一、在工程中的應用

穿孔鋁闆指用純鋁或鋁合金材料通過壓力加工制成(剪切或鋸切)的獲得橫斷面為矩形，厚度均勻的矩形材料。構成要素有穿孔率、孔徑、闆厚和闆型，其中穿孔率是影響穿孔鋁闆單元的核心因素，是影響其視覺整體感的表達、降低建築能耗的設計關鍵。受加工成本、單元自重、單元平整性等因素的影響，作為外表皮使用的穿孔鋁闆闆厚常選用1.0mm~6.0mm闆。玻璃-穿孔鋁闆雙層幕牆應用實例：

圖1、合肥工業大學智能制造技術研究院

二、玻璃-穿孔鋁闆幕牆的風壓取值探讨

玻璃-穿孔鋁闆幕牆，外表皮為穿孔鋁闆面闆，内表皮為玻璃面闆;外表皮直接承受風荷載，但是由于孔洞的存在，風可以通過孔洞作用到内表皮，内表皮也承受風荷載。兩層表皮各自承受風荷載的大小取值很複雜，實際工程中通過風洞試驗的模拟能得到外表皮外壓、外表皮内壓、内表皮外壓的分布情況，從而得到比較準确的外表皮和内表皮風荷載取值。當缺少風洞試驗報告的時候，筆者查閱了一些國内外的風荷載規範和雙層幕牆規範以及相關文獻，希望能從中得到能運用到實際工程設計中的思路和方法。

　1、中國地方規範《上海市建築幕牆工程技術規範》DGJ 08-56-2012/J 12028-2012

上海市幕牆規範中第14.1.6條規定了外通風雙層幕牆風荷載的取值，外層幕牆承受全部風荷載，内層幕牆根據腔體體積與有效通風面積的比值進行相應的折減。類比到玻璃-穿孔幕牆，假定樓層高度為3.6m，幕牆分格為1.5m，中間腔體的大小為1.0m穿孔率為40%，計算V/Aen=2.5m，屬于0~20m的範圍，内層幕牆承風的比例為100%，即全部承風。外層穿孔鋁闆的風荷載和内層玻璃幕牆的風荷載大小一緻，取常規幕牆的風荷載值。

2、歐洲規範《Eurocode 1: Actions on structures-Part 1-4:General actions-Wind actions》BS EN 1991-1-4:2005

歐洲規範中第7.2.10條對多于一層表皮的風壓取值情況有比較詳細的規定。類比到玻璃-穿孔鋁闆幕牆，外表皮開孔内表皮密閉，外層總壓力系數取值：正壓力系數=2/3*(常規外壓力系數);負壓力系數=1/3*(常規外壓力系數).内層總壓力系數取值：常規外壓力系數-常規内壓力系數=常規總壓力系數。類比到中國荷載規範風荷載局部體型系數取值如下：

注：大面指迎風面，轉角指與迎風面相鄰面的轉角區域。

3、風洞試驗相關文獻

風洞試驗模型縮尺比例一般為1:100，由于穿孔鋁闆上的孔徑很小，風洞試驗模型很難模拟穿孔鋁闆的真實情況，經查閱相關文獻，引用與之類似的風洞試驗報告結論作為參考：

(1)《長沙梅溪湖國際文化藝術中心圍護結構風荷載研究》——同濟大學土木工程防災國家重點實驗室，試驗模型為局部模型，縮尺比為1:15，雙層幕牆屋面闆的外層為GRC闆，内層為密閉防水層，兩層表皮之間的距離約600mm，外層GRC闆之間沿縱橫分布有20mm和50mm的縫。

試驗報告結論：基于風洞試驗結果，可以發現對于雙層屋面闆結構，相同位置處的外層内表面風壓和内層外表面風壓基本以緻，即空腔内的風壓基本一緻。另一方面，當外層幕牆的外表面的風壓為正值時，相應位置的空腔處的風壓也基本為正值，隻是壓力大小有所降低;同樣當外層幕牆的外表面的風壓為負值(吸力)時，相應位置的空腔處的風壓也基本為負值，壓力絕對值同樣有所降低。這些結果表明雙層屋面闆結構空腔部分的壓力基本與其外表面的風力相關，隻是絕對值有所降低。

圖2、試驗模型照片

(2)《矩形建築雙層幕牆的風荷載特征及陣風系數》——浙江大學建築工程學院，風洞試驗項目為杭州黃龍綜合辦公樓，建築平面為矩形，幕牆類型外通風雙層幕牆，試驗模型縮尺比為1:100，在外幕牆上相應位置開孔來模拟通風百葉窗。風洞模拟的結果見下表：

試驗得出的結論：對于矩形(L形)廊道式通風幕牆，内幕牆風載可按單幕牆的進行取值，并偏于安全;外幕牆風載，當其處于矩形長邊時，可按單幕牆的适當折減，當位于矩形拐角及短邊時，則需要放大處理。

(3)《典型體型高層建築雙層幕牆風壓分布試驗》——浙江大學建築工程學院，風洞試驗項目為浙江省麗水電力生産調度中心，建築平面為帶小凹槽的圓形，幕牆類型外通風雙層幕牆，透空率為7.2%，試驗模型縮尺比為1:150，在外幕牆上相應位置開孔來模拟通風百葉窗。風洞模拟的結果見下圖：

試驗結論：對于弧形廊道式通風幕牆，内幕牆風載可按單幕牆的進行取值，并偏于安全;外幕牆風載，當其處于圓弧中段時，可按單幕牆的适當折減，當其位于圓弧端部時，需要進行放大。

綜述：玻璃-穿孔鋁闆雙層幕牆的内外層風荷載局部體型系數的取值與單層幕牆風荷載局部體型系數的取值有較大差異，影響因素主要有雙層幕牆在建築面上的分布情況、鋁闆開孔情況、内外層空腔間的距離及空氣流通情況等。當在實際工程幕牆設計中缺乏風洞試驗數據時，幕牆風荷載局部體型系數可以參考以下取值(主要參考的歐标和風洞結論)：外層穿孔鋁闆風荷載局部體型系數在大面區域取0.67，在轉角區域取1.8~1.9;内層玻璃幕牆風荷載局部體型系數按單層幕牆的取值。内外層幕牆面闆直接承受風荷載，局部體型系數不折減，非直接承風的支撐龍骨按從屬面積對局部體型系數進行折減，最後計算的風荷載值均不小于1kPa。

三、穿孔面闆的計算分析

1、鋁闆幕牆的鋁闆設計一般情況下均在鋁闆背面設置加強筋把鋁闆分為一個個小的區格，邊肋和中肋對小區格闆的四邊形成約束，按四邊支承闆的模型對鋁闆區格進行計算。以闆塊為2400mmx1200mm，3mm厚的鋁單闆為例，風壓标準值按1.5kPa，加強筋沿短邊布置，按《金屬與石材幕牆工程技術規範》JGJ 133-2001的金屬闆計算公式計算，加強筋的間距按800mm布置，滿足強度和撓度的要求。

2、穿孔鋁闆在闆上開了很多孔洞，削弱了面闆的剛度，但是同時面闆的承風面積也減小了，這兩方面對穿孔闆的承載能力都有影響。根據實際工程情況把穿孔鋁闆分為兩種類型：第一種為開孔規則、有空間布置加強筋而且不影響外觀效果的闆;第二種為開孔不規則或者不允許布置加強筋的闆，這裡分析的闆均為闆塊較大的闆，尺寸小的闆和窄條形的闆均不做分析(可按常規鋁單闆設計)。

① 布置加強筋的穿孔闆

計算思路和方法依據鋁單闆的計算，選取區格單元和相應的邊支承模型。采用有限元對不開孔鋁闆和兩種開孔率的開孔鋁闆進行對比分析。

ANSYS模型(1200x800mm，3mm厚，面單元Shell163)：

面闆變形雲圖：

從結果比值可以看出，穿孔鋁闆比不開孔鋁闆的最大撓度有所增大，并且開孔率越大，撓度也會稍有增長，考慮到實際工程中穿孔率一般不會太大(受限于孔的排列方式)，用常規鋁闆的計算方法将計算結果的利用率控制在85%以下，可以滿足實際工程設計的需求。

② 不布置加強筋的穿孔闆

由于闆塊較大且不布置加強筋，如果按常規鋁闆的設計思路來設計和計算，可以通過把穿孔闆的厚度加大的方式來提高穿孔闆自身剛度以抵抗外荷載，但實際工程中加大厚度的方式會使成本過高，不适用于一般工程的需要。規範中對金屬闆四周折邊處的約束情況均按簡支承邊來考慮，依據經典彈性力學闆殼理論給出計算公式，這有一定的局限性，如果把闆四周折邊處的約束做強，不僅約束住闆平面外的平動，同時也約束住平面内的平動，即對X/Y/Z三個方向的位移都約束，這樣面闆承受外荷載産生變形時，周邊約束會對面闆有拉扯的作用，從而阻止變形的進一步增大。

ANSYS模型(1200x2400mm，3mm厚，面單元)：

面闆應力和變形雲圖：

從應力和變形雲圖的分析結果可知，在穿孔闆中部孔周邊的應力最大，而且應力的分布主要集中在平行短邊方向的豎向孔與孔間闆帶區域，兩種穿孔闆的最大應力為27MPa，滿足3003-H24鋁合金闆的抗彎強度設計值100MPa。最大撓度發生在面闆中部，穿孔闆的最大撓度為9.4mm，滿足變形的限值要求。最大變形計算結果彙總如下：

查看邊約束反力，在面内方向長邊反力為34kN，折算為線荷載為14.2kN/m，如果連接螺栓按@200來布置，單個螺栓承受約3kN的剪力标準值，選用M6的螺栓或機絲可以滿足要求。側向的作用力也會對長邊方向支撐龍骨産生不利作用，在龍骨左右分格一緻的時候，側向作用力的不利作用會相互抵消;在邊部隻有單邊分格的龍骨受力需要既能抵抗垂直面闆方向荷載作用，也能抵抗平行面闆的側向荷載作用。

邊X/Y/Z的約束，可以通過具體的節點做法(供參考)來實現：

注：方案二節點引自墨西哥BBVA銀行工程的框架開放式雙層幕牆外層穿孔鋁闆節點。此工程建築高度234.85m，外層面闆用3mm厚菱形穿孔鋁闆，邊長為1.7m，對角線尺寸為2686m*2100m。

四、本文的局限和不足

在玻璃-穿孔鋁闆雙層幕牆風荷載取值部分，本文羅列了各國規範及近些年的相關文獻和著作，通過歸納、總結和類比的方式，給出了實際工程中玻璃-穿孔鋁闆幕牆内外層風荷載局部體型系數的建議取值，但是缺乏真正的理論推導和實際的試驗數據以及相應的驗證方法。

在針對穿孔鋁闆計算分析部分，本文通過對比規範公式的計算方法和思路，結合有限元分析的計算結果，給出了有無加強筋兩種形式穿孔鋁闆的計算思路和解決方法。本文所作的一些結論隻代表筆者的一家之言，如果有更嚴謹的理論推導依據和思路，以及相應的試驗數據，歡迎大家批評、指正。

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