如何通過幕墻鋁型材優化設計降低材料成本

　　【中國幕墻網】1、前言
　　在幕墻設計過程中，在做到安全適用、保證質量、符合相關規范要求前提下，盡量使我們的設計做到經濟合理，幕墻材料成本降低。我們知道，幕墻的材料成本，尤其是鋁型材的成本取決于幕墻的系統設計，不同形式的幕墻，其造價是不同的，而相同種類形式的幕墻，不同的設計取材，工程造價也是不一樣的。如何合理優化幕墻鋁型材（主要立柱、橫梁）設計，降低材料消耗使我們每個設計師都要面臨的問題，也是我們需要認真思索的問題，只有做到鋁型材的優化設計，合理配套使用，在滿足幕墻的使用、保證質量、方便維護良好的使用壽命的前提下，降低材料消耗，才能在投標過程中占有優勢，在施工過程中給企業帶來更大的經濟效益和社會效益。

　　下面，結合我們的多年設計情況，介紹幾種型材優化設計要考慮的幾個方面，供大家參考與探索。

　　2、型材截面優化設計
　　在相同條件下，幕墻鋁型材的材料成本，取決于單位面積幕墻所用的鋁型材數量。也就是取決于鋁型材的截面面積，截面面積越大，所用的鋁型材重量越多，反之則相反。在設計時，在滿足荷載計算要求前提下，如何減小型材的截面面積，是型材設計需要考慮的問題。

　　幕墻型材（立柱、橫梁）受力主要為彎矩作用，彎矩作用下其承載力符合下面公式要求
　　σ=M/W = MY/I
　　M—彎矩（N.m）
　　W—在彎矩作用方向的凈截面彈性（最小） 抵抗矩（mm³）
　　σ—抗拉強度（N/mm²）
　　I—慣性矩（mm³）
　　Y—型心坐標（mm）。

　　從上邊公式可以看出，型材（立柱、橫梁）抗拉強度取決于型材本身的抵抗矩、型心坐標與慣性矩。在單位外形尺寸、截面面積（材料重量）不變條件下，采用的型材抵抗矩、慣性矩越大，其抗拉強度越大，承受外部荷載能力越強。

　　型材的撓度計算公式
　　f=5 SkEL h4/(384EI)
　　I—慣性矩（mm⁴）
　　SkE—荷載組合作用下最大彎曲應力標準值（N/mm²）
　　L—型材（立柱或橫梁）間距（mm）
　　h—型材支點最大跨度（mm）
　　E—鋁板沿加勁肋的彈性模量（N/mm2） 鋁材E=0.7×105
　　f—撓度。

　　我們在使用的型材（立柱或橫梁）撓度越小越好，計算結果必須符合規范要求的范圍之內。當幕墻分格，樓層高度，線荷載都不變的情況下，撓度的大小取決于型材的慣性矩。

　　在單位外形尺寸、截面面積（材料重量）不變條件下，采用的型材慣性矩越大，其撓度越小。

　　圖1與圖2就是型材（立柱）的示意圖。表中為兩種圖例型材質量特性值。

　　我們知道，相同截面形狀的不同截面面積的型材的抵抗矩和慣性矩是不相同的，相同截面面積的不同截面形狀的型材的抵抗矩和慣性矩也不同。截面面積影響著材料的成本，因此我們在設計中必須考慮以最少的耗材來達到我們設計理想結果。以圖1、圖2 為例，外形相同、壁厚不同形狀、截面面積相同的截面特性值做以比較。

　　從上表中可以看出，型材截面面積是相同的，也就是說線密度是一樣的，如果采用相同材質的材料，用料（成本）是一樣的。但是截面特性（抵抗矩、慣性矩）是不同的，也就是抵抗變形的能力是不一樣的。本圖例中，由于幕墻主要荷載為垂直于幕墻平面作用的風荷載，因此慣性矩Ix、。抵抗矩Wx越大越好，也就是說，如保證同樣的截面特性效果，承受住相同的外力能力，采用圖1截面比較來說是省料的。

　　一個幕墻設計師，不光是要考慮系統設計的合理性，還要考慮材料截面優化設計，以最省料的截面形狀來滿足幕墻承受的荷載要求。

　　3、型材壁厚設計
　　3.1幕墻立柱
　　《玻璃幕墻工程技術規范》要求，立柱截面主要受力部位的厚度，應符合下列要求：鋁型材截面開口部位的厚度不應小于3.0mm，閉口部位的厚度不應小于2.5mm。因此，我們在幕墻立柱設計時，盡量采用截面閉口型材。

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