 1、前言
在幕墙设计过程中，在做到安全适用、保证质量、符合相关规范要求前提下，尽量使我们的设计做到经济合理，幕墙材料成本降低。我们知道，幕墙的材料成本，尤其是铝型材的成本取决于幕墙的系统设计，不同形式的幕墙，其造价是不同的，而相同种类形式的幕墙，不同的设计取材，工程造价也是不一样的。如何合理优化幕墙铝型材（主要立柱、横梁）设计，降低材料消耗使我们每个设计师都要面临的问题，也是我们需要认真思索的问题，只有做到铝型材的优化设计，合理配套使用，在满足幕墙的使用、保证质量、方便维护良好的使用寿命的前提下，降低材料消耗，才能在投标过程中占有优势，在施工过程中给企业带来更大的经济效益和社会效益。
下面，结合我们的多年设计情况，介绍几种型材优化设计要考虑的几个方面，供大家参考与探索。
2、型材截面优化设计
在相同条件下，幕墙铝型材的材料成本，取决于单位面积幕墙所用的铝型材数量。也就是取决于铝型材的截面面积，截面面积越大，所用的铝型材重量越多，反之则相反。在设计时，在满足荷载计算要求前提下，如何减小型材的截面面积，是型材设计需要考虑的问题。
幕墙型材（立柱、横梁）受力主要为弯矩作用，弯矩作用下其承载力符合下面公式要求
σ=M/W = MY/I
M—弯矩（N.m）
W—在弯矩作用方向的净截面弹性（最小） 抵抗矩（mm3）
σ—抗拉强度（N/mm2）
I—惯性矩（mm3）
Y—型心坐标（mm）。
从上边公式可以看出，型材（立柱、横梁）抗拉强度取决于型材本身的抵抗矩、型心坐标与惯性矩。在单位外形尺寸、截面面积（材料重量）不变条件下，采用的型材抵抗矩、惯性矩越大，其抗拉强度越大，承受外部荷载能力越强。
型材的挠度计算公式
f=5 SkEL h4/(384EI)
I—惯性矩（mm4）
SkE—荷载组合作用下最大弯曲应力标准值（N/mm2）
L—型材（立柱或横梁）间距（mm）
h—型材支点最大跨度（mm）
E—铝板沿加劲肋的弹性模量（N/mm2） 铝材E=0.7×105
f—挠度。
我们在使用的型材（立柱或横梁）挠度越小越好，计算结果必须符合规范要求的范围之内。当幕墙分格，楼层高度，线荷载都不变的情况下，挠度的大小取决于型材的惯性矩。
在单位外形尺寸、截面面积（材料重量）不变条件下，采用的型材惯性矩越大，其挠度越小。
图1与图2就是型材（立柱）的示意图。表中为两种图例型材质量特性值。
我们知道，相同截面形状的不同截面面积的型材的抵抗矩和惯性矩是不相同的，相同截面面积的不同截面形状的型材的抵抗矩和惯性矩也不同。截面面积影响着材料的成本，因此我们在设计中必须考虑以最少的耗材来达到我们设计理想结果。以图1、图2 为例，外形相同、壁厚不同形状、截面面积相同的截面特性值做以比较。
从上表中可以看出，型材截面面积是相同的，也就是说线密度是一样的，如果采用相同材质的材料，用料（成本）是一样的。但是截面特性（抵抗矩、惯性矩）是不同的，也就是抵抗变形的能力是不一样的。本图例中，由于幕墙主要荷载为垂直于幕墙平面作用的风荷载，因此惯性矩Ix、。抵抗矩Wx越大越好，也就是说，如保证同样的截面特性效果，承受住相同的外力能力，采用图1截面比较来说是省料的。
一个幕墙设计师，不光是要考虑系统设计的合理性，还要考虑材料截面优化设计，以最省料的截面形状来满足幕墙承受的荷载要求。
3、型材壁厚设计
3.1幕墙立柱
《玻璃幕墙工程技术规范》要求，立柱截面主要受力部位的厚度，应符合下列要求：铝型材截面开口部位的厚度不应小于3.0mm，闭口部位的厚度不应小于2.5mm。因此，我们在幕墙立柱设计时，尽量采用截面闭口型材。
在幕墙设计时，考虑幕墙玻璃副框及开启扇安装尺寸要求，外形尺寸受到限制，不能缩小宽度尺寸，我们采用型材计算时，可能壁厚2.5mm就可以满足要求了，但若采用开口型材，为了满足规范要求，就必须采用3.0mm壁厚铝型材。材料重量增加，成本加大。
3.2幕墙横梁
《玻璃幕墙工程技术规范》要求，当横梁跨度不大于1.2m时，铝合金型材截面主要受力面部位的厚度不应小于2.0mm；当横梁跨度大于1.2m时，铝合金型材截面主要受力面部位的厚度不应小于2.5mm。如果设计计算2.0mm厚度横梁满足要求，我们尽量不要将横梁跨度大于1.2m，已接近1.2m为宜。
3.3幕墙装饰型材
幕墙装饰型材比如：扣盖、扣座、装饰封边等，这些型材虽说是壁厚都是比较薄，相比较重量较轻，但是，由于这些材料（工件）只是装饰作用，除了自身安装强度达到要求外，不参与承受幕墙荷载。因此，如果将这些装饰性的材料参与幕墙的受力，也将节约材料成本。
（1）尽量采用闭口截面的铝型材，取消扣盖。
（2）将明框幕墙装饰扣座、扣盖与立柱和横梁一体化设计，采用隔热条媒接。
（3）开启窗上下框料尽量与横梁一体化，专用开启扇横梁用料。只要数量达到一定程度，增加模具费用均摊成本不会很多。
上述内容仅仅是从节约材料上考虑的，仅做为参考。具体情况还要根据工程实际情况来定，依据设计师的经验来设计。
4、型材设计计算取材
《玻璃幕墙工程技术规范》要求，立柱与横梁在风荷载（或重力荷载）作用下，其挠度不得超过支点间距的1/180；强度计算值不得超过铝型材的强度设计值（强度极限）。如果计算值超过允许范围，那是不允许的，是设计的失败。如果计算值远远小于规范要求允许范围，那设计也是不成功的，说明设计选用的材料不合理的，浪费材料。因此，设计采用的铝型材强度、挠度计算在允许的范围内，并且接近允许的极限值（设计值），这样材料才不会浪费，真正做到“才尽其用”。材料的不浪费，就是成本的节约。
不同牌号的材料，不同的处理状态，其强度设计值是不同的，市场价格也不同。因此选用材料时一定要根据设计幕墙的情况，参照耗材、价格对比，来确定材料的牌号与状态见下表。可能采用的材料牌号、状态市场价格比较高，但是其强度设计值大，反而会降低材料消耗，节约成本了。
5、幕墙型材支点间距影响
铝型材（立柱、横梁）其抗弯强度σ计算公式
σ=M/W = SkLh2/（8 W）
Sk—荷载组合作用下产生的最大弯曲应力值（N/mm2）
L—型材之间间距（mm）
h—支点间距（跨度）（mm）
型材的挠度f计算公式
f=5 SkEL h4/(384EI)
I—惯性矩（mm4）
SkE—荷载组合作用下最大弯曲应力标准值（N/mm2）
L—型材（立柱或横梁）间距（mm）
h—型材支点间距（跨度）（mm）
E—铝材弹性模量（N/mm2） 铝材E=0.7×105。
从抗弯强度计算公式与挠度计算公式可以看出，抗弯强度与其支点间距的平方成正比，挠度与其支点的四次方成正比。如果将支点距离缩小，那么将会降低抗弯强度和减小变形挠度，可减小型材的截面尺寸。
立柱的支点间距除了与楼层层高影响外，与支点的设计有关。
（1）层间梁高尺寸较大时，设计上采用同层双支点，这样实际支点距离就要比层高尺寸小。
（2）立柱内采用加钢插芯或支撑钢架，铝立柱受力支撑点变多。
（3）横梁采用合理的分格尺寸。横梁与横梁之间间距大了，型材截面加大，线密度增加；距离小了，虽然横梁线密度小了，但是，横梁数量增加，材料不会减少。因此，横梁优化设计需要一个非常科学的理论计算基础。
（4）改变传统的支点方式。图3是条带形幕墙，如果按传统的设计，将会在层间设计支撑，靠立柱与主体连接，见图4，这样，立柱就要满足强度、挠度要求，线密度就要很大。因为立柱支点间距3600mm。但是如果改变传统的支点连接方式，见图3，横梁的支点间距为2000mm，而立柱最大的支点间距才1500mm。这样我们把横梁截面尺寸变大一点，满足要求即可，而立柱线密度将会大大减小了。铝材重量减小。
这里，只是支点增加，预埋件、转接件数量增加，但总的来说，只要成本降低，就是我们的目的，不管采取什么方案，只要优化、比较，采取既保证幕墙功能、质量、将来维护方便，又经济、成本低的设计方案。
6、综述
在幕墙设计中，主要取决于型材的系统设计。一个成功的设计，不但体现出设计的先进性，合理性，而且在相同条件下，还必须要保证其经济性的系统优化设计，只有从质量、成本上体现出优化设计理念，才会使设计趋于完美。在施工过程中给企业带来更大的经济效益和社会效益。【完】
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