夏國芳浙江廣藝
建筑裝飾工程有限公司
摘要：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)等各個階段，介紹
干掛石材的全過程設(shè)計(jì)。
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；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㎜時石材面積大于1.5㎡)或?qū)κ陌踩阅芤筝^高時。
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，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，一些荷載不易確定時，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，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，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，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)算時也應(yīng)該同時考慮此應(yīng)力。這時可以應(yīng)用內(nèi)摩擦理論，設(shè)一個方向?yàn)閄，另一個垂直的方向?yàn)閅，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(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。
4 石材物理性能試驗(yàn)
在為一個工程項(xiàng)目的石材做試驗(yàn)建立設(shè)計(jì)指標(biāo)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(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)。干掛石材理論計(jì)算的模型畢竟與現(xiàn)場時常的實(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?br>
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。
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區(qū)域墻面對應(yīng)的掛板立面編號圖編號。
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。
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，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)以免造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。
6 結(jié)語
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。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。
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