【论文原创精选1228】如何正确面对石材幕墙横梁与立柱连接问题
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作者：侯钦超
1、首先回顾一下与石材幕墙相关规范的背景
《金属与石材幕墙工程技术规范》JGJ133—2001，这是我国至今唯一一本与石材幕墙相关的工程应用规范，这本规范是2001年6月1日开始实施。
在《金属与石材幕墙工程技术规范》JGJ133—2001中有一条专门针对石材幕墙横梁与立柱的连接给与规定：
5.6.6条： 横梁应通过角码、螺钉或螺栓与立柱连接，角码应能承受横梁的剪力。螺钉直径不得小于4mm，每处连接螺钉数量不应小于3个，螺栓不应少于2个。横梁与立柱之间应有一定相对位移能力。
在该规范编写过程中（1997年开始参加编写起草文件）正值当时中国建筑用石材作为幕墙设计最高的项目、石材用量最大的项目“上海沪东金融大厦”，上海沪东金融大厦（图1.1）于2000年1月1日竣工交付使用，座落于上海市杨浦区五角场翔殷路1128号，1～5层为裙楼，塔楼是两个（A座、B座）菱形组成21层主体建筑通过中间的公共区域连为一体，顶部是2层电梯机房层，不包含顶部机房层的建筑高度是97.4米（含女儿墙的高度是98.0米）；中间电梯机房层高度7.0米，最顶部设置高度为36.0米的不锈钢避雷针。
图1.1 上海沪东金融大厦实际照片
该项目首层层高6.0米，2～5层层高5.0米，保准层层高3.4米。建筑幕墙主要类型有石材幕墙、玻璃幕墙、铝单板幕墙。石材幕墙全部采用山东石岛红8#花岗岩，裙楼首层采用蘑菇石（图1.2）花岗岩，2～5层采用火烧面花岗岩（图1.3），顶部塔楼采用磨光面（图1.3）花岗岩，石材挂件采用304不锈钢折弯形蝴蝶挂件。主受力龙骨为Q235钢材，横梁采用热浸镀锌角钢，立柱采用热浸镀锌槽钢，横梁与立柱之间（图1.4）采用现场焊接。
图1.2 首层石岛红花岗岩蘑菇石纵剖节点图
1-竖向槽钢立柱， 2-不锈钢螺栓组件， 3-不锈钢蝴蝶挂件，4-横向角钢龙骨， 5-石岛红蘑菇石凸起表面， 6-硬质橡胶垫块，7-蘑菇石挂装定厚线， 8-石材耐候密封胶， 9-环氧树脂干挂胶。
图1.3 石岛红花岗岩平板纵剖节点图
1-竖向槽钢立柱， 2-不锈钢螺栓组件， 3-不锈钢蝴蝶挂件，4-横向角钢龙骨， 5-石岛红平板表面， 6-硬质橡胶垫块，7-石材耐候密封胶， 8-环氧树脂干挂胶。
图1.4 石岛红花岗岩横剖节点图
1-竖向槽钢立柱， 2-横向角钢龙骨， 3-横梁与立柱连接封口板，4-横梁与立柱连接焊缝， 5-不锈钢蝴蝶挂件， 6-不锈钢螺栓组件，7-环氧树脂干挂胶， 8-石材耐候密封胶， 9-石岛红花岗岩。
在《金属与石材幕墙工程技术规范》JGJ133—2001规范的起草文件中采用了该项目事实采用焊接工艺的做法，在过程讨论中没有被负责主编人认可，认为《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ102—96中横梁与立柱均采用角码、螺栓连接，金属与石材幕墙同样也可以。
2、从规范的角度分析
《金属与石材幕墙工程技术规范》JGJ133—2001中5.6.6条： 横梁应通过角码、螺钉或螺栓与立柱连接，角码应能承受横梁的剪力。螺钉直径不得小于4mm，每处连接螺钉数量不应小于3个，螺栓不应少于2个。横梁与立柱之间应有一定相对位移能力。
《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ102—96中4.3.4条玻璃幕墙的立柱与横梁接触处，应设置柔性垫片；7.3.3.1条，应将横梁两端的连接件及弹性橡胶垫安装在立柱的预定位置，并应安装牢固，其接缝应严密。
以上是当时两本规范相关条文的原文，通过原文可以看出的确玻璃幕墙横梁与立柱的连接应该采用角码、螺钉或螺栓连接。其中还有一个原因，那就是玻璃幕墙主受力骨架基本上都是采用的铝合金龙骨，铝合金龙骨采用工厂化机械加工、打孔比较方便在航空领域是一种比较成熟的工艺技术。
此外从幕墙板块与主受力骨架之间的安装关系也是有较大区别的。
玻璃幕墙中玻璃板块与主受力骨架的安装固定方式有两种：（1）明框玻璃幕墙的玻璃板块是通过外视金属构件柔性固定玻璃，玻璃在主受力骨架构造槽变形状态下具有一定相对位移能力（图2.1）；（2）隐框玻璃幕墙的玻璃板块是通过隐藏式固定压块与主受力骨架产生一定柔性的锚固关系固定，玻璃与主受力骨架之间能够在变形状态下具有一定相对位移能力（图2.2）。
（a）纵剖节点 （b）横剖节点
图2.1 明框玻璃幕墙构造节点图
1-主受力立柱， 2-主受力横梁， 3-横梁连接件， 4-中空玻璃，5-内玻璃压板， 6-外装饰扣板， 7-密封胶条， 8-玻璃垫块。
（a）纵剖节点 （b）横剖节点
图2.1 明框玻璃幕墙构造节点图
1-主受力立柱， 2-主受力横梁， 3-横梁连接件， 4-中空玻璃，5-密封胶条， 6-玻璃副框， 7-耐候密封胶， 8-玻璃托板，9-玻璃压块， 10-不锈钢螺栓。
石材幕墙的石材板块是通过短槽构造件（不锈钢挂件、SE独立挂件）通过紧固件（螺栓）固定在主受力横梁体系上，SE独立挂件与石材板块通过槽口、环氧树脂干挂胶固定，理论上具有一定的柔性，实际上非常有限或者说没有应该属于刚性固定，造成石材板块与主受力横梁体系之间不可能具有一定相对位移能力（图2.3），背栓与石材板块之间在完全充分锚固牢固以后同样属于刚性固定，否则石材板块将会容易脱落，如果是通过组合转接系统相比有一定的位移缓冲性，如果是单一背栓挂装体系就属于完全刚性安装，造成石材板块与主受力横梁体系之间不可能具有一定相对位移能力（图2.4）
图2.3 短槽SE形石材干挂节点图
1-水平横梁， 2-转换钢角码， 3-不锈钢螺栓， 4-SE形支托件，5-S形独立挂件， 6-E形独立挂件， 7-柔性橡胶垫， 8-石材，9-环氧树脂干挂胶， 10-耐候密封胶。
（a） 无转换构造 （b）具有转换构造
图2.4 背栓系统石材干挂节点图
1-水平横梁， 2-转换钢角码， 3-不锈钢螺栓， 4-隔离柔性垫，5-不锈钢背栓， 6-石材， 7-柔性橡胶垫， 8-铝合金转换支托件，9-铝合金挂件。
此外玻璃幕墙与石材幕墙常用材料类型不同，材料类型不同带来的材料线膨胀系数不同。
相关材料的线膨胀系数（α）见下表：
通过理解规范、领会不同（玻璃幕墙、石材幕墙）幕墙设计施工常规节点图、结合不同材料的理论数据，可以看出玻璃幕墙与石材幕墙具有以下不同点：
a.玻璃板块与石材板块在主受力支撑骨架上的安装方式不同；
b.玻璃板块与主受力支撑体系之间具有相对独立的位移性；
c.石材板块与主受力横梁支撑体系之间不完全具有相对独立的位移性；
d.石材幕墙基本上采用钢型材作为主受力支撑体系；
e.玻璃幕墙基本上采用铝合金型材作为主受力支撑体系。
3、如何设计非正常石材幕墙
非正常石材幕墙的基本类型：
（1）竖向条形玻璃幕墙及洞口窗之间的（图3.1）平面或非正常平面石材幕墙构造柱；
（2）建筑层间结构梁部位的（图3.2）石材幕墙挑檐；
（3）与地面成75°＜a＜90°外倾斜夹角的（3.3）石材幕墙；
图3.1 a平面石材幕墙构造柱
图3.1 b非正常平面石材幕墙构造柱
1-玻璃幕墙系统， 2-石材， 3-背栓， 4-背栓金属转接件，5-短槽挂装系统， 6-主受力立柱， 7-水平横梁， 8-焊缝，9-主体结构柱。
图3.2 建筑层间结构梁檐口石材幕墙
1-主受力立柱， 2-通长水平横梁， 3-悬挑辅助竖向连接构造梁，4-挂装用短水平横梁， 5-外悬挑短水平横梁， 6-短槽挂装构件，7-背栓挂装构件系统， 8-石材。
图3.3 外倾斜石材幕墙
1-倾斜主立柱， 2-倾斜横梁， 3-石材， 4-挂装体系， 5-主体结构。
以上这几种类型，在建筑外观效果中经常看到，有些比较要复杂的多。对于类似这种状况，如果就严格按照规范要求横梁必须采用角码、螺钉或螺栓与立柱连接，如此一来将会出现石材幕墙的主受力骨架体系不具备整体稳定性，如何能做到石材板块安装后的稳定性，显然不加实际思考一味地去套取规范管理也是不科学的，应该实事求是。
4、结束语
首先我们还是根据背景看问题，规范是没有错的，因为在当时的背景下中国还没有那么多各式各样风格的建筑出现，按照中国的东方文化特色都是比较规矩的建筑。
从2003年以后中国真正把房地产作为中国的支柱性产业之后，来自世界各地的建筑师涌入中国，由此开始打破了中国传统建筑中规中矩的特色，各种带有特殊文化的建筑受到国人的追从，传统规范随着时代的变化而有些落伍。
因此我们还是应该既遵守规范，同时遵循实事求是的理念，根据项目设计采用石材幕墙外观效果的事实情况决定采取哪一种连接方式更加安全可靠。比如：
（1）对于中规中矩的石材幕墙设计墙面长度比较大的墙面，按照规范去设计和施工是没有问题的。
（2）对于特殊建筑效果的石材幕墙，当采用规范规定的连接方式会带来横梁的稳定性有一定不安全隐患存在的时候，尽量去避免采取相比安全的方式，毕竟螺钉、螺栓连接具有一定的可变性，对于保证横梁的连接可靠性不如焊接的安全度高。
（文章版权归作者所有）
本文刊发在《幕墙设计》杂志2020年第一期