大板块镂空穿孔铝板无加强筋设计研究

　　50年代初建成的纽约利华大厦和纽约联合国大厦是最早具有代表性的“玻璃幕墙”,此后至今许多著名的建筑都以玻璃幕墙作为外部装饰,但是近些年人们越来越意识到玻璃幕墙节能及光污染问题的严重性,而解决问题方式之一是采用镂空材料作为围屏布置在玻璃幕墙外围,并和建筑实体间隔一定的距离，形成了玻璃-镂空板双层幕墙。镂空围屏既是一种装饰材料,凸显建筑物的个性特征,同时很好的解决了玻璃幕墙所引起的光污染问题,环保节能优势显著.目前镂空材料多采用金属板,按其装饰形式可分为以下几种形式:

　　1）.冲孔平板装饰类2）.镂空板装饰类 3）.冲孔压型板4）.冲孔图案装饰类5）.凹凸孔板装饰类6）.格栅装饰类7）.局部点状装饰体

　　穿孔铝板幕墙技术介绍

　　早期穿孔铝板多数运用在吊顶中，但近几年、越来越多的穿孔板运用到外装饰幕墙中，形成玻璃-穿孔铝板双层幕墙，所为双层幕墙是当今生态节能建筑中被广泛关注的一项先进技术，被誉为“可呼吸的皮肤”。它主要针对传统单层玻璃幕墙耗能高，室内空气质量差等缺陷，采用双层幕墙作为围护结构，提供自然通风和采光，增加室内空间舒适度，降低能耗，从而较好地解决了自然采光和节能之间的矛盾。

　　穿孔铝板-玻璃幕墙应用的主要技术瓶颈

　　技术瓶颈之一：适用分格小

　　穿孔铝板-玻璃幕墙在建筑物的作用上属于建筑装饰范围,但由于它是建筑物的外围护结构,虽不承受主体建筑物的荷载、但要承受风荷载、地震作用和温度变化作用,所以玻璃—穿孔铝板幕墙在满足装饰的同时,必须满足风压、地震作用和温度变化对它的影响,这样才能使幕墙具有足够的安全性。但是如果当铝板分格大于600mm左右时，就需要采取加强措施来满足这些要求，这就可能会影响了穿孔板的通透性和艺术效果,因此这样的穿孔板多数用于层间小分格幕墙处.

　　技术瓶颈之二：大分格需要加强筋

　　如果要在非层间大分格幕墙处采用穿孔板，在满足风压、地震作用和温度变化等要求时，就需要加强筋来增加板的强度，但如果加强筋正处于人的视线范围内时，会给人一种非常不舒适的感觉，因此大分格--加筋穿孔板多运于设备间或采光顶处。

　　1.3.3．技术瓶颈之三：受穿孔率限制的加工及制作要求

　　穿孔铝板是指在铝板上面进行冲孔加工得到的铝板，孔型有圆孔、方孔、棱形孔、三角形孔、五角星孔、长圆孔等。穿孔率是指穿孔面积范围内，穿孔孔眼的总面积占整个面积的百分数。

　　1）根据目前机械设备，最高穿孔率能达到65%左右，并要求穿孔板尺寸在1500*3000范围内，如果超出此范围，冲孔就需要二次定位，很容易出现“阴阳面”效果。

　　2）穿孔铝板的穿孔率越高，对成形后的铝板平整度影响越大，检验标准要低于正常铝板的相应规定。

　　大板块穿孔铝板无加筋设计与试验

　　无加强筋铝板设计要点及工程介绍

　　本设计的原型建筑是墨西哥BBVA银行工程，其主楼外形由框架开放式双层幕墙组成，建筑高度234.85米；共52层，外层面材采用三种不同穿孔率的铝穿孔板，并且在四个立面进行不同形式组合。整个建筑造型新颖，色彩富于变化，充满青春的气息，配合夜晚展现在建筑物的灯光效果，融入墨西哥城优美的环境中，成为墨西哥标志性建筑。

　　工程难点就是外层幕墙面材为3mm菱形穿孔铝板，边长为1.7米，对角线尺寸为2686mm*2100mm,孔直径为5mm,最高穿孔率为67%。根据本工程风洞试验数据，这种尺寸的穿孔铝板如果想满足强度要求，必须采取加强措施。

　　穿孔铝板设计方案

　　方案一：下图所示，在穿孔板内侧增加两道加强筋，这对穿孔铝板整体通透性及建筑的外视效果造成很大影响。

　　方案二：无限增大板的厚度,但这样成本过高，我们无法接受;

　　方案三：更换板的材质,如换成钢的,材料的防腐处理又会给我们带来更大的困扰,穿孔率这么高,孔与孔之间板连接尺寸最小处只有0.8mm,一旦出现锈点后,很快会造成板块局部脱落,带来安全隐患，并且也影响视觉效果。

　　本项目为了增加穿孔板的抗风压性能，经反复讨论研究，决定利用膜结构设计原理，让穿孔铝板实现X，Y，Z三个方向的约束，通过约束力来抵抗风荷载的作用，实现不加筋但又满足计算要求。

　　依据风洞试验风压，利用有限元分析软件ANSYS进行1：1模似分析后再与1：1样件实际试验结果进行对比分析，确认方案的可行性。

　　试验方法与结果对比.

　　1)试验板块安装过程

　　先将穿孔率为67%穿孔铝板固定在下图所示钢架子上，与钢架连接方式如图所示。再通过对内六角螺栓组件M8*100施工预紧力，用扭矩板手对每个螺栓施加一定的预紧力确保穿孔板面平整度，这样实现穿孔铝板X，Y方向的约束，最后通过EPDM胶板厚度调整压板和穿孔铝板之间间隙,保证压板压紧穿孔铝板,实现穿孔铝板Z方向的约束。

　　2)对板块逐级增加均布荷载并与计算结果对比

　　按下图所示，对已实现X，Y，Z三个方向约束的穿孔铝板施加荷载，BBVA工程风洞实验报告提供内层最大风压为2.0KPA。

　　根据记录结果看,100%荷载时,穿孔板的最大挠度变形为8 mm。试验结果优于有限元分析结果，我们通过ANSYS计算分析结果-最大挠度为11.11 mm。试验证明此方案能够用于工程实际，保证了穿孔铝板的挠度在工程许可范围内。

　　方案运用在实际工程中并进行试验室测试

　　通过以上实验和计算结果,基本证明对大板块穿孔铝板在X，Y，Z三个方向约束时，可以实现不加筋的方案后,我们将这种结构运用到BBVA实际工程中,下图为工程节点,并通过实验室模拟动态风速进行测试，也证明了方案的可行性。

　　在工程现场安装样件

　　通过照片大家可以看到, 穿孔板平整，无变形，在阳光的照射下,穿孔板就像玻璃,可以从外面隐约看到内层幕墙,而从室内看室外时也同样通透,让人们获得了很好的视觉效果和艺术效果。

　　总结

　　众所周知穿孔铝板幕墙有如下技术特点：

　　1．安全可靠

　　结构施工中充分考虑到自重、风荷载特对幕墙的影响和关键部位节点的安全。

　　2．结构轻巧、稳定

　　轻质铝板结合穿孔的应用减轻了材料自重，对结构承重、杆件设计的轻巧十分有利。

　　3．立面简洁生动

　　外层铝板通过有规律的穿孔形成图案，使简洁的立面造型丰富、活泼生动。

　　4．利于环保，节约能源

　　中空LOW-E玻璃的应用使幕墙的保温隔热性能大大提高，外层穿孔铝板大大降低了玻璃的遮阳系数，起到了很好的遮阳作用，从而减少了太阳辐射对室内的影响，阻挡了直射阳光，防止眩光，使室内照度分布均匀，有助于视觉的正常工作。

　　5．工艺简单，安装、维修方便

　　内外层幕墙施工工艺与同一般幕墙，便于施工；内外幕墙中间形成400~600mm宽通道，便于维修和幕墙维护。

　　因此，采用双层玻璃-穿孔铝板双层幕墙,虽然增加了投资成本,但是双层幕墙在长期的使用过程中节能降耗效果显著,可收到可观的经济效益.因此,从长远的使用过程来看双层幕墙的节约成本优势显著.此处,穿孔铝板作为外墙装饰,增加了外墙装饰的多样性,丰富了立面效果,适用于大型公共建筑中推广。