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摘要：为分析幕墙结构设计要素，作者运用现有结构分析理论，对常见幕墙结构设计思路进行梳理，提出了系统的方法。结论将为幕墙结构设计提供参考。
关键词：安全等级; 可靠度; 幕墙结构极限状态设计方法; 幕墙结构设计基准期; 幕墙结构设计使用年限
幕墙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（词条“建筑幕墙”由行业大百科提供）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。
本文对幕墙结构设计的几个要素：安全等级、极限状态设计方法、可靠度水平、设计基准期、设计使用年限等进行分析，明确了以上几个结构概念。
1、幕墙结构安全等级及设计使用年限
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。
比如提高单层索网结构的安全等级所需额外费用可控，但能大程度降低整体结构破坏的可能性，保障人员生命安全，减少损失，则可将此结构构件的安全等级比整体结构的安全等级提高一级;反之，比如降低无坠落风险、高度较低幕墙的安全等级可节省大笔费用，但其破坏并不影响整体结构和其他结构构件的安全性，则可将此结构构件的安全等级比整体结构的安全等级降低一级。
1.2. 极限状态设计方法及可靠度水平
幕墙结构极限状态是整个结构或结构的一部分(如幕墙结构)超过某一特定状态就不能满足规定的某一功能要求，此特定状态为该功能的极限状态。
极限状态设计方法是不使结构超越规定极限状态的设计方法。
幕墙结构幕墙结构极限状态分为承载能力极限状态、正常使用极限状态、耐久性（词条“耐久性”由行业大百科提供）极限状态。
采用以概率理论为基础的极限状态设计方法，用分项系数（词条“分项系数”由行业大百科提供）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。
幕墙结构持久设计状况是在幕墙结构使用过程中一定出现，且持续期很长的设计状况，其持续期一般与设计使用年限为同一数量级。适用于幕墙结构使用时的正常情况。
幕墙结构短暂设计状况是在幕墙结构施工和使用过程中出现概率较大，与幕墙结构的设计使用年限相比，持续期很短的设计状况。适用于幕墙结构出现的临时情况，如施工、维修情况。
幕墙结构偶然设计状况是在幕墙结构施工和使用过程中出现概率较小，与幕墙结构的设计使用年限相比，持续期很短的设计状况。适用于幕墙结构出现的异常情况，如撞击、爆炸、火灾情况。
幕墙结构地震设计状况是在幕墙结构遭受地震的设计状况。适用于幕墙结构遭受地震的情况。
承载能力极限状态是对应于幕墙结构或结构构件达到最大承载力或不适于继续承载的变形的状态。当幕墙结构或结构构件出现下列状态之一时，就认定超过承载能力极限状态：幕墙结构构件或连接因应力超过材料强度而破坏，或应过度变形而不适于继续承载(如幕墙钢结构已经达到屈服强度，变形持续扩大，无法继续承载);幕墙结构或结构构件丧失稳定(如幕墙空间结构已经丧失稳定，如超高全玻幕墙玻璃肋结构已经侧向失去稳定，无法继续承载);幕墙结构或结构构件疲劳破坏(如幕墙开启窗结构及连接多次启闭已经疲劳破坏，无法继续承载)。
正常使用极限状态是对应于幕墙结构或结构构件达到正常使用的某一项规定限值的状态。当幕墙结构或结构构件出现下列状态之一时，就认定超过正常使用极限状态：影响幕墙正常使用或建筑外观效果的变形(如玻璃幕墙变形过大);影响幕墙正常使用的局部损坏(如石材面板有个别裂缝)。
正常使用极限状态包括不可逆正常使用极限状态和可逆正常使用极限状态。
不可逆正常使用极限状态是当产生超越正常使用的作用卸除后，该作用产生的后果不可恢复的正常使用极限状态。可逆正常使用极限状态是当产生超越正常使用的作用卸除后，该作用产生的后果可恢复的正常使用极限状态。
耐久性极限状态是对应于幕墙结构或结构构件在环境影响下出现的劣化达到耐久性能的某一项规定限值或标志的状态。当幕墙结构或结构构件出现下列状态之一时，就认定超过耐久性极限状态：影响幕墙承载能力和正常使用的材料性能劣化(如幕墙钢结构防腐涂层已经丧失保护作用，密封胶老化（词条“老化”由行业大百科提供）);影响幕墙耐久性能的裂缝、变形、缺口、外观、材料削弱(如石材面板有超过一定长度的裂缝)。
幕墙结构设计应对幕墙结构各个的极限状态分别进行分析计算。
作用是施加于幕墙结构上的力和引起幕墙结构或幕墙结构构件外加变形或约束变形的的原因。
施加于幕墙结构上的力是直接作用，即荷载。
引起幕墙结构外加变形或约束变形的原因是间接作用。
地震作用及层间变形等因素作用下，由于幕墙边界条件发生变化而产生的位移和变形属于幕墙结构外加变形。
温度变化等因素作用下，引起幕墙外部约束而产生的幕墙内部变形属于幕墙结构约束变形。
作用按照随时间的变化分为永久作用、可变作用、偶然作用。
作用效应是由作用引起的幕墙结构或幕墙结构构件的反应。包括构件截面内力(拉力、压力、剪力、弯矩（词条“弯矩”由行业大百科提供）、扭矩)及变形、裂缝。
结构抗力是幕墙结构和幕墙结构构件承受作用效应和环境影响的能力。
对幕墙结构的环境影响可分为永久影响、可变影响、偶然影响。
对幕墙结构的环境影响可具有机械的、物理的、化学的、生物的性质，有可能使幕墙结构的材料性能随时间方式不同程度的退化，行不利方向发展，降低材料力学性能，影响幕墙结构的安全性和适用性。其中环境湿度的因素最关键。
对幕墙结构的环境影响应尽量采用定量描述，也可根据材料特点，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。
幕墙结构对持久设计状况(如幕墙结构使用时正常情况)应进行承载能力极限状态设计，采用作用的基本组合;应进行正常使用极限状态设计;宜进行耐久性极限状态设计。
幕墙结构对短暂设计状况(如幕墙结构施工、维修时情况)应进行承载能力极限状态设计，采用作用的基本组合;根据需要进行正常使用极限状态设计;可不进行耐久性极限状态设计。
幕墙结构对偶然设计状况(如撞击、爆炸、火灾情况)应进行承载能力极限状态设计，采用作用的偶然组合（词条“偶然组合”由行业大百科提供）;可不进行正常使用极限状态设计;可不进行耐久性极限状态设计。
幕墙结构对地震设计状况应进行承载能力极限状态设计，采用作用的地震组合;根据需要进行正常使用极限状态设计;可不进行耐久性极限状态设计。
不可逆正常使用极限状态设计，宜采用作用的标准组合（词条“标准组合”由行业大百科提供）。可逆正常使用极限状态设计，宜采用作用的频遇组合。对于长期效应是决定性因素的正常使用极限状态设计，宜采用作用的准永久组合。
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。
幕墙结构可靠度是幕墙结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的概率。
幕墙结构可靠性是幕墙结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的能力。
幕墙结构可靠指标是度量幕墙结构可靠度的数值指标，是失效概率运算值负的标准正态分布函数的反函数。
幕墙结构设计应使幕墙结构在规定的设计使用年限内以规定的可靠度满足规定的各项功能要求。功能要求包括安全性、适用性、耐久性。
可靠度水平的设置应根据幕墙结构的安全等级、失效模式确定，对安全性、适用性、耐久性可采用不同的可靠度水平。
可靠度应采用可靠指标度量，而可靠指标应根据分析结合使用经验确定。可靠指标是度量幕墙结构构件可靠性大小的尺度，目标可靠指标是分项系数法采用的各分项系数取值的基本依据。安全等级每相差一级，可靠指标取值相差0.5。
幕墙结构持久设计状况按承载能力极限状态设计的可靠指标是以结构安全等级划分为二级时延性破坏取值3.2作为基准，其他情况相应增加减少0.5。可靠指标与失效概率运算值负相关。
幕墙结构持久设计状态按正常使用极限状态设计的可靠指标是根据作用效应的可逆程度在0至1.5间选取，作用效应可逆程度较高的可靠指标作用效应取低值，作用效应可逆程度较低的可靠指标作用效应取高值。作用效应可逆的可靠指标作用效应取0，作用效应可逆程度较低的可靠指标作用效应取1.5。
幕墙结构持久设计状态按耐久性极限状态设计的可靠指标是根据作用效应作用效应的可逆程度在1.0至2.0间选取。
1.3. 设计基准期
设计基准期是为确定可变作用的取值而选用的时间参数。设计基准期是规定的标准时段，其确定了最大可变作用的概率分布及其统计参数。
幕墙结构的设计基准期为50年，即幕墙结构的可变作用取值是按50年确定的。
1.4. 设计使用年限
幕墙结构的设计使用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。
永久作用是在设计使用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。
可变作用是在设计使用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、风荷载、雪荷载、撞击荷载、地震作用、温度作用。
偶然作用是在设计使用年限内不一定出现，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，幕墙结构的设计使用年限为25年;当界定幕墙为普通房屋和构筑物的结构构件时，幕墙结构的设计使用年限为50年;当界定幕墙为标志性建筑和特别重要的建筑结构时，幕墙结构的设计使用年限为100年。
当建筑设计有特殊规定时，幕墙结构的设计使用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，应在设计使用年限内定期检修及维护，不影响安全和正常使用。
2、结构设计及结构分析
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（词条“永久荷载”由行业大百科提供）、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。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（词条“点支式玻璃幕墙”由行业大百科提供）点支承装置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“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. 风荷载
根据《建筑结构荷载规范》规定取值。
2.3. 地震作用计算及温差变化考虑
幕墙结构构件的地震作用只考虑由自身重力产生的水平方向地震作用和支座（词条“支座”由行业大百科提供）间相对位移产生的附加作用，采用等效侧力方法计算。
对于温度作用引起的幕墙构件热胀冷缩，在构造上可以有效解决。
进行幕墙构件的承载力计算时，当重力荷载对幕墙构件的承载能力不利时，重力载荷和风载荷作用的分项系数(γG、γW)应分别取1.3和1.5;当重力荷载对幕墙构件的承载能力有利时(γG、γW)应分别取1.0和1.5。
2.4. 作用及效应计算
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,按承载能力极限状态和正常使用极限状态设计应符合下列规定：
规则构件可按解析或近似公式计算作用效应。具有复杂边界或荷载的构件，可采用有限元方法计算作用效应。采用有限元方法作结构验算时，应明确计算的边界条件、模型的结构形式、截面特征、材料特性、荷载加载情况等信息。转角（词条“转角”由行业大百科提供）部位的幕墙结构应考虑不同方向的风荷载组合。
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。复杂结构应考虑结构的稳定性。
3、结论
针对幕墙结构设计的几个要素：安全等级、极限状态设计方法、可靠度水平、设计基准期、设计使用年限、结构设计等，本文进行了其内在本质的逻辑关系分析，明确了以上几个结构概念，为理清幕墙结构设计思路建立了良好的理论基础。提出主要的观点：幕墙结构设计使用年限应在设计中规定，宜不小于50年，不得小于25年;会通过结构试验方法来证明特殊幕墙结构计算经验公式。
参考文献：
1.中华人民共和国国家标准《铝合金结构设计规范》GB50429-2007 [S]中国计划出版社
2 .中华人民共和国行业标准《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ102-2003 [S]中国建筑工业出版社
作者单位 广东世纪达建设集团有限公司
