石材幕墙设计研究
关键词：石材幕墙；选材；构造设计；施工图设计
1前言
建筑幕墙作为一项高科技产品，在近30年的发展中日趋成熟，并且随着时间的推移，产品更新换代也越来越快。随着近年来国内建筑设计师对建筑工程外立面凹凸有致、多线角、多层次的追求，幕墙作为具有装饰效果的外围护结构，被建筑师们广泛采用来实现自己的设计风格。因此，一种既经济又安全科学的幕墙设计方案对幕墙的发展而言就显得非常重要。本文结合石材幕墙的特点及石材幕墙的施工工艺对石材幕墙的设计作如下研究。目前，石材幕墙的设计通常根据原建筑设计单位提供的石材幕墙的分格尺寸、颜色、材质等，全面考虑作用于幕墙上的各种作用效应，并对其进行合理的组合，确定最终的荷载设计值。然后，结合工程特性选择相应的立柱、横梁，并对其进行受力计算，在确保安全的基础上确定立柱、横梁的截面尺寸及预埋件的位置，最终绘出符合原建筑设计要求的分格尺寸的幕墙立面图及各部位的节点详图。
2石材选择
石材幕墙的设计，应根据原建筑设计单位对幕墙分格形式、材质、颜色等建筑效果的要求，向建设单位提供相应的石材样本，以协助建设单位确定石材。通常在石材的选择中，应重点考虑拟用石材的表面特征、颜色和纹理等技术性能指标，尽管石材供应商已提供石材的物理性能指标，但石材作为一种天然材料其物理性质变化很大，因此，必须对石材的物理性能进行检验，以符合设计要求。
3干挂方式选择
石材的干挂方式有钢销式、通槽式、短槽式、背栓式等几种形式，常用的有短槽式和背栓式两种。短槽式成本较低但安全性不如背栓式，通常用于石材板重量不大时；背栓式干挂牢靠稳定，但成本较高，用于石材板重量较大或对石材幕墙的安全性要求较高时。设计时应根据工程的实际情况确定干挂方式。
4荷载设计值的计算
荷载计算时通常应全面考虑作用于幕墙上的各种作用效应，如材料的自重、风荷载及地震作用，并对这些作用效应进行合理的组合，最终确定作用于幕墙上的荷载设计值。然后根据确定的荷载设计值按照稳定性、位移和挠度限值等方面的要求选择立柱和横梁的截面尺寸及确定预埋件的间距，确保立柱及横梁的稳定性、位移和挠度在规范《金属与石材幕墙工程技术规范》JGJ133-2001的允许范围内，不致产生过大的变形而影响幕墙的结构安全和美观。有时，对一些不易确定的荷载，可以通过模拟实验来确定其设计值，以便为设计选材提供充足的理论依据。
5石材板计算
石材板计算的主要内容有：石材板自身的抗弯强度计算、石材板与挂件销钉连接处的抗剪计算及石材板的热裂应力计算。计算方式与石材板的干挂方式有关，现以背栓式干挂石材固定体系来说明：石材板所受荷载包括风荷载、水平方向的地震作用、竖向地震作用、石材板自重以及温度变化产生的热裂应力；背栓式干挂石材板典型的安装体系是通过上下两边各2组挂件将石材板与横梁固定，其中石材板上边两组挂件起支承石材板重量及在垂直于石材板平面的方向上约束石材板的作用，下边的两组挂件只是在垂直于石材板平面的方向上起约束石材板的作用；对石材板进行抗弯强度计算时，应按四点支撑板计算其应力。所得最大弯曲应力设计值不应超过石材板的抗弯强度设计值；对背栓挂件在石材板上产生的剪应力进行抗剪计算时，一般根据相应的经验公式进行计算，要求石材板所受剪应力标准值不大于板材抗剪强度设计值。
6干挂体系设计
在石材幕墙设计中，干挂体系的设计一般由施工单位完成，干挂体系的设计关系着幕墙的结构安全，有着特殊的重要意义，又因其属于隐蔽工程，更应对其足够重视。
板材中的最大应力可通过简化计算方法或有元程序计算得出。值得强调的是：有些特殊的石材由于其具有独特的纹理而使石材板在沿板的两个方向的强度具有显著差异，需分别对其两个不同方向进行强度计算。另外，在计算石材板于某一点达到某方向的最大应力的同时，必须计算其在垂直方向上的应力。
对于各向异性的石材板，石材板块姿势的抗弯验算分为两种情况。一是石材板块中发生最大弯曲应力的点在另一方向上的应力为零，只要此最大应力小于对应方向上的石材答应应力则石材板块自身的抗弯性能满足要求，反之则不满足。二是石材板块中发生最大弯曲应力的点在另一方向上的应力不为零，则验算时也应该同时考虑此应力。
干挂石材的物理性能主要包括弯曲强度、断裂模量、压缩强度、吸水率及体积密度，这些指标均可通过标准试验方法获得，相应的规范标准对这些物理指标都有限值的要求。
7施工图设计
石材幕墙施工图设计的内容有：安装立面图、石材节点大样图、石材加工详图、立柱和横梁材料的选择及相应的计算书等。施工图设计必须做到既要满足建筑师的要求，又要符合现场的实际情况。
安装立面图设计：根据建筑立面图的板块分格要求，在各立面上将不同外形或不同尺寸的石材分别独立编号，编号应确保唯一并方便使用，所设计的石材安装立面图应清析地表达出各立面上所有不同种类和形状的石材板块。若工程的体形较复杂，为查找干挂石材板立面图纸方便，还应设计干挂石材安装立面图的位置索引图，清楚的表示出建筑物每个区域墙面对应的挂板立面编号图编号。
石材节点大样图设计：对建筑物的拐角、窗口、屋檐、及其它复杂部位石材的外形、尺寸及连接方式，应单独设计干挂石材节点大样图，以表明这些部位石材的实际情况。
石材加工详图设计：石材安装立面图及节点大样图经建筑师批准后，即可按石材安装立面图上的石材尺寸分格及节点大样图的细节进行加工详图设计，该详图即通常所说的石材加工单。在确定干挂石材的具体外形及加工尺寸时，需反复核实以确保万无一失以免造成巨大的经济损失。
幕墙干挂石材与室外散水交接处的设计：采用在室外石材干挂墙体底端沿建筑物放置聚苯板(聚苯板尺寸：高度为：50mm，宽度为石材饰面板出墙尺寸另加20mm)的做法，既减弱了建筑物在沉降过程中，地面产生的反力对干挂石材板的破坏，又消除了冬季基土受冻膨胀挤压石材的季节性影响；另外，也可以使室外石材干挂墙体底端的石材板与室外散水坡留出20－30mm的缝隙，然后用建筑密封胶封填，因建筑密封胶有一定的弹性，可保证建筑在出现较小的沉降时不会破坏建筑的石材幕墙。
8结语
目前幕墙干挂石材设计，设计单位通常只提供立面分格形式和少量节点图，其细致程度无法达到依图施工的程度，因此，石材板及相关的干挂体系的深化设计工作就非常必要。干挂石材的设计必须按照相关规范，依严格的程序进行，其力学计算结论要与现场的力学性能试验结果相吻合。
参考文献：
[1]侯茂盛，陈建东，赵西安等.金属与石材幕墙工程技术规范JGJ133-2001.北京：中国建筑工业出版社，2001.
[2]徐正忠，王亚勇等.建筑抗震设计规范GB50011-2001.北京：中国建筑工业出版社，2001.
[3]许东,李永清,姜清海.干挂花岗岩幕墙节点设计探讨.施工技术,2003(6):11-12.
[4]陈建东.金属与石材幕墙工程技术规范应用手册.北京:中国建筑工业出版社,2001.
