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摘要：随着我国建筑幕墙行业的发展，玻璃及石材幕墙在我国各大城市之中得到广泛的应用，取得良好的效果，石材幕墙的设计关系到幕墙的使用安全。本文主要根据工程实际，对石材幕墙设计的探析。
关键词：石材幕墙 设计
1 工程概况
该工程东西长90.0m，南北宽93.5m地上23层，地下2层，总建筑面积73669m2，建筑总高度97.80m。主体采用框架一剪力墙结构。外墙大部分为封边式干挂石材幕墙约19932m2。外墙做法200mm厚轻集料混凝土小型空心砌块+60mm厚挤塑板保温层+28mm厚品白玉火烧面石材板。建筑防火设计分类为一类，建筑耐火等级为I级。防雷设计为二类。建筑抗震设防类别为丙类，抗震设防烈度8度。设计基本地震加速度0.20g，设计地震分组为第一组。抗风设计地面粗糙度为C类，基本风压0.45kN/m2。
2 深化设计分析
石材幕墙工程的实施，涉及到原设计、深化细部设计、材料供应、构配件制作以及施工安装等多家单位。但要保证工程的顺利实施，必须做到各参建单位的协调统一。因为幕墙工程专业性比较强，因而必须由专业化的设计和施工单位来完成具体工作。
1）石材幕墙的深化设计，通常是根据原设计方提供的图纸确定石材的精确分格尺寸、颜色、材质、嵌缝材料等，并绘制出尺寸详尽的石材图纸及各复杂部位的节点详图。然后依据各单块石材的重量、
尺寸及抗震、抗风压等各项要求，进行相关力学计算，确定石材干挂方式及龙骨体系、埋件、连接件等尺寸规格。并在可能的条件下，对计算结果进行现场力学性能试验，以确保石材幕墙的安全稳定性。
2）在石材及干挂体系的力学计算方面，首先要确定幕墙所受荷载及作用形式，然后确定石材的干挂方式，进而确定石材板块的计算模型。同时进行受力安全性计算。最后根据干挂体系所受荷载值确定干挂体系的构造形式和所用挂件、连接件、埋件及横竖龙骨的规格尺寸。因干挂体系的设计决定着幕墙的结构安全，所以石材幕墙及其干挂体系的设计应严格执行国家行业标准及规范的要求。
3）在荷载确定方面，石材幕墙计算时通常要考虑材料的自重、所受风荷载及地震荷载，并根据荷载作用方式对其进行组合。其相应分项及组合系数都应严格按照规范要求取用。如有特殊要求，在设计计算时应和规范相对照，取其不利最大值；对于干挂体系计算中，应根据刚体力的传递特性，确定其所受荷载并进行力学计算。有时，当一些荷载不宜确定时，可通过模拟试验方法来确定其大小。
3 设计校核计算
3.1 风荷载计算
依据JGJ133-2001《金属与石材幕墙工程技术规范》第5.2.3条和GB50009-2001《建筑结构荷载规范》（2006年版），计算作用于幕墙上的风荷载的标准值。可按下式计算：
本工程石材幕墙设计计算时，仅考虑墙面风荷载，而没有考虑墙角风荷载是不全面的。即便在墙面与墙角设计方案一致的情况下，由于该建筑物外形凹凸不规则，风荷载较大，墙角部位也较多，故也应取不利的墙角风荷载进行验算。即
体形系数：（墙面），（墙角）
对建筑标高（25m以下段幕墙）：本工程地面粗糙度按c类25m高计算：
=0.45kN/m2，=1.88；=-1.0（墙面），=-1.8（墙角）；=0.92
墙面：=1.88×1.0×0.92×0.45=0.78kN/m2，取1.00kN/m2；
墙角：=1.88×1.8×0.92×0.45=1.40kN/m2
在幕墙墙面与墙角采用统一的龙骨设计方案时，应采用较为不利的墙角风荷载进行计算
取=1.40kN/m2。
对建筑标高（25～100m段幕墙）：本工程地面粗糙度按c类100m高计算：
=0.45kN/m2，=1.60；=-1.0（墙面），=-1.8（墙角）；=1.70
墙面：=1.60×1.0×1.70×0.45=1.22kN/m2；
墙角：=1.60×1.8×1.70×0.45=2.20kN/m2
在幕墙墙面与墙角采用统一的龙骨设计方案时，应采用较为不利的墙角风荷载进行计算，
取=2.20kN/m2。
3.2石材面板荷载组合
1）正常使用极限状态：正常使用极限状态下，一般不考虑不同的效应组合。仅考虑风荷载或永久荷载单独作用时的变形或挠度情况。故S=
（考虑重力荷载的作用）；
S==K（考虑风荷载的作用）。
2）承载能力极限状态：由于幕墙暴露在室外，受风载影响較为显著，风荷载作用效应比地震作用效应大，应作为第一可变作用，其组合值系数取1.0；地震作用作为第二可变荷载时，组合系数按幕墙规范规定取0.5。故
（重力作用不利）；
S=1.0G+1.0×1.4W+0.5×1.3E（重力作用有利）
3.3材料性质
3.4对建筑标高25～100m段幕墙主要受力件典型单元校核计算
1）本工程立柱采用热镀锌80x42x5x8mm厚槽钢背对背搭接，承载宽度1200mm。当荷载近似按均布计算时（计算简图如图1）
a.荷载组合挠度计算：
石材传递重力荷载标准值（竖直方向）：=2800×99.8×0.028×1.2=923N/m：
石材传递水平风荷载标准值（水平方向）：-=2200×91.2=2640N/m。
b.通过建立有限（ANSYS）模型，其计算结果：水平方向最大位移为16.28mm。
c.依据允许挠度（JGJ133-2001：5.6.5）钢型材：=L/300mm，横梁（跨度1200mm）；=4000/300=13.4mm =16.28mm>=13.4mm
此式表明：立柱的挠度验算不能满足GB50009-2001，GB50017-2003规范要求。需对原设计立杆讲行调整。
d.荷载组合强度计算：
石材传递重力荷载设计值（竖直方向）：=923×1.2=1107.6N/m
石材传递水平方向荷载设计值（风和地震组合）：=2200x1.2=4140N/m
e.建立有限（ANSYS）模型，其计算结果：最大弯曲应力：-204.05N/mm2
最大弯曲拉应力：208.205N/m2
最大剪切应力：122.768N/mm2
相当应力（第四强度理论）：
=296.411N/mm2
依据材料特性指标，允许抗弯应力的限值：=215N/mm2
允许抗剪应力的限值拭=125N/m2
单轴拉伸时的许用拉应力：f=215N/mm2
结果表明：在有限计算中，相当应力（第四强度理）=296.411N/mm2≥f=215N/mm2
立柱强度不能满足GB50009-2001，GB50017-2003规范要求。所以需对原设计立柱槽钢进行调整。
2）本工程横梁采用50mm×4mm厚等边角钢，承载面板计算高度660mm，计算算跨度1200mm。计算简图如图2。
a.荷载组合挠度计算：
石材传递重力荷载标准值（竖直方向）：=2800×9.8×0.028×0.66×1.06/2=269N
石材传递水平风荷载标准值（水平方向）：=2.2×0.6×1.06/2=700N
b.通过建立有限（ANSYS）模型，其计算结果：水平方向最大位移：3.962mm；竖直方向最大位移：0.81mm；总体最大位移：4.045mm。
c.依据允许挠度（JGJ133-2001：5.6.5）；
钢型材，=L/300mm，横梁（跨度1200mm）；=1200/300=4.0mm。
≈
d.荷载组合强度计算：石材传递重力荷载设计值：P=1.2×269=323N
石材传递水平荷载设计值：P-=3.45×0.66×1.06/2=1.207KN/m2=1207N
e.通過有限（ANSYS）模型，其计算结果：最大弯曲压应力：-176.16N/mm2；最大弯曲拉应力：100.12N/mm2；最大剪切应力：34.023N/mm2。依据材料特性指标，允许抗弯应力限值：=215N/mm2。允许抗剪应力限值=125N/mm2.
单轴拉伸时的许用拉应力：f=215N/mm2。相当应力（第四强度理论）=176.161N/mm2≤f=215N/mm2。
上式结果表明：在有限计算中，当横梁的相当应力（第四强度理论）强度基本满足规范要求的前提下，而横梁的挠度验算与GB50017-2003规范要求有偏差时，为安全起见，有必要对原模梁设计方案进行调整。
4结语
1）通过对该项目石材幕墙深化设计分析及设计过程中的思考与探索，设计人员虽对上述方案进行了整改，但此事表明作为项目的有关各方，加强对幕墙设计图纸、计算书等的认真审核，既是对幕墙设计施工公司保证按规范设计，又是保证主体工程安全的重要措施和必要手段。
2）由干石材幕墙在高层建筑中的防火性能较差，因而在幕墙设计中必须加强防火、防雷设计意识，严格执行相关令业设计“规范”中的有关条款。
其设计方案必须经过原设计单位及相关人员的审查，必要时组织令家论证。要严格执行“规范”中有关挠度取值的标准和适用范围，不能混淆。当石材幕墙构架的立柱与横梁在风荷载标准值作用下，对钢型材的相对挠度取值不应大于L/300，绝对挠度不应大于15mm。而不能采用玻璃幕墙对钢龙骨挠度要求的L/250。
3）当按风荷载或锚固力计算石板厚度和框架主次龙骨时，我们必须用安全系数来补偿强度的不均匀。要依据GB50009-2001《建筑结构荷载规范》参照JGJ133-2001《金属与石材幕墙工程技术规范》，在幕墙设计风荷载和荷载组合时，应全面考虑风力在建筑物表面分布的不均衡性。既要考虑墙面风荷载，又要考虑墙角风荷载；既要考虑建筑物的高度，更要考虑建筑物外形凹凸的不规则性；既要考虑正常使用极限状态，还要考虑承载能力极限状态。在龙骨设计方案的选取上，应采用较为不利的荷载极限状态进行计算和审核。
4）由干石材幕墙的干挂方式不同，通常在选择时必须全面考虑，既要牢固稳定、安全性高，又要降低成本。当石材的干挂方式确定后，除要对石材进行计算，包括挂板板块自身的抗弯计算和挂板与挂件销钉连接处的抗剪计算外，有时还应计算石材的热裂应力。对有些特殊的石材，由于其独特的纹理特性而使其在沿板长及板高方向的应力强度，具有非常明显的差异。在此，通过简化计算方法或有限程序计算法分别对两个不同的强度方向进行计算。
5）石材幕墙深化设计中，既要满足建筑美学的要求，又要与现场的实际情况相吻合。设计出的成果必须要具体、全面、真实反映该工程总体情况并满足石材幕墙的安装、加工等施工应用技术规程和条件。总之，只要全面加深对相关规程规范的理解并认真执行，才能使设计出的产品更加完美、安全。
关键词：石材幕墙 设计
1 工程概况
该工程东西长90.0m，南北宽93.5m地上23层，地下2层，总建筑面积73669m2，建筑总高度97.80m。主体采用框架一剪力墙结构。外墙大部分为封边式干挂石材幕墙约19932m2。外墙做法200mm厚轻集料混凝土小型空心砌块+60mm厚挤塑板保温层+28mm厚品白玉火烧面石材板。建筑防火设计分类为一类，建筑耐火等级为I级。防雷设计为二类。建筑抗震设防类别为丙类，抗震设防烈度8度。设计基本地震加速度0.20g，设计地震分组为第一组。抗风设计地面粗糙度为C类，基本风压0.45kN/m2。
2 深化设计分析
石材幕墙工程的实施，涉及到原设计、深化细部设计、材料供应、构配件制作以及施工安装等多家单位。但要保证工程的顺利实施，必须做到各参建单位的协调统一。因为幕墙工程专业性比较强，因而必须由专业化的设计和施工单位来完成具体工作。
1）石材幕墙的深化设计，通常是根据原设计方提供的图纸确定石材的精确分格尺寸、颜色、材质、嵌缝材料等，并绘制出尺寸详尽的石材图纸及各复杂部位的节点详图。然后依据各单块石材的重量、
尺寸及抗震、抗风压等各项要求，进行相关力学计算，确定石材干挂方式及龙骨体系、埋件、连接件等尺寸规格。并在可能的条件下，对计算结果进行现场力学性能试验，以确保石材幕墙的安全稳定性。
2）在石材及干挂体系的力学计算方面，首先要确定幕墙所受荷载及作用形式，然后确定石材的干挂方式，进而确定石材板块的计算模型。同时进行受力安全性计算。最后根据干挂体系所受荷载值确定干挂体系的构造形式和所用挂件、连接件、埋件及横竖龙骨的规格尺寸。因干挂体系的设计决定着幕墙的结构安全，所以石材幕墙及其干挂体系的设计应严格执行国家行业标准及规范的要求。
3）在荷载确定方面，石材幕墙计算时通常要考虑材料的自重、所受风荷载及地震荷载，并根据荷载作用方式对其进行组合。其相应分项及组合系数都应严格按照规范要求取用。如有特殊要求，在设计计算时应和规范相对照，取其不利最大值；对于干挂体系计算中，应根据刚体力的传递特性，确定其所受荷载并进行力学计算。有时，当一些荷载不宜确定时，可通过模拟试验方法来确定其大小。
3 设计校核计算
3.1 风荷载计算
依据JGJ133-2001《金属与石材幕墙工程技术规范》第5.2.3条和GB50009-2001《建筑结构荷载规范》（2006年版），计算作用于幕墙上的风荷载的标准值。可按下式计算：
本工程石材幕墙设计计算时，仅考虑墙面风荷载，而没有考虑墙角风荷载是不全面的。即便在墙面与墙角设计方案一致的情况下，由于该建筑物外形凹凸不规则，风荷载较大，墙角部位也较多，故也应取不利的墙角风荷载进行验算。即
体形系数：（墙面），（墙角）
对建筑标高（25m以下段幕墙）：本工程地面粗糙度按c类25m高计算：
=0.45kN/m2，=1.88；=-1.0（墙面），=-1.8（墙角）；=0.92
墙面：=1.88×1.0×0.92×0.45=0.78kN/m2，取1.00kN/m2；
墙角：=1.88×1.8×0.92×0.45=1.40kN/m2
在幕墙墙面与墙角采用统一的龙骨设计方案时，应采用较为不利的墙角风荷载进行计算
取=1.40kN/m2。
对建筑标高（25～100m段幕墙）：本工程地面粗糙度按c类100m高计算：
=0.45kN/m2，=1.60；=-1.0（墙面），=-1.8（墙角）；=1.70
墙面：=1.60×1.0×1.70×0.45=1.22kN/m2；
墙角：=1.60×1.8×1.70×0.45=2.20kN/m2
在幕墙墙面与墙角采用统一的龙骨设计方案时，应采用较为不利的墙角风荷载进行计算，
取=2.20kN/m2。
3.2石材面板荷载组合
1）正常使用极限状态：正常使用极限状态下，一般不考虑不同的效应组合。仅考虑风荷载或永久荷载单独作用时的变形或挠度情况。故S=
（考虑重力荷载的作用）；
S==K（考虑风荷载的作用）。
2）承载能力极限状态：由于幕墙暴露在室外，受风载影响較为显著，风荷载作用效应比地震作用效应大，应作为第一可变作用，其组合值系数取1.0；地震作用作为第二可变荷载时，组合系数按幕墙规范规定取0.5。故
（重力作用不利）；
S=1.0G+1.0×1.4W+0.5×1.3E（重力作用有利）
3.3材料性质
3.4对建筑标高25～100m段幕墙主要受力件典型单元校核计算
1）本工程立柱采用热镀锌80x42x5x8mm厚槽钢背对背搭接，承载宽度1200mm。当荷载近似按均布计算时（计算简图如图1）
a.荷载组合挠度计算：
石材传递重力荷载标准值（竖直方向）：=2800×99.8×0.028×1.2=923N/m：
石材传递水平风荷载标准值（水平方向）：-=2200×91.2=2640N/m。
b.通过建立有限（ANSYS）模型，其计算结果：水平方向最大位移为16.28mm。
c.依据允许挠度（JGJ133-2001：5.6.5）钢型材：=L/300mm，横梁（跨度1200mm）；=4000/300=13.4mm =16.28mm>=13.4mm
此式表明：立柱的挠度验算不能满足GB50009-2001，GB50017-2003规范要求。需对原设计立杆讲行调整。
d.荷载组合强度计算：
石材传递重力荷载设计值（竖直方向）：=923×1.2=1107.6N/m
石材传递水平方向荷载设计值（风和地震组合）：=2200x1.2=4140N/m
e.建立有限（ANSYS）模型，其计算结果：最大弯曲应力：-204.05N/mm2
最大弯曲拉应力：208.205N/m2
最大剪切应力：122.768N/mm2
相当应力（第四强度理论）：
=296.411N/mm2
依据材料特性指标，允许抗弯应力的限值：=215N/mm2
允许抗剪应力的限值拭=125N/m2
单轴拉伸时的许用拉应力：f=215N/mm2
结果表明：在有限计算中，相当应力（第四强度理）=296.411N/mm2≥f=215N/mm2
立柱强度不能满足GB50009-2001，GB50017-2003规范要求。所以需对原设计立柱槽钢进行调整。
2）本工程横梁采用50mm×4mm厚等边角钢，承载面板计算高度660mm，计算算跨度1200mm。计算简图如图2。
a.荷载组合挠度计算：
石材传递重力荷载标准值（竖直方向）：=2800×9.8×0.028×0.66×1.06/2=269N
石材传递水平风荷载标准值（水平方向）：=2.2×0.6×1.06/2=700N
b.通过建立有限（ANSYS）模型，其计算结果：水平方向最大位移：3.962mm；竖直方向最大位移：0.81mm；总体最大位移：4.045mm。
c.依据允许挠度（JGJ133-2001：5.6.5）；
钢型材，=L/300mm，横梁（跨度1200mm）；=1200/300=4.0mm。
≈
d.荷载组合强度计算：石材传递重力荷载设计值：P=1.2×269=323N
石材传递水平荷载设计值：P-=3.45×0.66×1.06/2=1.207KN/m2=1207N
e.通過有限（ANSYS）模型，其计算结果：最大弯曲压应力：-176.16N/mm2；最大弯曲拉应力：100.12N/mm2；最大剪切应力：34.023N/mm2。依据材料特性指标，允许抗弯应力限值：=215N/mm2。允许抗剪应力限值=125N/mm2.
单轴拉伸时的许用拉应力：f=215N/mm2。相当应力（第四强度理论）=176.161N/mm2≤f=215N/mm2。
上式结果表明：在有限计算中，当横梁的相当应力（第四强度理论）强度基本满足规范要求的前提下，而横梁的挠度验算与GB50017-2003规范要求有偏差时，为安全起见，有必要对原模梁设计方案进行调整。
4结语
1）通过对该项目石材幕墙深化设计分析及设计过程中的思考与探索，设计人员虽对上述方案进行了整改，但此事表明作为项目的有关各方，加强对幕墙设计图纸、计算书等的认真审核，既是对幕墙设计施工公司保证按规范设计，又是保证主体工程安全的重要措施和必要手段。
2）由干石材幕墙在高层建筑中的防火性能较差，因而在幕墙设计中必须加强防火、防雷设计意识，严格执行相关令业设计“规范”中的有关条款。
其设计方案必须经过原设计单位及相关人员的审查，必要时组织令家论证。要严格执行“规范”中有关挠度取值的标准和适用范围，不能混淆。当石材幕墙构架的立柱与横梁在风荷载标准值作用下，对钢型材的相对挠度取值不应大于L/300，绝对挠度不应大于15mm。而不能采用玻璃幕墙对钢龙骨挠度要求的L/250。
3）当按风荷载或锚固力计算石板厚度和框架主次龙骨时，我们必须用安全系数来补偿强度的不均匀。要依据GB50009-2001《建筑结构荷载规范》参照JGJ133-2001《金属与石材幕墙工程技术规范》，在幕墙设计风荷载和荷载组合时，应全面考虑风力在建筑物表面分布的不均衡性。既要考虑墙面风荷载，又要考虑墙角风荷载；既要考虑建筑物的高度，更要考虑建筑物外形凹凸的不规则性；既要考虑正常使用极限状态，还要考虑承载能力极限状态。在龙骨设计方案的选取上，应采用较为不利的荷载极限状态进行计算和审核。
4）由干石材幕墙的干挂方式不同，通常在选择时必须全面考虑，既要牢固稳定、安全性高，又要降低成本。当石材的干挂方式确定后，除要对石材进行计算，包括挂板板块自身的抗弯计算和挂板与挂件销钉连接处的抗剪计算外，有时还应计算石材的热裂应力。对有些特殊的石材，由于其独特的纹理特性而使其在沿板长及板高方向的应力强度，具有非常明显的差异。在此，通过简化计算方法或有限程序计算法分别对两个不同的强度方向进行计算。
5）石材幕墙深化设计中，既要满足建筑美学的要求，又要与现场的实际情况相吻合。设计出的成果必须要具体、全面、真实反映该工程总体情况并满足石材幕墙的安装、加工等施工应用技术规程和条件。总之，只要全面加深对相关规程规范的理解并认真执行，才能使设计出的产品更加完美、安全。