玻璃幕墻的安全問題分析與建議

　玻璃幕墻已經(jīng)成為現(xiàn)代建筑外圍護結(jié)構(gòu)的不二之選，玻璃幕墻在建筑外表皮采光、保溫、遮風、擋雨功能的基礎(chǔ)上，又增添了裝飾性，將建筑功能和建筑美學融為一體，成為一個城市靚麗的風景。但是近年來，隨著建筑幕墻的迅猛發(fā)展和廣泛應用，也不斷有安全質(zhì)量等事故發(fā)生，在社會上產(chǎn)生了一些負面影響。本文是根據(jù)筆者幾十年的施工設(shè)計經(jīng)驗，針對幕墻的安全性問題提出的一些看法，與大家共同探討。

　　近幾年，玻璃幕墻安全事件不斷發(fā)生，幕墻玻璃破碎墜落傷人毀物，讓人們把玻璃幕墻視為“空中炸彈”，而2016年幾次極端氣候狀況下玻璃幕墻的墜落事件，更是在行業(yè)內(nèi)及社會上引起了極大的反響。玻璃幕墻真的不安全嗎?是什么原因?qū)е碌牟Ａ�破碎墜落�?

　　人們通常了解的幕墻安全事件都是玻璃墜落，而幕墻玻璃墜落僅僅是表象。除去鋼化玻璃的自爆引起的墜落外，能夠?qū)е履粔ΣＡ�破碎的因素有很多，諸如玻璃的加工質(zhì)量、邊界條件、幕墻構(gòu)造等等，而幕墻的構(gòu)造及抗風壓性能更是極其重要的因素。

　　1、 玻璃的加工質(zhì)量

　　玻璃是一種脆性材料，玻璃之所以在建筑外窗上得到廣泛應用，原因之一就是它的耐壓強度高，硬度也高。玻璃的理論強度值大約為1010~1.5×1010Pa，而實際強度不足108Pa，比理論強度差很多，抗張強度也比抗壓強度小。

　　　由表-1可看出，塊狀玻璃的實際強度比理論強度低得多，與理論強度相差2~3個數(shù)量級。塊狀玻璃實際強度這樣低的原因，是由于玻璃的脆性和玻璃中存在有微裂紋和內(nèi)部不均勻區(qū)及缺陷的存在造成應力集中所引起的。為了克服表面微裂紋的影響，提高玻璃的強度，建筑玻璃通常采用淬冷(物理鋼化)或表面離子交換(化學鋼化)，以獲得壓應力層，從而強化表面，使其強度增加。

　　玻璃在生產(chǎn)過程中會有殘余應力，特別是分布不均勻的殘余應力，使強度大為降低。玻璃進行鋼化后，使其表面產(chǎn)生均勻的壓應力、內(nèi)部形成均勻的張應力，大大提高了玻璃的機械強度。經(jīng)過鋼化處理的玻璃，其耐機械沖擊和熱沖擊的能力比經(jīng)良好退火的玻璃要高5~10倍。

　　玻璃在裁切時，其刀口部位會產(chǎn)生很多大小不等的裂紋，引起邊緣應力分布不均勻，在鋼化等過程中會導致玻璃破碎。因此在《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》JGJ102-2003中第3.4.4條規(guī)定“幕墻玻璃應進行機械磨邊處理，磨輪的目數(shù)應在180目以上。點支承幕墻玻璃的孔、板邊緣均應進行磨邊和倒棱，磨邊宜細磨，倒棱寬度不宜小于1mm�！�

　　玻璃在運輸、安裝過程中，以及安裝完成后，由于受各種作用的影響，容易產(chǎn)生應力集中，導致玻璃破碎。所以，在《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》JGJ02-2003中第9.4.3-1條規(guī)定：“玻璃邊緣應倒棱并細磨，外露玻璃的邊緣應精磨”。以減少玻璃的破碎幾率。

　　在一些實際工程中，出于各種原因，幕墻玻璃的邊緣往往沒有經(jīng)過精細打磨，玻璃邊緣仍會殘留一些切割裂紋，在承受風荷載等外力作用時，就會因為應力集中而破碎，甚至在運輸過程中就會破碎。

　　如圖1~3所示，山東某幕墻工程，玻璃在運輸過程中就已經(jīng)破碎，在搬運、安裝過程中又相繼破碎。現(xiàn)場勘查發(fā)現(xiàn)玻璃加工粗糙，玻璃的邊緣沒有經(jīng)過精細打磨。夾膠玻璃在破碎后玻璃與SGP膠片脫離，這種情況很可能是SGP膠片含水率過高，或是在高壓釜中高壓恒溫時間不夠所致。

　　因此在玻璃裁割后、鋼化之前，必須要對玻璃的邊緣進行打磨、倒棱處理以消除裂紋，避免在鋼化及在施工過程中因為應力集中導致玻璃破碎。而且，玻璃加工的整個工藝流程也需要嚴格的控制，確保產(chǎn)品質(zhì)量，避免安全隱患。

　　玻璃幕墻由面板和金屬框架組成，其變形能力比較小。在水平地震或風荷載作用下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生側(cè)移時，由于幕墻構(gòu)件玻璃幕墻由面板和金屬框不能承受過大的位移，只能通過連接件的彈性來避免主體結(jié)構(gòu)過大側(cè)移帶來的影響，由于幕墻玻璃和桿件之間變形能力的差異，必然會對玻璃局部產(chǎn)生一定的壓應力。而玻璃幕墻對于玻璃槽的構(gòu)造設(shè)計都有嚴格的規(guī)定，在玻璃的安裝與橫框之間要保證留有一定的間隙，才能保證在發(fā)生層間變位的時候玻璃不會因受到擠壓而破碎。

　　《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》JGJ102-2003中第4.3.12條規(guī)定“明框幕墻的玻璃邊緣只邊框槽底應符合下述公式：

　　(1)

　　同時，玻璃邊緣到邊框、槽底的間隙海應該符合《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》JGJ102-2003第9.5.2條和第9.5.3條的有關(guān)規(guī)定。只有在符合上述要求的設(shè)計才能夠保證玻璃的安全。

　　根據(jù)規(guī)范第9.5.3的規(guī)定，通常的幕墻型材截面寬度至少應是65mm，若小于65mm則幕墻構(gòu)造很難滿足規(guī)范的要求。而在實際過程設(shè)計中，由于建筑師過于強調(diào)視覺效果，一味追求幕墻桿件外形纖細，使得幕墻設(shè)計師無法保證幕墻構(gòu)造設(shè)計的要求，玻璃邊緣和邊框槽底的間隙過小，滿足不了層間變位的需要，在地震作用下發(fā)生層間位移時，必然導致玻璃破碎。

　　玻璃是典型的脆性材料之一，其破碎的原因大致有三種：彎曲變形、強力沖擊和熱炸裂。

　　幕墻玻璃熱炸裂是由于玻璃不同部位的溫度不均勻，玻璃暴露在陽光直射的部分吸收紅外線和可見光轉(zhuǎn)化為熱量，溫度升高，這一部分玻璃受熱膨脹(伸長)而處于鑲嵌槽或陰影下的那一部分玻璃，因受不到陽光的輻射不能同步膨脹，內(nèi)部熱力應力形成，受熱多的區(qū)域?qū)κ軣嵘俚膮^(qū)域產(chǎn)生張應力，這種張應力超過玻璃的抗拉強度就會導致玻璃破裂。

　　玻璃由于沒有屈服延伸階段，特別是受到突然施加的沖擊負荷時，玻璃瞬間就會破碎。但是在轉(zhuǎn)變溫度Tg以下，玻璃基本上是服從虎克定律的彈性體(一般玻璃的彈性模量為(441~882)×108Pa)。有一定的彎曲變形能力。我們這里主要討論的玻璃在彎曲變形下的破碎。

　　在玻璃幕墻設(shè)計中，幕墻玻璃的變形設(shè)計也是玻璃幕墻設(shè)計中的一個重要方面。在《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》JGJ102-2003中，是采用彈性小撓度公式來計算玻璃面板的應力和撓度。而按照彈性小變形薄板理論計算的應力和撓度值比實際值大很多，為此考慮了一個折減系數(shù)加以修正，即便如此，筆者認為也未必能夠反映玻璃變形的真實情況。

　　幕墻玻璃除了受風荷載的作用外，還同時受到玻璃安裝的邊界條件的影響。在風荷載作用下，幕墻玻璃和幕墻框架都會產(chǎn)生變形，但是變形的程度是不同的，兩者變形的差異勢必對玻璃造成擠壓。

　　在《鋁合金門窗工程技術(shù)規(guī)范》JGJ 214-2010中，玻璃面板和框架槽口的前后間隙如下表。

　　在實際的門窗工程中發(fā)現(xiàn)，很多的門窗玻璃面與窗框槽口前后間隙都小于3mm，無法正常塞進膠條，在外側(cè)采用密封膠施工。在遭遇極端風荷載作用的情況時，由于收到邊界條件限制，玻璃邊緣和中心區(qū)的變形并不一致。而邊框的撓度和玻璃的撓度不同會使玻璃邊緣受到窗框的擠壓，從斷裂力學的角度分析，在長時間或短時間多次強負荷作用下，玻璃會因“疲勞”導致破碎。

　　2016年9月15日凌晨第14號臺風“莫蘭蒂”以強臺風級別登陸廈門翔安，登陸時最大陣風17級以上，中心最大風力達15級，48米/秒。在強大風力的作用下，個別幕墻玻璃破損，建筑門窗的破損相對嚴重，具業(yè)內(nèi)人士現(xiàn)場考察發(fā)現(xiàn)，門窗玻璃破損嚴重的原因與其構(gòu)造設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計有直接的關(guān)系。

　　3、幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　幕墻桿件的剛度是幕墻結(jié)構(gòu)安全性的關(guān)鍵。對于豎直的玻璃幕墻，風荷載是主要的作用，地震效應相對于風荷載效應是比較小的，通常不會超過風荷載效應的20%，因此，對于幕墻構(gòu)件本身而言，抗風壓設(shè)計是主要的考慮因素。

　　玻璃幕墻的抗風壓性能是一個整體概念，是由玻璃面板和桿件強度和剛度決定的。玻璃幕墻中承接風荷載的主要是玻璃，再通過玻璃傳遞到幕墻桿件。幕墻玻璃和桿件在風荷載作用下勢必都要發(fā)生變形。在幕墻玻璃的變形設(shè)計中，對四邊支承玻璃面板采用的是彈性小變形薄板理論計算應力，但是玻璃是典型的脆性材料，按彈性理論計算的應力和撓度值要比實際值大很多，盡管采用了折減系數(shù)予以修正，仍然不能夠完全準確地反應玻璃面板的實際受力和變形狀態(tài)。

　　幕墻玻璃的撓曲變形還和玻璃安裝的邊界條件有關(guān)。幕墻玻璃安裝在框架槽口內(nèi)，幕墻的框架是通過連接件組合在一起的，幕墻豎框是單向受彎桿件，只在水平風荷載方向發(fā)生撓曲變形，而幕墻橫框是雙向受彎桿件，在重力方向和水平風荷載方向都產(chǎn)生撓曲變形，豎框和橫框在變形后，玻璃面板的邊緣就不會在同一平面內(nèi)，而是呈扭曲狀態(tài)，尤其是在橫框與豎框的連接采用自由度較大的連接方式時(比如鋼銷式連接)，橫豎框的相對扭曲會更大，在極端氣候條件下，玻璃面板就會因受力不均而破碎。

　　在幕墻玻璃面板保持完整的前提下，幕墻的抗風壓性能最終是由幕墻的框架桿件決定的。只有幕墻桿件剛度足夠，幕墻的抗風壓強度才能滿足要求。

　　幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計是采用鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中的近似概率極限狀態(tài)設(shè)計法，概率極限狀態(tài)設(shè)計法是指在設(shè)計基準期(一般50年)內(nèi)，滿足結(jié)構(gòu)的功能要求：即安全性,適用性，耐久性。

　　安全性：滿足特定的與建筑物功能相適應的承載力極限狀態(tài)

　　適用性：保證結(jié)構(gòu)在日常使用中滿足要求

　　耐久性：保證結(jié)構(gòu)的承載力的持續(xù)時間與環(huán)境適應度

　　結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)包括承載力極限狀態(tài)與正常使用極限狀態(tài)。承載能力極限狀態(tài)是結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達到最大承載能力或出現(xiàn)不適于繼續(xù)承載的變形。整個結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部分作為剛體失去平衡，結(jié)構(gòu)構(gòu)件或連接因超過材料強度而破壞;正常使用極限狀態(tài)是結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達到正常使用或耐久性能的某項規(guī)定值，影響正常使用或外觀的變形，或者耐久性能的局部損壞。

　　承載力極限狀態(tài)與正常使用極限狀態(tài)相比，前者可能導致人身傷亡和大量的財產(chǎn)損失，而后者對生命的危害則較小，主要是引起人們的不適。

　　作為幕墻結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)設(shè)計應該要求受力構(gòu)件不超過正常使用極限狀態(tài)，也就是說必須要保證足夠的安全度，絕不應該趨近于承載力極限狀態(tài)設(shè)計。而現(xiàn)實的幕墻施工設(shè)計中卻有很多都采用承載力極限值，存在著很多不安全的因素。

　　一方面，許多建筑師都在追求大跨度、大分格的立面設(shè)計效果，同時又要求幕墻桿件足夠纖細;另一方面，一些開發(fā)商采取高成本低造價的中標方式，將幕墻施工單位的利潤空間擠壓殆盡。為了達到建筑師的要求，同時又要獲得微薄的利潤，幕墻施工單位就不得不在幕墻材料上動腦筋——最大程度的減小幕墻龍骨的截面尺寸，撓度最大限度地趨近極限值，應力比趨于最大。幕墻桿件的荷載力多數(shù)都接近極限狀態(tài)，一旦遇到極限惡劣的天氣，就難免釀成大禍。

　　2016年8月7日下午，四川省成都市遭遇了一陣狂風暴雨加冰雹，位于成都高新南區(qū)天府大道北段的“環(huán)球中心”天堂洲際大飯店的大堂玻璃幕墻遭到破壞，100平方左右玻璃掉落。

　　從圖7~9中看到爪件已經(jīng)扭曲變形，推測應該是瞬間的風荷載超過了爪件的承載力，不銹鋼駁接爪喪失了支撐能力而變形，從而導致玻璃的破碎。

　　2016年9月15日凌晨，第14號臺風“莫蘭蒂”在廈門翔安以強臺風級別登陸，登陸時最大陣風17級以上，中心最大風力達15級，48米/秒、中心氣壓945帕，為建國以來廈門遭遇的最強級別臺風。臺風過后行業(yè)內(nèi)專家對廈門的幕墻、門窗受損情況進行了考察，大部分的幕墻、門窗在這次強臺風中表現(xiàn)良好，沒有結(jié)構(gòu)受損情況發(fā)生，只有少數(shù)門窗幕墻的玻璃出現(xiàn)局部受損現(xiàn)象，極個別項目處于風口位置的落地門窗受損較為嚴重。

　　在上述兩例事件中，無論是沿海城市廈門還是內(nèi)陸城市成都，從現(xiàn)場的情況看，幕墻門窗玻璃破碎的原因都是桿件承載力不足以抵抗風荷載，產(chǎn)生變形后導致玻璃破碎掉落。這足以警示我們提高對結(jié)構(gòu)設(shè)計安全度的重視。

　　結(jié)構(gòu)設(shè)計方法經(jīng)歷了從容許應力法、破壞階段設(shè)計法、極限狀態(tài)設(shè)計法到概率極限狀態(tài)設(shè)計法的發(fā)展過程。建筑幕墻的設(shè)計源于鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計，也是按近似概率理論的極限狀態(tài)設(shè)計法，設(shè)計滿足功能要求的結(jié)構(gòu),也就是把外界作用對結(jié)構(gòu)的效應與結(jié)構(gòu)本身的抵抗力來加以比較，以達到結(jié)構(gòu)設(shè)計既安全又經(jīng)濟的目的。具體的說也就是在預定的作用及材料性能條件下，確定結(jié)構(gòu)構(gòu)件按功能要求的截面尺寸和滿足構(gòu)造要求。但是，極限狀態(tài)設(shè)計并不意味著幕墻構(gòu)件的承載力設(shè)計都趨于極限值。

　　玻璃幕墻作為建筑外圍護結(jié)構(gòu)，應遵守三個基本的原則：安全性、適用性和經(jīng)濟性。安全是第一位的，適用、合理的結(jié)構(gòu)是必須的。構(gòu)件的極限狀態(tài)不僅包括承載力的極限狀態(tài)，而且包括撓度(變形)的極限狀態(tài)，這其中就已經(jīng)包含了安全性和適用性的一些概念。

　　安全性即是要求幕墻桿件要在安全的承載力狀態(tài)和穩(wěn)定性，而不是在極限狀態(tài)。極限狀態(tài)是桿件處于失效狀態(tài)的臨界狀態(tài)，倘若設(shè)計時取用極限承載力狀態(tài)，也就把幕墻構(gòu)件置于危險的邊緣。一旦有短時極端氣候條件出現(xiàn)，風力過大就會導致桿件失穩(wěn)，扭曲變形從而造成幕墻破損，可能導致人身傷亡和大量的財產(chǎn)損失。

　　適用性是指構(gòu)件在正常使用條件下具有良好的工作性能，對于幕墻而言，應該還包括幕墻構(gòu)造與主體結(jié)構(gòu)的匹配性。當今的幕墻設(shè)計都是根據(jù)具體的建筑結(jié)構(gòu)量身定做，一些好的幕墻設(shè)計項目在其本身結(jié)構(gòu)上是適合的，用到其他建筑結(jié)構(gòu)上就未必適用，應該根據(jù)實際情況具體分析、綜合考慮。

　　結(jié)構(gòu)的可靠性是結(jié)構(gòu)的安全性、適用性和耐久性這三者的總稱，我們在幕墻設(shè)計中要綜合考慮這三個要素。我們提倡大膽創(chuàng)新，只有創(chuàng)新，才有發(fā)展。但是創(chuàng)新不等于蠻干。正如行業(yè)內(nèi)一位老專家所言：建筑設(shè)計的創(chuàng)新，要由合乎邏輯的結(jié)構(gòu)設(shè)計來成全，大膽不可妄為;經(jīng)不住自然風暴突襲就大面積散落，絕不等同于意外破碎散落肇事;在安全面前不慎不周的設(shè)計與施工，必將釀成難以收拾的災禍。

　　建筑幕墻是建筑的外圍護結(jié)構(gòu)，是屬于建筑設(shè)計的一部分，首先也應遵循《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標準》(GBJ68-1984)。作為幕墻設(shè)計師要有責任意識，在幕墻設(shè)計中要提高安全意識，構(gòu)件設(shè)計必須保留足夠的安全度，以確保在出現(xiàn)極端氣候條件時幕墻構(gòu)件有足夠的承載力，不因失效而出現(xiàn)安全事故。在追求利潤，降低成本的同時要優(yōu)先考慮安全，既要大膽創(chuàng)新，更要小心求證;我們不反對借鑒，借鑒也是學習的過程，但是要理性的、有分析、有鑒別的借鑒，選擇適合自身結(jié)構(gòu)特點的構(gòu)造，絕不可以生搬硬套。要充分兼顧幕墻結(jié)構(gòu)的安全性、適用性和耐久性。

　　幕墻結(jié)構(gòu)的可靠度是我們每一個幕墻設(shè)計師必需堅守的底線。

　　【1】《玻璃工藝學》趙彥釗、殷海榮主編，化學工業(yè)出版社

　　【2】《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》JGJ102-2003

　　【3】《鋼結(jié)構(gòu)-原理與設(shè)計》沈德洪，同濟大學

　　【4】《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標準》GB50068-2001