摘要：随着幕墙设计行业的发展壮大，配套幕墙设计的幕墙钢结构专业也随之发展起来。作为幕墙与钢结构的交叉学科，其有自身的特殊性，由于其相对年轻，尚未形成自己的理论知识体系和专业技能体系，给日常设计工作带来了很多困扰、思想混乱，甚至阻碍。行业亟待构建幕墙钢结构理论知识体系和专业技能体系。本文从幕墙钢结构理论与研究、工作与实践、规范与案例三个方面，重点阐述了构建幕墙钢结构理论知识与专业技能体系的必要性及其主要内容，并对幕墙钢结构理论知识与专业技能体系的构建进行了初步探索。
关键词：幕墙 钢结构 设计标准 图纸标准 节点库
0 前言
幕墙钢结构是介于钢结构与幕墙之间的交叉专业，其内在本质是钢结构体系的一个分支，但其功能和表现形式是为幕墙服务的，已发展成为一门独立的专业，拥有大量的从业人员。但长期以来，尚无相关著作或技术文献对该专业进行系统理论知识总结、构建职业技能体系，给行业的规范发展带来了极大的不便，也为从业人员的理论知识增长、职业技能训练积累造成了障碍。
图1 幕墙钢结构理论知识及专业技能体系总图
无论是职业目前的发展现状，还是未来的进一步发展，都需要理论知识总结和专业技能的系统构建。
1 幕墙钢结构的定义及主要内容
什么是幕墙钢结构，目前并没有一个明确的定义。一般来说，狭义的幕墙钢结构是指为配合幕墙而设计的雨棚钢架、门头钢架、立面幕墙钢架、屋面边墙钢架、天窗钢架、汽车坡道钢架等。广义的幕墙钢结构除了包括上述钢架外，还包括屋面塔架、建筑间连廊钢架、观光电梯井钢架、建筑内部夹层钢架、室外楼梯乃至室内楼梯、小区景观钢架等，这些是不同于主体结构的次要辅助结构，由土建设计院分包给幕墙设计院完成。
2 幕墙钢结构理论构建的主要内容、方法及初步成果
幕墙钢结构理论构建主要围绕上节所述的主要工作内容进行。包括预埋件、雨棚钢架结构、立面钢架结构、屋面钢架结构等。理论知识来源主要有两种方法：归纳法和演绎法。归纳法是将日常设计工作中遇到的问题、问题讨论过程、问题解决等知识进行积累，积累过程由点到面不断实现突破，并进行抽象、系统总结，最终形成理论成果。这个过程可以理解为幕墙钢结构理论构建过程中理论来源法的唯物主义。演绎法是取其他学科的理论知识或最前沿的研究成果，当然主要是主体结构设计理论，经过幕墙钢结构改造后转化为幕墙钢结构设计理论。这可以理解为幕墙钢结构理论来源法中的辩证法。 其历史渊源可追溯至2016年《幕墙设计》第5期（10月号，总第59期）发表的论文《从屋面钢塔设计谈幕墙钢结构概念设计》（该论文后被《建筑工业》杂志2018年年会论文集收录），该论文首次系统阐述了幕墙钢结构概念设计的理论问题，点燃了构建幕墙钢结构知识理论与技能体系重任的火花。
幕墙钢结构理论研究工作已取得一定进展，其成果主要包括如图1所示的22篇论文（随着后期的不断增加，最终将达到25篇左右），其中12篇已在相关期刊发表，另7篇已完成初稿，将在未来一两年内发表在相关专业期刊上。有兴趣的读者可以阅读相关论文并继续关注后期的发表。这些论文群几乎涵盖了幕墙结构的各个部分，包括荷载、预埋件、雨棚、立面钢架、电梯井钢架、屋面钢架，甚至玻璃和铝板计算，并在理论上清晰明确地讨论了该类型结构的受力特性和设计思路。
3 幕墙钢结构理论的实际应用
任何理论都要能够指导我们的实践，服务于工程项目才有具体的实际意义。幕墙钢结构理论也不例外。因此，工作和实践应该是幕墙钢结构知识理念和专业技能体系构建的中心和重点。如图1所示，这个内容主要由设计标准、制图标准及节点库、用于从业人员专业技能培训或考核的专业库题库、工作中常用的制图、计算软件、对这些软件进行二次开发或独立开发专业软件的编程开发工具等五部分组成。
图2 幕墙钢结构设计标准概览
3.1幕墙钢结构理论必须落实到具体的实际工程中才能发挥其强大的指导作用。一般来说，设计标准是理论与具体实践之间的中介和桥梁，是将理论知识、实践和日常经验具体化、组织起来的重要技术文件。由于幕墙钢结构体积较小，其受力传递路径与传统主体结构相比有其自身的特点：1、设计时必须考虑支座主体结构的承载力和刚度；2、自重较轻，如荷载中的水平效应较大；3、需要考虑温度效应；4、由于幕墙具有装饰性质，在设计过程中需要考虑美观问题。幕墙钢结构的这些特点使其在设计工作中具有自己独特的设计特点和设计思路。常规的主体结构设计思维并不完全适合，因此编制一套设计标准是十分必要的。幕墙钢结构设计标准内容概况如图2所示。
3.2目前我们的设计思路必须通过图纸来表达，正确、明确的制图规则是设计师充分、完整、清晰地向相关专业人员传达设计思路的必要保证，因此，制定一个所有相关技术人员都必须遵循的制图规则是十分必要的。另外，制图不同于主体结构图，幕墙钢结构需要表达与主体结构的关系很多，构件相对较少，比例较大，方位变化较多，节点设计较为复杂，这些特点使得在绘制幕墙钢结构时使用主体结构制图标准并不合理。因此，编制一部专门的幕墙钢结构制图标准是十分必要且可行的。制图标准内容概览见图3。
图3 幕墙钢结构制图标准概览
3.3 专业的幕墙钢结构节点库是提高设计师绘图速度和设计效率的优秀工具，也能为刚入行的年轻设计师提供一条捷径，让他们能够尽快进步，技术成熟。因此，一个全面优秀的节点库也是构建幕墙钢结构理论知识和设计技能时必备的子项之一。幕墙钢结构节点库整体内容如图4所示，目前该库已收录了386个常用的幕墙钢结构节点，涵盖了钢结构焊接样例、预埋件及后埋件节点、特殊支撑节点、梁-梁连接节点、梁-柱连接节点、抗震框架节点、拉杆节点、楼承板工法节点等，为幕墙钢结构设计师拓展知识和技能提供了丰富的内容，包括简易砌体结构、简易独立基础、条形基础、桩基础、简易混凝土框架工法、混凝土结构配筋甚至简易膜结构等。
3.4 设计一套有效的幕墙钢结构设计师能力考核方法是促进和提高专业设计能力的有效手段。在考核题型中，将一些琐碎的专业知识点如设计师在工作中容易犯的问题、容易忽视的地方，甚至概念完全错误的地方等以题库考点的形式呈现，不仅可以考核量化设计师的工作能力，而且对设计难点起到有效的预警作用，最终目的是提高设计师的理论水平和设计技能，从而提高工程设计质量。例如，真假题型中的第一题：“高强度螺栓分为承压型和摩擦型，由于剪切机理不同，在采购和安装时必须严格区分预紧力值和扭转过程，不能混用。”这是建立在很多钢结构设计师的一个错误概念上的。 其实高强螺栓的生产、采购、施工并没有什么区别，更没有承压型和摩擦型的区别，就连它们的施工方法也一模一样，施加的预拉应力也一模一样，区别主要在于节点的抗剪原理和节点板加工时是否做摩擦面。真正的区别在于连接原理，所以正确的叫法应该是摩擦连接或者压力连接，而不是设计师经常提到的摩擦型高强螺栓、压力型高强螺栓。显然这样的题目设置对于纠正设计师错误的知识观念，树立正确的知识观念是非常有意义的。笔者整理的专业题库目前包括判断题、单项选择题、分析计算题等三类题型，共计200道题，均来自于日常的幕墙钢结构设计工作实践，今后还会不断增加和完善。
3.5专业软件是设计师日常必须使用的设计工具，幕墙钢结构所需的专业软件可以分为三类，第一类是绘图软件，包括常用的Auto CAD、Sketch Up等，是平面绘图、三维建模的必备工具，第二类是结构设计软件。
图4 幕墙钢结构节点库概览
第三类是各种编程语言工具，主要有VB、VC、C#、Python等，主要是为专业软件开发而准备的。市面上的专业软件一般都是为一般的绘图、模拟计算而准备的，所以其专业化程度可能不是很高。另外由于多为非专业人士开发，难免会存在一些不方便甚至完全错误的地方。因此幕墙钢结构专业人员需要根据自己的工作实践需求，开发出实用的结构软件。例如日常工作中常用的后埋式锚栓计算软件，多由某国际知名锚栓品牌提供，该计算软件是按照欧盟锚栓计算相关标准编制的，与中国标准JGJ145《混凝土结构后锚固技术规范》存在相当多不一致之处，并不完全符合我国的实际情况。
图5 幕墙钢结构相关软件
而且，中国设计师在用该软件计算时，预埋件的内力是按照中国标准计算的，这个前端荷载及效应（S）是按照中国标准计算的，而后端承载力（R）是按照欧盟标准计算的，这种中西方法混用，来比较和确定锚栓的安全性室内观光电梯钢结构，显然是有问题的。而根据JGJ145《混凝土结构后锚固技术规范》，手工计算预埋件是一个相当繁琐、耗时、效率极低的过程，在这种情况下，设计师自己编写软件就显得非常必要了。系统地介绍和推荐一些专业的开发语言工具，为一些有能力的设计师专业能力的拓展做准备，是有现实意义的。同时，随着年轻设计师的高学历化越来越明显，计算机水平也越来越高，也为设计师开发出高质量的专业软件提供了可能和天赋、知识的准备。 幕墙结构设计师常用的专业软件如图5所示，图6是我编写的《预埋件、后埋件及钢筋计算软件》的主界面，该软件可以实现锚栓布置的动态编辑，并自动生成word计算书文件和DWG格式的AutoCAD文件。除按照中国标准编制外，将幕墙钢结构常用的三种连接方式，即预埋件、后埋件、预埋钢筋，都整合到一个计算软件中，这对于提高幕墙钢结构连接计算效率显然非常有利。
图6 预埋件、后埋件及钢筋计算软件主界面
4 幕墙钢结构相关国家标准及案例
现行的相关国家标准是行业集体经验、集体理论的高度应用性的总结，是我们进行设计的依据，也是专业技术人员进行设计交流的依据。一个优秀的设计师不仅要熟知标准相关条文的字面意思，还要理解和掌握这些条文的意图和精神，并能灵活运用。因此，对我国现行的幕墙钢结构相关标准进行深入解读十分必要。如图1所示，本图集详细列出了十六项标准（部分标准仅涉及部分章节）。
另外，随着全球化进程的加快，海外工程也大量涌现，这就要求设计人员必须了解相关国际主流标准、规范的相关理论知识，特别是具有强烈地域特征的荷载(主要是风、地震和雪荷载)的统计和计算方法，当地采购材料的性能指标，以及此类材料的计算方法与我国标准、规范性能指标统计方法的对比等。如果不能熟练掌握它们，在海外工程的设计计算工作中，稍有不慎就可能造成计算或设计的缺陷，造成巨大的工程损失。例如，风荷载的计算涉及到确定基本风速的问题，而各国在确定基本风速时所采用的测速高度、风场场地条件、粗糙度和统计方法等都是不一样的。一个重要的参数叫风速标准时间间隔，就是统计风速所用的时间段的长度。 此数据在世界各国的风荷载标准中有所不同：美国、印度、澳大利亚取3秒，而我国及前苏联、日本、国际标准化组织取10分钟，英国、加拿大取1小时。各类风速标准时间间隔换算关系如下表1所示（表中具体换算数据来源于国际标准化组织ISO）。
表1 不同时间间隔风速平均比值
根据表中数据，最常用的3秒风速区间与10分钟风速区间的换算系数为1.42。请注意，这与我国标准JGJ131《金属与石材幕墙工程技术规范》规定的1.5修正系数略有不同（国际标准化组织建议的瞬时风速修正系数为1.5，本规范虽然标明以国际标准化组织为依据，但3秒风速的修正值1.5可能是出于规范制定者自身的考虑）。
经典幕墙钢结构设计案例分析也是设计师熟悉设计理论、快速提升自身设计水平的有效手段，因此专业技能体系中应该包含若干典型设计案例。事实上，理论建设部分的22篇论文中已经包含了亚投行总部大楼项目高大幕墙钢架等多个案例分析。未来我们还将陆续提供雨棚、幕墙、电梯井钢架、屋面等典型设计案例，全面提升设计师的理论水平和设计经验。
5. 结论
虽然幕墙钢结构理论只是结构理论与规范体系森林中的一棵小草，但从以上内容来看，这棵小草的丰富与完善，同样可以长成参天大树。行业的发展需要各位同仁的共同努力，水平有限，希望各位同仁共同为幕墙钢结构理论知识与专业技能体系建设出一份力，细细打磨，早日将其建成高楼大厦。
前路漫漫，险峻艰辛，任务重急阔，但我们不会在前进的路上止步。相信随着幕墙行业的发展室内观光电梯钢结构，理论与实践的不断丰富与完善，以及众多业内同仁的共同努力，构建幕墙钢结构理论知识与专业技能体系的宏伟目标一定能够实现！
作者单位：浙江中南建设集团有限公司
