“幕墙钢结构”专业体系初探，一个幕墙与钢结构专业的交叉学科

摘要：  随着幕墙设计行业的发展与壮大，为幕墙设计配套的幕墙钢结构专业也发展起来。作为一个幕墙与钢结构专业的交叉学科，有其自身的特殊性。因其相对年轻之缘故，一直未形成自身的理论知识系统和专业技能体系，这给日常设计工作带来不少困扰、思想混乱、甚至障碍，行业发展迫切需要构建幕墙钢结构理论知识系统和专业技能体系。本文从幕墙钢结构理论与研究、工作与实践、规范与案例三个方面来重点系统化讲述幕墙钢结构理论知识与专业技能体系构建之必要性与其所其包含的主要内容，并对构建幕墙钢结构理论知识与专业技能体系进行初步探索。

关键词： 幕墙、钢结构、设计标准、制图标准、节点图库

0 引言

幕墙钢结构专业作为钢结构和幕墙的交叉学科专业，它内在本质是钢结构体系一个分支，其功能和表现形式却是为了服务幕墙，已经发展为一个从业人数众多的独立专业。但长久以来，一直未见对此专业进行系统化理论知识总结和专业技能体系构建的相关著作或者技术文件出现，这为行业的规范化发展带来极大不便，也为从业人员的理论知识增长和专业技能培训积累造成障碍

图1 幕墙钢结构理论知识与专业技能体系总图谱

和思想混乱。不管是该专业目前发展现状，还是未来进一步发展都需要进行理论知识总结和专业技能进行系统化构建。

1 幕墙钢结构的定义与主要内容

到底什么是幕墙钢结构，目前尚无明确的定义。一般来说，狭义上的幕墙钢结构为幕墙设计配套的雨篷钢架、门头钢架、立面幕墙钢架、出屋面边缘幕墙钢架、采光顶钢架和汽车坡道钢架。广义上的幕墙钢结构是除了上述钢架外，还包括屋顶塔架、建筑之间连廊钢架、观光电梯井道钢架、建筑内部夹层钢架以及户外楼梯甚至室内楼梯，小区景观小品钢结构等，由土建设计院分包于幕墙设计院来完成的区别于主结构的次要附属结构。

2 构建幕墙钢结构理论的主要内容，方法与初步成果

对于幕墙钢结构专业理论构建工作主要围绕着上节所述其主要工作内容展开。包括埋件、雨篷钢架结构、立面钢架结构、屋顶钢架结构等。而对于理论知识来源方法则主要有两类：归纳和演绎。归纳就是把日常设计工作中碰到的问题、问题讨论过程、问题解决方案进行知识积累，积累过程不断实现由点到面的突破，进行抽象化系统化归纳，从而最终形成理论化成果。这个过程可以理解为幕墙钢结构理论构建过程中理论来源方法的唯物论。而演绎则是拿其它学科理论知识或者最前端的研究成果，当然主要是主体结构设计理论进行幕墙钢结构化改造处理后演变成幕墙钢结构设计理论。这个可以理解为幕墙钢结构理论来源中的辩证法。而就其历史源头来说应该可以追溯到发表于《幕墙设计》2016年第5期(十月号、总第59期)的那篇《从屋顶钢塔设计谈幕墙钢结构的概念设计》论文(论文后被《建筑工业》期刊2018年度会议论文集收录)，该论文首次初步系统性地阐述了幕墙钢结构的概念设计理论问题，点燃了幕墙钢知识理论与技能体系构建重任的星星之火。

幕墙钢结构理论研究工作已经取得一定程度的进展，其成果主要包括如图一所示22篇论文(随着后期的不断增益，最终会达到25篇左右)，其中有12篇已经发表在相关期刊发表，另 7篇已经完成初稿，会在近一两年内陆续在相关专业刊发表。有兴趣的读者可以回读相关论文和持续关注后期发表工作。这些论文集群涵盖了荷载、埋件、雨篷、立面钢架、电梯井道钢架以及屋顶钢架甚至玻璃、铝板计算在内的幕墙结构几乎所有部分，从理论上清晰明确地论述了这类结构的力学特征与设计思路。

3 幕墙钢结构理论的实践应用

任何理论必须能够指导我们的实践和服务于工程项目才有具体实际意义。幕墙钢结构理论亦不例外。故工作与实践应该成为幕墙钢结构知识理念与专业技能体系构建工作的中心和重点。如图一所示，这块内容主要有五个部分：分别是设计标准、制图标准以及节点图库、对员工进行专业技能培训或者考核的专业库题以及工作中常用到的制图与计算软件、对这些软件进行二次开发或者单独开发专业软件的编程开发工具。

图2 幕墙钢结构设计标准内容总览

3.1对于幕墙钢结构理论必须落地到具体实践项目才能够发挥其强大的指导意义。一般来说，设计标准是理论变成具体实践的中介和桥梁，它是将理论知识与实践以及日常经验具体化、条理化的重要技术文件。因为幕墙钢结构体量较小，相对于传统主体结构其传力路径有其自身的特征：一、设计时必须要考虑其支座主体结构承载力和刚度;二、自重较轻，如荷载中水平作用较大;三、需要考虑温度作用;四、因幕墙装饰的属性，故其在设计过程中需要考虑美观问题。幕墙钢结构的这些特性使其在设计工作中有自身独特的设计特性和设计思路。常规的主体结构设计思维不尽合适，故专门编制一套设计标准是必要的。幕墙钢结构设计标准内容总览详见图2所示。

3.2而目前来说我们的设计思想则必须通过制图来给予表达，正确明晰的制图规则是设计师将设计思想充分完整明晰地传达给相关其实专业人员的必要保证。故一个所有相关技术人员遵守的制图规则是必要的。另外制图上亦同主体结构制图不同，幕墙钢结构需要大量表达同主体结构的关系、构件相对较小、比例偏大、方位变换较多、节点设计更为精细，这些特征使得幕墙钢结构制图时采用主体结构的制图标准有不尽合理的地方，故编制专门的幕墙钢结构制图标准亦是必要和可行的。制图标准内容总览详见图3。

图3 幕墙钢结构制图标准内容总览

3.3专业幕墙钢结构节点图库是一种可提高设计师制图速度，提高设计效率的优秀工具。亦可为初入行年轻设计师提供一个快速进步，尽早在技术上成熟起来的捷径。所以一个全面与优秀的节点图库亦是构建幕墙钢结构理论知识和设计技能时必须子项之一。幕墙钢结构节点图库的整体内容详见图4。图库截至目前为止共收录386个常用幕墙钢结构节点。涵盖了钢结构焊接大样、预埋件与后埋件节点、特殊支座节点、梁梁连接节点、梁柱连接节点、抗震框架节点、拉杆节点、以及幕墙钢结构设计师知识技能拓展用的楼承板作法节点、简单砌体结构，简单独立基础、条形基础、桩基础、简单混凝土框架作法、混凝土结构加固甚至简单膜结构等。

3.4设计一套对幕墙钢结构设计师有效的能力考核办法，是促进和提高设计专业能力的有效手段。以考核题目的形式出现，将一些设计师在工作中容易犯的问题、容易忽视之处、甚至概念完全错误的地方等这些琐碎专业的知识点以题库考点的形式出现，既可以考核量化设计师的工作能力，又可以起到对设计疑难点进行有效预警作用。最终目的是提高设计师的理论水平和设计技能，从而提高工程设计质量。例如，判断正误题型中的第一题：“高强螺栓分为承压型和摩擦型，因为抗剪机理完成不同，故其采购和安装时预拉力值以及施扭工艺必须严格区别，不可混用”。这是针对众多钢结构设计师一个错误概念而来，实质上，高强螺栓从生产、采购和施工来说，并没有任何区别，更没有承压型和摩擦型区分，甚至其施工方法也是完全一样的，施加的预拉应力也是完全一样的，其区别主要是节点抗剪原理，节点板加工时是否制作摩擦面。真正的区分是连接原理，所以正确的提法应该是摩擦型连接或者承压型连接，而非设计师经常提到的摩擦型高强螺栓和承压型高强螺栓。显然，这样的题目设置对于纠正设计师的错误知识概念，建立正确的知识概念是非常有意义的。笔者编制的专业题库目前共包括判断正误、单项与多项选择、分析与计算三类题目共计二百小题。均来自日常幕墙钢结构设计工作实践，后期会不断增益和完善。

3.5专业软件是设计师日常必须用到的设计工具，幕墙钢结构所需要的专业软件用分三类。第一类是制图类软件，包括常用的Auto CAD 、Sketch Up等，是平面制图和三维建模的必要工具。第二类是结构计

图4 幕墙钢结构节点图库内容总览

算软件，主要是Sap2000、Midas、3D3S等。主要是进行结构计算时，力学仿真计算和规范校核的。第三类是各种编程开发语言工具，主要包括VB、VC、 C#、Python等，主要为进行专业软件开发所准备。市场上专业软件一般是为通用制图与仿真计算准备，故其专业化程度未必很高。另外，因为多为非专业人员开发，不可避免地会存在一些不顺手甚至完全错误的地方，故由幕墙钢结构专业人士根据自己工作实践需求开发实用结构软件是必要的。例如，日常工作中常用的后埋件锚栓计算软件多为某国际知名锚栓品牌商提供，该计算软件是根据欧盟相关锚栓计算标准编制而来，同中国标准JGJ145《混凝土结构后锚固技术规程》有相当多不一致的地方，并不完全符合中国实际情况。

图5 幕墙钢结构相关软件

更何况中国设计师使用该软件进行计算时，后埋件内力是根据中国标准计算而来的，这种前端荷载与效应(S)按中国标准计算，而后端承载力(R)按欧盟标准计算，然后来对比与判定锚栓安全性中西混用做法显然是有问题的。而根据JGJ145《混凝土结构后锚固技术规程》手算后埋件则是一个相当繁琐与耗时的过程，效率极为低下。这种情况下，设计师自己编写软件就是有强烈必要性的。而系统性的介绍和推荐一些专业开发语言工具，为一些有能力的设计师进行专业能力拓展准备是具有现实意义的。同时，随着年轻设计师的高学历化越来越明显，计算机水平也越来越高，这也为设计师开发出高质量的专业软件提供了可能性和人才与知识准备。幕墙结构设计师常用的专业软件如图5所示。图6为本人所编写的《预埋件、后埋件与植筋计算软件》主界面，该软件可实现锚栓布置的动态编辑，可自动生成word计算书文件，以及DWG格式AutoCAD文件。除了全部依据中国规范进行编制为，对幕墙钢结构常用的预埋件、后埋件与植筋三种连接方式进行整合为一计算软件，显然对于提升幕墙钢结构连接的计算效率是非常有益的。

图6 预埋件、后埋件与植筋计算软件主界面

4幕墙钢结构相关的国家规范与案例

现行相关国家规范是本行业群体经验和群体理论高度应用化总结。是我们的设计依据，亦是专业技术人员进行设计和沟通时的依据。一个优秀设计师不仅应当熟悉规范相关条文字面含义，更应该了解掌握这规定这些条文之意图和精神，并能够灵活地加以运用。故对同幕墙钢结构相关的我国现行规范进行深入解读是必要的，如图1所示，本图谱详细列出了十六本规范(个别规范仅涉及其中部分章节)。

此外，随着全球化进展加速，海外项目亦大量出现，这就要求设计师必须了解相关国际主流标准规范相关理论知识，特别是国家地域性比较强的荷载(主要指风和地震以及雪荷载)统计与计算方法，当地采购材料性能指标等以及这类材料计算方法与性能指标我国标准规范统计方法的比较等。如果不能够熟练掌握，在海外项目设计计算工作中就可能因一个小的知识点欠缺而引起计算或设计缺陷造成巨大工程损失。例如，风荷载计算中涉及到一个基本风速确定问题，而各国基本风速确定时采用的测速高度、风场场地状况、粗糙度与统计方法均有所不同。一个重要参数叫风速标准时距，就是统计风速所使用时间段长短。这个数据国际上各国风荷载标准中是不同的：美国、印度、澳大利亚取3秒，而我国、前苏联、日本、国际标准化组织取10分钟，而英国、加拿大则取为1小时。各种风速标准时距的换算关系见下表1(表中具体换算数据来自国际标准化组织ISO)。

表1 各种不同时距风速平均比值

根据表中数据，最常用的3秒钟风速时距同10分钟风速时距的换算问题系数是1.42，注意这与我国规范JGJ131《金属与石材幕墙工程技术规程》中规定的1.5修正系数略有差异(而国际标准化组织中推荐的与瞬时风速的修正系数为1.5，此规程虽然言明根据来自国际标准化组织，但将3秒风速的修正值采用1.5，也许有规范制定者自己的考虑)。

经典幕墙钢结构设计案例分析亦是设计师熟悉设计理论，快速提高自身设计水平的有效手段。故在专业技能体系中应包括数个典型的设计案例,实际上，在理论构建部分二十二篇论文中已经包含了亚洲基础建设投资银行总部大楼项目立面高大幕墙钢架等不少案例分析。后期会继续提供雨篷、立面、电梯井道钢架、屋顶典型设计案例等，全方位提高设计师理论水平和设计经验。

5总结

虽然幕墙钢结构理论不过只是结构理论与规范体系森林中的一颗小草，但从以上自身的内容来看，这颗小草的丰富和完善亦可成长为参天大树。行业的发展需要各位同行的共同努力。水平有限，希望各位同行来共同为幕墙钢结构理论知识与专业技能体系的构建添砖加瓦和精细打磨，以期早日将其建成高楼大厦。

道长且险且艰，任重且急且宽，但前行的途中不会停歇。相信随着幕墙行业的发展，理论与实践的不断丰富和完善，加上行业内众多同仁的共同努力，构建幕墙钢结构理论知识与专业技能体系的宏伟目标必将实现!

作者单位：浙江中南建设集团有限公司

  作者： 梁曙光 符旭晨

  来源： 2021论文集、中国幕墙网、钢结构设计