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如何通過幕墻鋁型材優化設計降低材料成本

來源:中國幕墻工程網  作者:姜軍輝  日期:2012-9-18
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  【摘要】本文通過對幕墻鋁型材的截面特性和使用特點的初步分析,根據鋁型材設計計算理論,結合鋁型材使用的實際情況,在滿足幕墻使用性能、技術規范要求前提下,進行幕墻鋁型材的優化設計,降低材料消耗,從而降低幕墻工程成本。
  【關鍵詞】幕墻  鋁型材  設計  成本
  【中國幕墻網】1、前言
  在幕墻設計過程中,在做到安全適用、保證質量、符合相關規范要求前提下,盡量使我們的設計做到經濟合理,幕墻材料成本降低。我們知道,幕墻的材料成本,尤其是鋁型材的成本取決于幕墻的系統設計,不同形式的幕墻,其造價是不同的,而相同種類形式的幕墻,不同的設計取材,工程造價也是不一樣的。如何合理優化幕墻型材(主要立柱橫梁)設計,降低材料消耗使我們每個設計師都要面臨的問題,也是我們需要認真思索的問題,只有做到鋁型材的優化設計,合理配套使用,在滿足幕墻的使用、保證質量、方便維護良好的使用壽命的前提下,降低材料消耗,才能在投標過程中占有優勢,在施工過程中給企業帶來更大的經濟效益和社會效益。

  下面,結合我們的多年設計情況,介紹幾種型材優化設計要考慮的幾個方面,供大家參考與探索。

  2、型材截面優化設計
  在相同條件下,幕墻鋁型材的材料成本,取決于單位面積幕墻所用的鋁型材數量。也就是取決于鋁型材的截面面積,截面面積越大,所用的鋁型材重量越多,反之則相反。在設計時,在滿足荷載計算要求前提下,如何減小型材的截面面積,是型材設計需要考慮的問題。

  幕墻型材(立柱、橫梁)受力主要為彎矩作用,彎矩作用下其承載力符合下面公式要求
  σ=M/W = MY/I
  M—彎矩(N.m)
  W—在彎矩作用方向的凈截面彈性(最小) 抵抗矩(mm3
  σ—抗拉強度(N/mm2
  I—慣性矩(mm3
  Y—型心坐標(mm)。

  從上邊公式可以看出,型材(立柱、橫梁)抗拉強度取決于型材本身的抵抗矩、型心坐標與慣性矩。在單位外形尺寸、截面面積(材料重量)不變條件下,采用的型材抵抗矩、慣性矩越大,其抗拉強度越大,承受外部荷載能力越強。

  型材的撓度計算公式
  f=5 SkEL h4/(384EI)
  I—慣性矩(mm4
  SkE—荷載組合作用下最大彎曲應力標準值(N/mm2
  L—型材(立柱或橫梁)間距(mm)
  h—型材支點最大跨度(mm)
  E—鋁板沿加勁肋彈性模量(N/mm2) 鋁材E=0.7×105
  f—撓度。

  我們在使用的型材(立柱或橫梁)撓度越小越好,計算結果必須符合規范要求的范圍之內。當幕墻分格,樓層高度,線荷載都不變的情況下,撓度的大小取決于型材的慣性矩。

  在單位外形尺寸、截面面積(材料重量)不變條件下,采用的型材慣性矩越大,其撓度越小。

  圖1與圖2就是型材(立柱)的示意圖。表中為兩種圖例型材質量特性值。


  我們知道,相同截面形狀的不同截面面積的型材的抵抗矩和慣性矩是不相同的,相同截面面積的不同截面形狀的型材的抵抗矩和慣性矩也不同。截面面積影響著材料的成本,因此我們在設計中必須考慮以最少的耗材來達到我們設計理想結果。以圖1、圖2 為例,外形相同、壁厚不同形狀、截面面積相同的截面特性值做以比較。

  從上表中可以看出,型材截面面積是相同的,也就是說線密度是一樣的,如果采用相同材質的材料,用料(成本)是一樣的。但是截面特性(抵抗矩、慣性矩)是不同的,也就是抵抗變形的能力是不一樣的。本圖例中,由于幕墻主要荷載為垂直于幕墻平面作用的風荷載,因此慣性矩Ix、。抵抗矩Wx越大越好,也就是說,如保證同樣的截面特性效果,承受住相同的外力能力,采用圖1截面比較來說是省料的。

  一個幕墻設計師,不光是要考慮系統設計的合理性,還要考慮材料截面優化設計,以最省料的截面形狀來滿足幕墻承受的荷載要求。

  3、型材壁厚設計
  3.1幕墻立柱
  《玻璃幕墻工程技術規范》要求,立柱截面主要受力部位的厚度,應符合下列要求:鋁型材截面開口部位的厚度不應小于3.0mm,閉口部位的厚度不應小于2.5mm。因此,我們在幕墻立柱設計時,盡量采用截面閉口型材。
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