由行业大百科提供）、连接件与锚固件（词条“锚固件”由行业大百科提供）等依次设计和结构分析计算，确保幕墙的安全适用。幕墙结构应满足承载能力极限状态、正常使用极限状态、耐久性极限状态的要求。主体结构应能够承受幕墙传递的荷载和作用。连接件与主体结构的锚固承载力设计值应大于连接件本身的承载力设计值。幕墙结构应具有足够的承载能力、刚度、稳定性（词条“稳定性”由行业大百科提供）和相对于主体结构的位移能力。幕墙结构构件应能够承受幕墙传递的荷载和作用。幕墙连接件应有足够的承载能力和刚度。必要时幕墙结构设计与主体结构设计会同校核主体结构与幕墙结构的相互影响。异型空间结构及索结构应考虑主体结构和幕墙支承结构的协同作用。
采用以概率理论为基础的极限状态设计方法，用分项系数设计表达式计算,分为承载能力极限状态设计、正常使用极限状态设计、耐久性极限状态设计。
幕墙结构应按各效应组合中的最不利组合设计。幕墙结构设计值应采用按各作用组合中最不利的效应设计值。幕墙结构极限状态设计应使幕墙结构的抗力大于等于幕墙结构的作用效应。
幕墙结构分析是确定结构上作用效应的过程和方法。可采用结构计算、结构模型试验、原型试验(如幕墙抗风压性能试验)等方法。
幕墙结构分析的精度应能满足结构设计要求，必要时宜进行试验验证(如点支式玻璃幕墙点支承装置（词条“支承装置”由行业大百科提供）及玻璃孔边应力分析)。
幕墙结构分析宜考虑环境对幕墙结构的材料力学性能（词条“材料力学性能”由行业大百科提供）的影响(如湿度对结构胶)。对幕墙结构的环境影响可根据材料特点，按其抗侵蚀性的程度划分等级，设计按等级采取相应构造措施。
建立幕墙结构分析模型一般要对结构原型适当简化，突出考虑决定性因素，忽略次要因素，合理考虑构件及连接的力-变形（词条“变形”由行业大百科提供）关系因素。采用的基本假定和计算模型应能够合理描述所考虑的极限状态幕墙结构的作用效应。
2.2. 幕墙结构安全规定
2.2.1 幕墙设计应根据建筑类别、使用功能、高度、地理气候、环境、立面效果等确定建筑幕墙形式、立面分格和装置措施，满足功能和性能要求。
2.2.2 建筑幕墙对于建筑所处环境的风荷载、地震及气候特征等因素，应具有相应的适应能力与抵抗能力。在正常使用状态下，建筑幕墙应具有良好的工作性能。抗震设计（词条“抗震设计”由行业大百科提供）的建筑幕墙，在多遇地震作用下应能正常使用;在设防烈度地震作用下经一般修复后仍能继续使用;在罕遇地震作用下幕墙支承结构构件不得脱落。
2.2.3 建筑幕墙应采取防坠落和防撞破坏措施。
2.2.4 幕墙结构应根据传力途径对幕墙面板、支承结构、连接与锚固等依次设计和计算，确保幕墙的安全适用。幕墙结构应具有足够的承载能力、刚度、稳定性和相对于主体结构的位移能力。主体结构应能够承受幕墙传递的荷载和作用。幕墙与主体结构的连接应牢固可靠，锚固承载力设计值应大于连接件本身的承载力设计值。
2.2.5 幕墙结构采用以概率理论为基础的极限状态设计方法，用分项系数设计表达式计算,进行承载能力极限状态、正常使用极限状态、耐久性极限状态设计。幕墙结构效应设计值应按各作用组合中最不利取值。幕墙结构承载能力极限状态设计应使幕墙结构的抗力设计值与结构重要性系数的乘积大于等于幕墙结构的作用效应设计值。幕墙结构正常使用极限状态设计应使幕墙结构的挠度值不大于其相应限值。幕墙结构耐久性极限状态设计应使幕墙结构构件出现耐久性极限状态标志或限值的年限大于等于其设计工作年限。
2.2.6 当幕墙跨越主体结构的变形缝时，应在变形缝两侧分别独立设置幕墙支承结构、面板及其连接，相应部位应密封并能适应主体结构的变形。
2.2.7 建筑幕墙的维护及清洁方式，应提供专项设计，满足安全性、耐久性要求。安装维护清洗装置包括擦窗机应选取专用支承结构与主体结构可靠连接，连接方式经结构计算确定。
2.3. 安全措施
2.3.1 建筑幕墙加工、施工安装、检测检验、验收、使用维护时均应采取防坠落措施。
2.3.2 玻璃幕墙应采用安全玻璃。幕墙用钢化玻璃应经均质处理。玻璃面板应有防坠落的措施。高度4米以上部位不宜采用全隐框玻璃幕墙，外倾式的斜幕墙不得采用全隐框玻璃幕墙。
2.3.3 幕墙外表面与地面夹角小于75°时应不采用石材面板。
2.3.4 玻璃幕墙开启扇不得采用全隐框构造做法。应根据建筑幕墙结构的设计工作年限确定反复启闭性能，设计工作年限不小于50年时反复启闭次数为不少于5万次，设计工作年限不小于25年时反复启闭次数为不少于2.5万次。
2.3.5 建筑幕墙应采用安全环保节能材料。幕墙材料应根据环境条件对耐久性的影响，采取相应的防护措施。幕墙材料防腐蚀设计应合理确定防腐（词条“防腐”由行业大百科提供）蚀设计年限，对结构构件应加强防护。钢结构（词条“钢结构”由行业大百科提供）构件防腐蚀（词条“腐蚀”由行业大百科提供）设计应符合《钢结构设计标准》GB50017-2017之18.2的规定。铝合金结构防腐蚀设计应符合《铝合金（词条“合金”由行业大百科提供）结构设计规范》GB50429-2007之10.5的规定。
2.3.6 密封胶必须选用有效期内且通过粘结性和相容性试验的产品。硅酮结构密封胶（词条“硅酮结构密封胶”由行业大百科提供）还应通过剥离粘结性试验和邵氏硬度试验。
2.3.7 楼层外缘无实体墙的玻璃部位应采取防护措施，防护措施按《民用建筑设计统一标准》GB50352的规定设计。
2.4. 构造设计
2.4.1 建筑幕墙的构造设计须符合结构设计计算分析模型的假定，应满足安全美观的原则。幕墙结构与主体结构间的连接构造应牢固可靠且能适应主体结构和幕墙间的相互变形。
2.4.2 幕墙结构构件的连接应有可靠的防松、防脱和防滑措施，应进行节点结构分析。
2.4.3 构件式幕墙上、下立柱的连接应满足荷载及作用传递及适应层间变形。
2.4.4 构件式幕墙横梁及立柱截面（词条“截面”由行业大百科提供）应经结构计算确定尺寸。
2.4.5 幕墙立柱采用钢铝组合型材时，铝型材与钢型材之间应有防腐隔离措施并连接牢固。
2.4.6 幕墙结构构件与主体结构的连接应经结构计算确定，幕墙结构构件与主体混凝土结构应通过预埋件连接。幕墙结构构件与主体钢结构应通过转接件连接，宜在主体钢结构加工厂安装转接件。
2.4.7 幕墙密封胶的位移能力应符合设计要求，宽度和厚度应满足结构计算要求。
2.4.8 转角、弧面、异型单元板块和悬挑尺寸较大的单元板块，横梁与立柱的连接不宜单独采用螺钉承受荷载，可增加刚度较大的连接构件，经计算确定。
2.5. 支承结构设计
2.5.1 幕墙结构采用以概率理论为基础的极限状态设计方法。变形较大的幕墙结构，作用效应计算时应考虑几何非线性影响。对于复杂结构及大跨度结构，应考虑结构的稳定性。
2.5.2 构件式幕墙横梁与立柱的连接应能承受垂直于幕墙平面的水平力、幕墙平面内的垂直力及绕横梁水平轴的扭转力。螺栓、螺钉、铆钉与型材连接时尚应验算型材本体的抗剪、局部承压的连接强度。
2.5.3 构件式幕墙横梁与立柱采用角码（词条“角码”由行业大百科提供）连接时，角码应能承受横梁的剪力。
2.5.4 幕墙立柱宜采用上端悬挂方式。立柱下端支承时，应作压弯构件设计。承受轴压力和弯矩作用的立柱应验算整体稳定（词条“整体稳定”由行业大百科提供），按《铝合金结构设计规范》GB50429和《钢结构设计标准》GB50017的规定验算。梁柱双向滑动连接、销钉连接不能作为立柱的侧向约束。
2.5.5 承受轴压力和弯矩作用的立柱，长细比λ不宜大于150。
2.5.6 幕墙立柱作用效应计算时应按实际受力状况考虑最不利组合。斜幕墙立柱应考虑倾斜角度的影响。在建筑物平面转角或突变处，应对立柱截面最小抵抗矩和最小惯性矩方向作补充验算和校核。带装饰构件或遮阳（词条“遮阳”由行业大百科提供）部件的立柱考虑附加作用。
2.5.7 单元式幕墙结构计算应根据传力途径依次复核各板块及连接的承载能力和刚度，应能满足运输、吊装和使用要求。板块与主体结构的连接不应对板块产生初始应力。对吊装孔部位应专门计算设计。复核顶横梁与立柱连接、单元板块与主体结构连接时应计入相邻上单元板块传递的作用。
2.5.8 单元式幕墙结构采用对接式组合构件时，对接处横梁与立柱应分别按其所承受作用计算。
2.5.9 大型、弧面及其他异型单元板块的连接结构设计应采用有限元方法计算分析，可设置板内支撑系统加强整体刚度。
2.5.10 全玻幕墙的玻璃结构构件设计应按结构计算确定玻璃规格及连接方式;对于可能遭受偶然作用的主要结构玻璃（词条“结构玻璃”由行业大百科提供）构件，尚应进行开裂后剩余承载能力设计。高度在12米以上全玻璃幕墙的玻璃肋应进行平面外稳定验算，转角处应验算整体稳定。
2.5.11 点支式玻璃幕墙支承结构设计不计玻璃面板刚度的影响。点支承玻璃幕墙的支承结构体系采用玻璃结构时应采用空间结构有限元分析方法，必要时采用结构试验验证计算。
2.5.12 幕墙用索结构在任何荷载作用下均应保持受拉状态。幕墙索结构计算应考虑几何非线性影响。幕墙索结构与主体结构的连接应能适应主体结构的位移，主体结构应能承受幕墙索结构的支座反力。索结构挠度限值应会同主体结构设计共同确定。
2.6. 面板及其连接设计
2.6.1 幕墙面板及其连接设计，应满足建筑设计要求。应满足承载能力极限状态、正常使用极限状态、耐久性极限状态设计的要求，应具有足够的承载能力、刚度、稳定性。
2.6.2 面板厚度应经承载能力和刚度计算确定。不规则平面尺寸及弯曲异型面板应按几何非线性有限元方法计算。面板受各种荷载和作用应按本标准的规定组合，最大应力设计值不超过面板强度设计值。面板挠度值不大于最大限值。
2.6.3 面板及其连接设计应满足拆卸时不损坏其相邻部位构件和结构的要求。
2.6.4 明框玻璃面板应通过定位承托胶垫将玻璃重量传递给支承构件。超大板块应采用非线性有限元方法分析计算确定相关配合尺寸。
2.6.5 隐框或横隐竖明框玻璃面板的承托件及其支承连接应验算强度和挠度。每块面板不少于两个承托件，承托件应同时承接组成面板的所有玻璃，承托件可用铝合金或不锈钢材料。
2.6.6 隐框幕墙玻璃面板，其周边应以结构密封胶与副框粘结，并用压块将副框固定至支承框架上。硅酮结构密封胶的粘接宽度和粘接厚度经计算确定。
2.6.7 幕墙中空玻璃的硅酮结构密封胶应能承受外侧面板传递的荷载和作用，有效宽度经计算确定。
2.6.8 点支承装置设计应能适应玻璃面板在支承点处的转动变形及所传递的荷载或作用。
2.6.9 金属面板连接用螺栓、螺钉和铆钉应经计算确定。
2.6.10 石材面板应选用花岗石，石材面板应作六面防护处理。弯曲强度最小值应经法定检测机构检测确定且不应小于8.0MPa。磨光面（词条“磨光面”由行业大百科提供）板厚度应不小于25mm，火烧石板厚度取计算厚度加3mm;高层建筑及临街建筑，花岗石面板厚度应不小于30 mm。
2.6.11 建筑设计水平吊顶、外倾斜幕墙选用石材效果时，应采用仿石金属板。
2.6.12 石材面板应有防坠落设计。板块的连接和支承不应采用钢销、T形连接件、蝴蝶码和角形倾斜连接件。
2.7. 开启扇设计
2.7.1 幕墙开启扇应根据建筑设计要求选型和设置，应满足性能设计要求，开启扇结构及其与幕墙结构的连接应具有足够的承载能力和刚度，按计算确定相关构件规格尺寸，设计应符合相应建筑门窗产品标准及工程规范的规定。
2.7.2 幕墙开启扇应采取防脱落措施。幕墙开启扇不得采用全隐框构造，至少两对边采用明框构造。
2.7.3 开启扇面积应不大于1.8m2，开启间距宜不大于300mm，应设置安全限位装置。
2.7.4 幕墙开启扇应合理配置五金件，五金件应符合《建筑门窗五金件通用要求》JG/T212的规定，满足性能、安装、维护、更换要求。采用自动启闭方式时，应设置安全锁闭装置。
2.7.5 开启扇采用上悬挂式连接时，应有可靠的防滑和防脱落措施，应验算被悬挂的上横梁及连接的承载能力和刚度。
2.7.6 开启扇采用不锈钢滑撑时，其设计应符合《建筑门窗五金件 滑撑》JG/T127的规定，应设置限位撑档。
2.7.7 开启扇面积大于1.0m2时，应采用多点锁闭器。锁点规格数量应根据计算确定。
2.7.8 连接开启扇的幕墙型材局部壁厚应不小于螺钉公称直径。
3 结论
幕墙结构安全应考虑建筑要求，对对幕墙面板、支承结构、连接件与锚固件等依次设计和结构分析计算及构造处理，确保幕墙的安全适用。
作者单位：广东世纪达建设集团有限公司
