如何通过幕墙铝型材优化设计降低材料成本

　　【中国幕墙网】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。

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