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：本文结合广州某项目的幕墙设计方案，对建筑室外用格栅的荷载确定、结构计算及其试验方法进行研讨，并与国标《建筑室外用格栅荷载通用技术要求》报批稿相印证，最终提出格栅荷载取值、结构计算及试验方法，为今后相关的工程项目提供技术方法及流程的借鉴。
：建筑室外用格栅、荷载取值、结构计算、试验方法
作者：金刚幕墙集团有限公司*庆文、梁少宁、国忠昊
一
工程项目背景
广州某项目（下文简称H项目）工程地处广州市海珠区，是集商业、星级酒店、高级办公用途为一体的综合性超高层建筑，幕墙面积5.5万平方米，总建筑面积约16.4万平方米，项目总建筑高度约米。项目主楼建筑幕墙主要由内层幕墙和外层钢管网装饰组成，整体呈编织网状的外观艺术效果。
图1工程项目效果图
二
格栅设计方案技术要点介绍及系统结构分析
本项目幕墙外层格栅部分设计为单元式结构，其标准层格栅大样如图2所示。
图2标准层格栅及幕墙大样效果图
格栅系统由两个主要子单元组件构成，一是水平安装的走道格栅单元，由钢格栅框体、铝合金格栅条组成，其安装位置及部件拆分示意图如图3所示。二是竖直安装并呈现交错状态的钢管网格栅单元及其上下固定框体，其安装位置及部件拆分示意图如图4所示。
图3走道格栅单元安装位置及部件拆分示意图
图4钢管网格栅单元安装位置及部件拆分示意图
H项目幕墙工程中的格栅系统兼具有装饰、遮阳、通风、防护等设计意图，根据其节点方案设计图及招标文件所示，其结构设计应满足以下要点：
1、抗风压性能。
2、抗震性能。
3、防撞击性能。
2.1格栅节点设计
格栅标准单元高度跨2层建筑结构，高度为mm，水平分格为mm。钢管前后斜拉分布，侧面看斜拉的钢管格栅之间形成菱形,中间分格位置用铝方管支撑。
管网格栅采用φ65×3mm不锈钢圆管，钢管固定在上端和下端（图6）的铝横料上，并通过铝合金连接件、钢板支座连接固定（图7）。
图6标准层格栅及幕墙竖剖节点示意图
图7钢管网格栅单元竖剖节点示意图
玻璃单元与格栅单元之间有mm的间距，在该间距层间位置上设计水平铝合金格栅，形成走道格栅面板单元。
图8走道栅面板单元1/4剖视图及连接钢板三维示意图
图9走道栅面板单元及连接钢板节点三维示意图
2.2格栅结构分析及计算
（1）管网格栅单元计算
本项目风荷载体型系数根据《建筑结构荷载规范》（GB-）进行取值，各种截面杆件的体型系数为μs=1.3,幕墙计算高度H=.95米，以下为按现行幕墙规范设计的结构计算结果（基本风压W0=0.5kPa,B类）：
风荷载标准值：Wk=βgz×μ_s×μs×W0=2.44kPa；
风荷载设计值：W=γw×Wk=3.4kPa。
竖直方向的管网格栅采用φ65×3mm的圆形钢管，其截面图及截面模量见图10，呈现不均匀分布，一个格栅单元为12根，最大计算跨度取4.3m，其计算示意图如图11所示：
图10格栅钢管截面图及截面模量
图11格栅钢管受力模型示意图
由此可得，单根钢管的最大弯矩为M=0.51kNm；
单根钢管端部最大反力为：NG=0.47kN；
单根钢管最大应力大小为：,钢管格栅强度满足要求。
在风荷载设计标准值作用下，格栅变形挠度；钢管挠度满足要求。
由于重力方向荷载对整体结构未起决定性作用，且均已计算通过，其计算过程在此不再赘述。
（2）水平走道格栅单元及主要构件计算
在水平走道格栅方面，需要重点校核其连接节点部位的受力情况，挂接支座的反力如下。
水平方向风荷载总力为：N1=12NG+W×(0.35+0.11)×2.1=8.9kN；
垂直方向荷载总力为：N2=GA×4.3×2.1=2.7kN（GA=0.3kN/m2为含上下插接框管网格栅单元的单位面积重力荷载）；
叠加施工荷载为N3=0.5kPa×0.75×2.1=0.8kN。
利用有限元软件分析水平走道格栅单元的侧边悬挑连接钢板，其荷载施加情况如表1及图12所示，约束情况如图13，得到结果如图14、15所示。
表1格栅连接钢板加载情况
风荷载 重力荷载 施工活荷载
风荷载
重力荷载
施工活荷载
每个受力点荷载值
X方向，N1/2=4.45kN
Z方向，
N2=2.7kN
Z方向，
N3/2=0.4kN
图12格栅连接钢板加载示意图
图13格栅连接钢板约束示意图
图14格栅连接钢板应力分析示意图
图15格栅连接钢板变形分析示意图
格栅连接钢板应力最大值σmax=.4MPaMPa为，钢板强度满足要求。
2.3格栅结构试验设计
本文建议对工程中格栅结构进行相应的结构性能试验测试，主要分为两个部分，一是动态风压试验，目的是测试其立面管网格栅的抗风压性能，以及风透过格栅管网后的压力损失情况。二是静载试验，主要测试水平走道格栅正常使用状态下（上人维修时）的结构安全性能。
（1）管网格栅单元动风压试验设计
试验采用一个包含外部风扇的风力模拟装置，使风垂吹向格栅测试面，风扇与格栅间设置气流矫直部件，其截面不小于1m直径。在气流矫直部件出风口位置，依次接驳天气模拟仓，天气模拟仓，采集区，气动力测量区，最后通过机械通风装置将气流排出。
具体试验步骤及方法可参照采用欧盟标准BSEN：《建筑物通风——终端设备——百叶窗风雨模拟性能试验》执行，也可根据工程实际情况进行调整，以更加接近工程实际。图16为格栅风雨试验装置示意图。
图16格栅风雨试验装置示意图
如图16所示，装置包括：1、风力模拟设备，2、天气模拟仓，3、采集区，4、气动力测量区，5、锥形入口测量装置，6、进气方向，7、阻力网，8、机械通风装置，9、风扇，10、气流矫直装置，11、挡水板，12、排气方向，13、通风机，14、测试件，15、室外空气接触面，16、风速测量装置位置，17、排水口。
（2）走道格栅单元静载试验设计
该试验需要准备的设备及使用注意事项如下：
通过对水平铺置的铝合金格板施加重力荷载，用以模拟静态风荷载与施工荷载。试验参考自行业标准《钢格板及配套件第1部分：钢格栅板》YB/T.1-，采用采用弯曲试验法，对铝合金格板的荷载能力进行测试。
图17液压万能材料试验机
试验设备采用液压万能材料试验机（见图17），试样尺寸根据工程项目需要制定。
荷载试验方法：
将试样平放在试验机横梁上的两个支辊上。加荷载前必须确定支辊及压头与每根承载格栅零件都有良好接触，用百分表测量试样的弯曲挠度。记录测力计读数并用自动记录仪描绘荷载挠度曲线。
2.4研究小结
国标《建筑室外用格栅荷载通用技术要求》报批稿中已有明确规定：采用静力模拟荷载方式进行检测，测量施加荷载后的变形，观察试验后试样是否发生损坏和功能障碍来判定其抗风性能。对于常规项目（米以下，具有规则体型及构造的建筑）而言，《建筑室外用格栅荷载通用技术要求》报批稿中的条文已能满足其性能检测需要。
三
对建筑室外用格栅设计、荷载确定及结构分析的实施建议
对于高层或超高层建筑物而言，在极端的气候环境下，复杂幕墙构造往往会容易危及到其外围护结构的安全。在这一情况下，应根据在新版的《建筑结构荷载设计规范》GB-中的规定，采用工程风洞试确定其风荷载体型系数及设计风压。如无风洞试验条件，可建立利用专业仿真软件建立计算流体力学（ComputationalFluidDynamics，简称CFD）分析模型，从而确定其结构计算荷载的取值。
3.1格栅产品的流体分析计算（CFD）
H项目基本风压取值：W0=0.5kN/m2。考虑到H项目区域的近期规划，采用C类地面粗糙度进行计算取值，并仅验算正风压情况下管网格栅所受的风荷载作用。
根据伯努利方程的风——压关系，项目设计的风动压值为：Wp=W0=0.5×ro×v2=kN/m2，取标准状态下（气压为hPa,温度为15℃），空气重度r=0.kN/m3则有Wp=v/，由此可得该项目的设计基准风速为。
由《建筑结构荷载设计规范》GB-可知，在其建筑物最高处的计算风速：
为与格栅产品协同设计，本文采用SolidWorksFlowSimulation流体仿真分析工具进行管网格栅的验算。模型建立情况如图18所示：
图18管网格栅单元CFD计算模型
其计算参数情况设置如下：
分析类型：网管格栅单元内部流场；
项目流体：默认流体为空气（气体），流动类型仅选择湍流；
初始条件：场内初始压力为一个标准大气压即25Pa，温度20.05℃；
计算域各壁面边界条件：如表2所示。
表2CFD计算格栅模型边界情况
正面封板
左右侧封板
顶底部封板
背部封板
边界情况
入流速度
54.43m/s
环境压力25Pa
环境压力
25Pa
真实壁面，壁面温度20.05℃
网格划分：将计算域网格划分至“7”的精细等级。
各边界均选择k-ε模型进行计算，本次研究采用软件中湍流参数默认值。
设置完成后的模型如图19所示：
图19管网格栅单元CFD计算模型
计算结果如下列图表所示：
（1）格栅单元内部风压平均值：
图20管网格栅单元静压平均值曲线
图21管网格栅单元动压平均值曲线
图22管网格栅单元总压平均值曲线
图23管网格栅单元压力切面分布云图
计算流场内静压平均值为Pa，动压平均值为Pa，总压平均值为Pa。
（3）格栅单元钢管所受的合力及最大值：
1）、单元内所有钢管所受合力：
图24管网格栅钢管所受合力曲线
2）、单根格栅钢管所受最大合力：
图25单根格栅钢管所受最大合力曲线
由计算结果可知，格栅单元内12根钢管所受合力为.5N，单根格栅钢管所受最大合力为.5N，单根钢管所受荷载大于此前采用规范计算的N。
（4）计算结果分析：
Wk=2.44kPa由计算结果可得，在湍流作用下，其管网格栅单元体内部的风速有一定放大，并影响格栅钢管及背部玻璃幕墙表面的受力。管网格栅的CFD分析所得其计算区域内动压平均值达到Pa，小于前文按规范所得的Wk=2.44kPa的取值。这证明低于米高度的常规建筑物，采用规范取值进行计算偏于保守。在单个构件局部受力计算上，采用CFD计算分析所得的荷载值则较为可信。
3.2基于流体分析计算（CFD）的建筑室外格栅产品风荷载取值方法
本文通过对H项目外幕墙格栅项目的方案设计和分析，提出了根据流体分析计算（CFD）的室外用建筑格栅风荷载取值方法，其计算分析方法流程归结如图26。
图26基于CFD的建筑室外格栅产品风荷载取值方法流程
四
结语
目前许多具有复杂外形的建筑室外格栅，都亟需合适的技术方法，对其进行更切合工程实际情况的设计及试验检测。本文在对广州H项目幕墙工程中格栅的投标设计技术研究的基础上，采用流体分析计算（CFD）的方法，并结合目前相关技术规范的要求，对其工程设计的风荷载取值进行了对比分析和研究。同时，我们参照国内外相关规范设计了针对管网格栅的动态风荷载试验和走道格栅的静载试验。在对格栅设计技术，以及相应的试验检测，仿真分析方面进行了系统化的研究之后，总结并提出了基于CFD的建筑室外格栅产品风荷载取值方法流程，也希望能对今后类似格栅项目设计提供借鉴和参考。
作者简介：
*庆文
金刚幕墙集团有限公司副董事长，中国建筑装饰协会幕墙工程委员会专家。先后主持《点支式玻璃幕墙技术规程》，《建筑室外用格栅通用技术要求》编制工作，《玻璃幕墙工程技术规范》等标准的编制工作。
本文刊发在《幕墙设计》杂志年第一期点击下方封面图片查看该期内容
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