广晟国际大厦石材幕墙设计探讨.doc

广晟国际大厦石材幕墙设计探讨摘 要：近年来，建筑幕墙随着高层建筑的崛起而迅速发展，超高 层石材幕墙工程也越来越多，本文通过对国内最高的石材幕墙-广晟国际 大厦石材幕墙的设计进行分折探讨，对同类工程具有一定的参考价值关键词：幕墙设计;超局层石材幕墙;单元式石材幕墙石材面板因其天然美感、高贵典雅、坚固耐久的特点，在幕墙中得到 广泛应用近几年来，随着我国经济实力的增强，在超高层建筑中采用石 材幕墙的也越来越多，位于广州珠江新城的广晟国际大厦，单元式石材幕 墙建筑高度达280. 05米，为目前国内最高的石材幕墙广晟国际大厦位于珠江新城B1-6地块，为一栋地下6层、地上60 层、幕墙建筑高度达313. 5m的超高层办公楼总建筑面积155045m2,外 立面采用玻璃、石材幕墙，其中玻璃幕墙面积约34000m2,石材幕墙面积 32000m2,塔楼采用的为单元式幕墙，笔者有幸参与了本工程的设计与施 工，本文主要就对其中的单元式石材幕墙的设计进行分折探讨1石材面板的选择？做为外围护结构的石材幕墙宜选择花岗石虽然幕墙石材面板不承受主体结构的荷载，但它处于建筑物的外表面，除承受本身自重外，还要承受风荷载，地震作用和温度变化作用的影 响，因此要求石材必须安全可靠。

石材幕墙用的石材是天然材料，其材质 均匀性较差，弯曲强度离散性大，属于脆性材料，在生产、开采、加工过 程中难免产生一些轻微的内伤，很难被发现，且它的重要性能取决于矿物 成份和结构，但取样测试出的上述一系列性能，每块试样均有差别，不如 工业品那样差别小由于取材面的不同，所测性能也不会完全一致何况 一座山上取成千上万块石材，应该理解，天然产品和工业产品取材检测结 果其代表性是有明显的差别外墙建筑石材建议选用花岗岩因花岗岩主要的结构物质是长石和 石英，主要化学成分是镁、铁、钙、钾的硅酸盐及少量的钛、镒、铁氧化 物，因此具有下列特性：?耐酸、耐碱、耐腐蚀抗拉、抗压、抗剪切力较强抗压强度为100-300Mpao ?硬度较高，肖氏硬度一般为60-110孔隙率低、吸水率低一般为0.1-0.7%耐磨性较好耐冻性强，可以受100-200次以上冻融循环耐久性好，使用年限为75-200年体积密度为2.5-3.0t/in3由于花岗石具有上述特点，因此更适合选为石材幕墙的面板 而作为石材幕墙的优质天然花岗岩面板原材料具体要求如下：？(1) 物理性能：？体积密度不小于2. 8g/cm； ?二氧化硅含量不小于75%； ?吸水率不大于0.8%； ?干燥压缩强度不小于120Mpa； ?抗压强度不小于131Mpa； ?弯曲强度不小于8Mpa； ?线膨胀系数不大于8.4X10??-6?/ Co ?(2) 所采用的石材确保证符合现行国家建材行业标准JC79、JC202、 JC204、JC205、JC9966 的要求；?每一种外墙石材均来自同一矿产，并由一供应商提供，以保证品种、 纹理、色泽及质量的统一。

所有外墙石材均无瑕疵、缺陷或颜色一致等不全要求的现象；？选用石材的厚度经过计算后确定或图纸要求的厚度，所有外露的花 岗面(包括外露石边及作抛光及打磨处理)均匀同表面一样处理石材连接部位应无崩坏、暗裂及起砂等缺陷；其它部位崩边不应大 T* 5mmX2ihiti,缺角不应大于20mm,时可修补后使用，但每层修的石板块 数应不大于2%,用于立而不明显部位；？石材的长度、宽度、厚度、直角、异型角、半圆弧形状、异型材及 花纹图案造型、石标兵的外形尺寸均应符合设计要求；？石材板厚度限制在设计厚度土 1颇，表面平整无明显凹凸毛边石板 在石材加工厂作切割、磨边、开槽、钻孔，切割各边误差不能有正工差， 负公差不超过-1. 5mm,矩形板材要求对角线误差控制在2mni之内2石材面板的计算？风压根据广东省建筑科学研究院提供的风洞试验报告结果进行取 值根据典型石材分格及其所处的不同位置，对应的极值综合风压有 -5. 10、-4. 50 两种1) 800 X 1017mm 板块？石材板块自重:Gk = 0. 84 Kpa?风压值:Wk= -5. 10 Kpa?地震作用：qek=5 X 0. 08 X 0. 84=0. 336 Kpa?组合荷载:W=l.4X5. 10+0.5X1.3X0.336=7.36 Kpa?根据有限元方法采用STAAD/CHINA 2005进行计算。

2. 10 Mpa?(2) 1450X 1017mm 板块？石材板块自重：Gk = 0.84 Kpa?风压值：Wk= -5. 10 Kpa?地震作用:qek=5X 0.08X0. 84=0.336 Kpa?组合荷载：W=1.4X5. 10+0.5X 1. 3X0. 336 = 7.36 Kpa?根据有限元方法采用STAAD/CHINA 2005进行计算o =2. 63 Mpa?(3) 1450X 1142mm 板块？石材板块自重：Gk = 0.84 Kpa?风压值：Wk=-5. 10 Kpa?地震作用：qek=5X0. 08X0. 84=0. 336 Kpa?组合荷载：W=l. 4X5. 10+0.5X1. 3X0. 336=7.36 Kpa?根据有限元方法采用STAAD/CHINA 2005进行计算R=L76 KN o =2.84 Mpa?（4）石材板块理论计算结果汇总？不同石材分格在不同风压及支撑条件下理论计算结果汇总表：？注：按《金属与石材幕墙工程技术规范》，石材总安全系数为3.0, 其中风荷载安全系数为1.4,材料安全系数为3.0/1.4 = 2.15按规范， 石材平均抗弯强度最小值为8.0Mpa,剔除材料本身安金系数，按设计值荷 载进行控制的石材面板的许用应力值为8. 0/2. 15=3. 72Mpao ?由汇总表可见，石材最小总安全系数达到4.0,比规范规定的安全系 数3. 0高出33. 3%,在面板强度的理论计算上，进一步提高石材幕墙的可 靠性和安全性。

3石材的连接方式的选择？目前，国内应用比较成熟的石材连接方式主要有以下几种：钢销式、 短槽支承式、通槽支承式、小单元式、背栓式石材幕墙构件由石材面板 和金属框架等组成，其变形能力很小，只能通过弹性连接来避免主体结构 大侧移的影响因此认真研究分析石材面板与骨架的连接方式对于提高石 材幕墙的平面内位移变形性能和抗震性能非常重要3.1本工程石材采用开缝式背栓连接，具有以下优点：?3.1.1石材背面采用锚栓连接，连接强度高背栓式连接可以减小 石材面板的支承间距，从而减小石板承受的弯曲应力，减薄板的厚度，并 可实现石材的无内应力加工组合3.1.2板块直接挂装在铝合金上，定位锁紧挂件可实现调整，保 证挂点精度而旦板块抗变形能力强，满足抗震性能要求挂接安装便捷, 现场工作量小，施工速度快3.1.3采用开放式结构，接缝处不打密封胶，装配感强，外饰效 果好，而且由于不使用密封胶，无硅油渗出，外表不吸附灰尘，因而无污 染现象3.1.4为了防止石材板块的左右窜动，设计了定位块，对巳安装的 板块进行限位3.2石材连接采用背栓式连接的技术要求如下：?3.2.1背拴开孔要求：使用间距式安装，板材的保留厚度始终是定 值，所以钻孔深度根据石材厚度而调整，而石材孔型与背栓的儿何形状相 匹配，只有满足石材保留厚度和石材孔型，钻出来的孔才能算合格；？3.2.2石材与背栓的连接，采用四个背栓，孔中到板边距离不大于 250mm或边长的20%,不小于3T或lOOnrnu ?背栓及孔的构造要求如下表：？3.2.3背栓的选用？由面板计算结果可知，背栓所受的最大反力为：？拉力：N=2.36 KN,剪力:V二0.31 KN?采用德国慧鱼背栓，按照厂家技术资料，M6背栓的抗拉拔力一般在3. 5〜9. 5KN之间，通过选用较好的石材面板，已经可以保证规范要求的3. 0总安全系数。

但由于本工程为超高层建筑，石材安装高度大大超过《金属与石材 幕墙工程技术规范》的适用高度，且背栓连接处为石材板块悬挂安全的重 中之重，为此，选用质量可靠的德国慧鱼M8背栓，进一步提高石材幕墙 的可靠性、安全性根据厂家技术资料，背栓的极限拉力一般在6.5〜 10. 5KN 之间石材总安全系数为3. 0,荷载安全系数为1.4,材料安全系数为2. 15, 按一般情况考虑，M8背栓的许用拉力在3.0〜4.9KN之间，大于背栓最大 反力N=1.76 KN,满足设计要求根据石材背栓的拉拔试验报告，背栓极限抗拉力为:？N二4.87KN，总安全系数达到：v=4. 8/(1. 76/1. 4)=3. 87,可大大提 高石材幕墙的可靠性4石材支撑骨架的设计？广晟国际大厦的单元式石材幕墙有其特殊性，其一，石材幕墙位于 超高层，受外力的荷载非常苛刻；其二，石材面板突出幕墙面达400mm, 构件的受力及安全性挑战比较大本工程采用铝框架结构作为石材的支 承，防腐性好，整体性强，受力状态好，结构安全可靠的特点，但铝框架 的连接点为其结构薄弱点，通过强化其连接处的构造，达到安全可靠的目 的4. 1铝合金支撑骨架的计算?单元式石材板块的支撑骨架如下图：？取连续两个楼层，将骨架按实际尺寸采用STAAD/CHINA结构设计软 件整体建模计算，如下图。

强度校核：?由计算结果可知：？铝合金立柱最大应力为：？0 1=97. 83Mpa < 150 Mpa,满足设计要求总安全系数=150/98X 1.8=2. 80） ?外桁架铝合金梁最大应力为：?o2=61.21 Mpa < 90 Mpa,满足设计要求总安全系数二90/61. 2X1.8=2.65） ?刚度校核：？由计算结果可知：？铝合金立柱的挠度为：?水平面内方向:dx = 5. 86mm<4450/180=24. 72 mm,满足要求水平面外方向：dz = 7. 48 mm<4450/180=24. 72 mm,满足要求外桁架铝合金梁的挠度为：？垂直面内方向:dy=2. 46-1. 85=0. 61mm<3. 0 mm,满足要求水平面外方向:dz = 9. 76-7.33=2.43 mm<1397/180=7. 76 mm,满足 要求结果说明：?按照规范规定，铝合金型材总安全系数为L8,此处石材幕墙龙骨, 我们在设计过程中预留了足够的富余量，总安全系数达到2. 65,比规范的 1.8安全系数高出47%o ?按照规范规定，铝合金最小厚度可以做到2. 5mm,在本工程石材幕墙 系统中，单元式立柱最小壁厚达到了 3.0mm,单元式立柱前方的铝合金方 通骨架局部壁厚更是达到了 4. 0mm,提高了系统的稳定性及可靠性。

4.2铝合金骨架内部可靠性保证？由计算结果可知，在立面及侧向荷载作用下，平面上槽型桁架在直 角转角处存在较大的弯矩，此处连接点是保证整个石材骨架稳定性的关键 点之一，最大弯矩为：?M= 0. 51 KNm=510000 Nmm直角转角处连接局部放大图如下：？不利截面验算：？不利截面特性如下：?截而应力：？o -M/W=510000/13772=37 Mpa < 90 Mpa 满足设计要求总安全系数=90/37X 1.8=4.4） ?连接螺丝（ST6.3）及局部承压计算：？螺丝承受剪力作用，受力最大为：?V==2097 < 18.06*245=4425 N 0K?杆件局部承压能力：？NBC=3X 6. 3X185=34。