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石材幕牆的深化設計與知識

石材幕牆的深化設計通常根據設計方提供的圖紙確定石材的分格尺寸、顏色、材質、嵌縫材料等,並繪出尺寸詳盡的石材立麵圖及各複雜部位的節點詳圖,然後依各單塊石材的重量、尺寸及抗震、抗風壓等各項要求,進行相關的力學計算,確定石材的幹掛方式及龍骨體係、埋件、連接件等的尺寸規格。並在有條件的情況下,對計算結果進行現場的力學性能試驗,以確保石材幕牆的安全性。


1.石材的選擇


對於深化設計而言,應配合設計單位和建設方的工作,根據設計方對幕牆分格形式及材質顏色等建築效果的要求,向建設方提供各種石材樣本,以協助其盡快確定所用石材。通常要在對幾種石材的選擇中,應依據所掌握的石材資料,重點考慮擬用石材的表麵特征、顏色和紋理等技術性能指標。盡管石材供應商已給出了石材的物理性能指標,但石材作為一種天然材料其物理性質變化很大,因此必須重新確認,以便為石材的設計確立相應的設計指標。


2.幹掛方式的選擇


石材的幹掛方式有鋼銷式、通槽式、短槽式、背栓式等幾種形式,較常用的有短槽式和背栓式兩種,其懸掛方式比較而言,短槽式成本較低但安全性不如背栓式,通常用於石材重量不太大或安全係數要求不太高時;背栓式幹掛牢靠穩定,但成本較高,用於較大塊石材(厚度30㎜時石材麵積大於1.5㎡)或對石材安全性能要求較高時。


3.石材及幹掛體係的力學計算


首先確定幕牆所受的荷載及作用形式,然後確定石材的幹掛方式,進而確定石材板塊的計算模型,進行受力安全性計算後根據幹掛體係所受荷載值確定幹掛體係的構造形式和所用掛件、連接件、埋件及橫豎龍骨的規格尺寸。石材及其幹掛體係的設計應符合國家行業標準《金屬與石材幕牆工程技術規範》JGJ133-2001的要求。


3.1荷載的確定


計算時通常考慮材料的自重、所受風荷載及地震荷載,並根據荷載作用方式對其進行組合。其相應分項係數及組合係數都應嚴格按規範要求取用,對某些特殊的建築物,設計說明書中對相應荷載計算取值會有特殊要求,在計算時應和規範對照取其值。對幹掛體係進行計算時,應根據剛體的力的傳遞的特性,確定其所受荷載進行力學計算。有時。一些荷載不易確定時,可通過模擬試驗來確定其大小。



3.2石材的計算


石材的計算主要包括掛板板塊自身的抗彎計算和掛板與掛件銷釘連接處的抗剪計算。有時還應計算石材的熱裂應力。計算方式與石材的幹掛方式有關,本文以背栓式幹掛石材固定體係來說明。石材板所受荷載包括水平向的風荷載和地震荷載,豎向的地震荷載和石材自重。以及溫度變化產生的熱裂應力。背栓式幹掛石材典型的安裝體係是通過上下各2組(共4組)掛件將石材固定,其中石材上邊兩組掛件起支承石材重量及在垂直於石材平麵的方向上約束石材的作用,下邊的兩組掛件隻是在垂直於石材平麵的方向上起約束石材的作用。對石材進行抗彎計算時,應按四點支撐板計算其應力。其計算邊長a0、b0.所得彎曲應力設計值不應超過石材板的抗彎強度設計值;對背栓掛件在石材板上產生的剪應力進行抗剪計算時,一般根據相應的經驗公式進行計算,要求石板所受剪應力標準值不大於板材抗剪強度設計值。應注意的是,豎向剪應力隻有上排的兩組掛件承擔,而不是由全部四組掛件共同承擔。


3.3幹掛體係的設計


在石材幕牆工程中,石材幹掛體係的設計一般由施工單位獨立完成,由於幕牆作為懸掛體係的特性,幹掛體係的設計決定著幕牆的結構安全,有著特殊的重要性,而又因為其屬於隱蔽工程,尤其應得到足夠的重視。


幹掛石材體係力的傳遞


板材中的應力可通過簡化計算方法或有元程序計算得出。值得強調的是,有些特殊的石材由於其獨特的紋理特性而使石材在沿板長及板高方向的強度具有非常明顯廠的差異,須分別對這兩個不同的強度方向進行計算。另外,在計算石材於某一點達到某方向的應力的同時,必須計算其在垂直方向上的應力。


3.4石材的允許應力


根據前述石材物理性能試驗,可得到相應的石材強度指標。通常用於建築物幹掛石材的有花崗岩、大理石和石灰石等,根據各種石材特有的性能特征及施工經驗在對上述石材進行力學計算是采用的安全係數應有所不同。美國各種石材的工業協會對於相應的石材都給出了推薦使用的安全係數。如對於石灰石,美國石灰石行業推薦的設計安全係數值為8.用實驗的出的石材彎曲強度及壓縮強度除以相應的設計安全係數,即可得到時常的允許應力。



3.5石材板塊自身的抗彎驗算


對於各向異性的石材,石材板塊姿勢的抗彎驗算分為兩種情況。一是石材板塊中發生彎曲應力的點在另一方向上的應力為零,隻要此應力小於對應方向上的石材允許應力則石材板塊自身的抗彎性能滿足要求,反之則不滿足。二是石材板塊中發生彎曲應力的點在另一方向上的應力不為零,則驗算時也應該同時考慮此應力。這時可以應用內摩擦理論,設一個方向為X,另一個垂直的方向為Y,在滿足下列公式時,則石材板塊自身的抗彎性能滿足要求,反之則不滿足。


3.6銷釘孔處石材的抗剪驗算


先根據銷釘孔的深度、石材板塊的厚度等幾何參數算出銷釘孔處的深度、石材板塊的厚度等幾何參數反之則不滿足。


4.石材物理性能試驗


在為一個工程項目的石材做試驗建立設計指標時,必須取能代表所用石材的試樣,或者直接從將要用於建築物的石材中挑選試樣。幹掛石材的物理性能主要包括彎曲強度、斷裂模量、壓縮強度、吸水率及體積密度,這些指標均可通過標準試驗方法獲得,而相應的標準中都有指定的小物理性能指標。



5.現場受力性能試驗


幹掛石材理論計算的模型畢竟與現場時常的實際受力情況有所不同,為驗證理論計算結果的準確性,必須在施工現場按擬采用的幹掛石材的固定體係固定石材,然後對其逐步施加設計規定的荷載並觀察記錄其整體受力性能。**後按試驗對力學計算結果進行分析和研究,以確保幹掛石材在實際使用過程中確實具有相當的安全度。


6、施工圖設計


幹掛石材施工圖設計的依據為:建築平麵圖、立麵圖、節點大樣圖、其他專業需與幹掛石材配合的有關圖紙及其他要求和幹掛石材的計算書。施工圖設計必須做到既滿足建築師的要求,又要與現場的實際情況相吻合,施工圖設計主要包括石材的安裝立麵圖設計、石材節點大樣圖設計、石材的加工詳圖設計等。


1、安裝立麵圖設計:根據建築立麵圖的板塊分格要求,在各立麵上將不同形狀或不同尺寸的石材分別獨立編號,編號應確保並方便實用,所設計的石材安裝立麵圖應清洗表達出各立麵上所有不同種類的石材板塊。若工程的體形較複雜,為查找幹掛石材立麵圖紙方便,還應設計幹掛石材安裝立麵圖的位置索引圖,清晰的表示出建築物每個區域牆麵對應的掛板立麵編號圖編號。


2、石材節點大樣圖設計:對建築物的拐角、窗口、屋簷、及其它複雜部位石材的形狀、尺寸及連接方式,應單獨設計幹掛石材節點大樣圖,以表明這些部位石材的實際情況。


3、石材加工詳圖設計:石材安裝立麵圖及節點大樣圖經建築師批準後,即可按石材安裝立麵圖上的石材尺寸分格及節點大樣圖的細節進行加工詳圖設計,該詳圖即通常所說的石材加工單。在確定幹掛石材的具體形狀及加工尺寸時,須反複核實以確保萬無一失(尤其在采用較為昂貴的進口石材時)以免造成巨大的經濟損失。


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