玻璃幕墻的安全問題分析與建議

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　　玻璃幕墻已經成為現代建筑外圍護結構的不二之選，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展和廣泛應用，也不斷有安全質量等事故發生，在社會上產生了一些負面影響。本文是根據筆者幾十年的施工設計經驗，針對幕墻的安全性問題提出的一些看法，與大家共同探討。

　　一、玻璃幕墻的安全問題。

　　近幾年，玻璃幕墻安全事件不斷發生，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，更是在行業內及社會上引起了極大的反響。玻璃幕墻真的不安全嗎?是什么原因導致的玻璃破碎墜落呢?

　　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，能夠導致幕墻玻璃破碎的因素有很多，諸如玻璃的加工質量、邊界條件、幕墻構造等等，而幕墻的構造及抗風壓性能更是極其重要的因素。

　　1、 玻璃的加工質量

　　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。

表-1不同材料的彈性模量、理論強度與實際強度

　　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部不均勻區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，使其表面產生均勻的壓應力、內部形成均勻的張應力，大大提高了玻璃的機械強度。經過鋼化處理的玻璃，其耐機械沖擊和熱沖擊的能力比經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《玻璃幕墻工程技術規范》JGJ102-2003中第3.4.4條規定“幕墻玻璃應進行機械磨邊處理，磨輪的目數應在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，容易產生應力集中，導致玻璃破碎。所以，在《玻璃幕墻工程技術規范》JGJ02-2003中第9.4.3-1條規定：“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（詞條“風荷載”由行業大百科提供）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破碎，在搬運、安裝過程中又相繼破碎。現場勘查發現玻璃加工粗糙，玻璃的邊緣沒有經過精細打磨。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（詞條“高壓釜”由行業大百科提供）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，確保產品質量，避免安全隱患。

　　2、幕墻構造的設計缺陷

　　玻璃幕墻由面板（詞條“面板”由行業大百科提供）和金屬框架（詞條“框架”由行業大百科提供）組成，其變形能力比較小。在水平地震或風荷載作用下結構產生側移時，由于幕墻構件（詞條“構件”由行業大百科提供）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構過大側移帶來的影響，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生一定的壓應力。而玻璃幕墻對于玻璃槽的構造設計都有嚴格的規定，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。

　　《玻璃幕墻工程技術規范》JGJ102-2003中第4.3.12條規定“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《玻璃幕墻工程技術規范》JGJ102-2003第9.5.2條和第9.5.3條的有關規定。只有在符合上述要求的設計才能夠保證玻璃的安全。

　　根據規范第9.5.3的規定，通常的幕墻型材截面寬度至少應是65mm，若小于65mm則幕墻構造很難滿足規范的要求。而在實際過程設計中，由于建筑師過于強調視覺效果，一味追求幕墻桿件外形纖細，使得幕墻設計師無法保證幕墻構造設計的要求，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，內部熱力應力形成，受熱多的區域對受熱少的區域產生張應力，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。

　　在玻璃幕墻設計中，幕墻玻璃的變形設計也是玻璃幕墻設計中的一個重要方面。在《玻璃幕墻工程技術規范》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（詞條“薄板”由行業大百科提供）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規范》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現，很多的門（詞條“門”由行業大百科提供）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，具業內人士現場考察發現，門窗玻璃破損嚴重的原因與其構造設計和結構設計有直接的關系。

　　3、幕墻結構設計

　　幕墻桿件的剛度是幕墻結構安全性的關鍵。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，對于幕墻構件本身而言，抗風壓設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生變形。在幕墻玻璃的變形設計中，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。

　　幕墻玻璃的撓曲變形還和玻璃安裝的邊界條件有關。幕墻玻璃安裝在框架槽口內，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（詞條“平面”由行業大百科提供）內，而是呈扭曲狀態，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。

　　幕墻結構設計是采用鋼結構設計中的近似概率極限狀態設計法，概率極限狀態設計法是指在設計基準期(一般50年)內，滿足結構的功能要求：即安全性,適用性，耐久性（詞條“耐久性”由行業大百科提供）。

　　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

　　適用性：保證結構在日常使用中滿足要求

　　耐久性：保證結構的承載力的持續時間與環境適應度

　　結構的極限狀態包括承載力極限狀態與正常使用極限狀態。承載能力（詞條“承載能力”由行業大百科提供）極限狀態是結構或構件達到最大承載能力或出現不適于繼續承載的變形。整個結構或結構的一部分作為剛體失去平衡，結構構件（詞條“結構構件”由行業大百科提供）或連接因超過材料強度而破壞;正常使用極限狀態是結構或構件達到正常使用或耐久性能的某項規定值，影響正常使用或外觀的變形，或者耐久性能的局部損壞。

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

　　作為幕墻結構的極限狀態設計應該要求受力構件不超過正常使用極限狀態，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設計。而現實的幕墻施工設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、大分格的立面設計效果，同時又要求幕墻桿件足夠纖細;另一方面，一些開發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都接近極限狀態，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，位于成都高新南區天府大道北段的“環球中心”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。臺風過后行業內專家對廈門的幕墻、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良好，沒有結構受損情況發生，只有少數門窗幕墻的玻璃出現局部受損現象，極個別項目處于風口位置的落地門窗受損較為嚴重。

　　二、須提高安全意識

　　在上述兩例事件中，無論是沿海城市廈門還是內陸城市成都，從現場的情況看，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，產生變形后導致玻璃破碎掉落。這足以警示我們提高對結構設計安全度的重視。

　　結構設計方法經歷了從容許應力法、破壞階段設計法、極限狀態設計法到概率極限狀態設計法的發展過程。建筑幕墻的設計源于鋼結構設計，也是按近似概率理論的極限狀態設計法，設計滿足功能要求的結構,也就是把外界作用對結構的效應與結構本身的抵抗力（詞條“抗力”由行業大百科提供）來加以比較，以達到結構設計既安全又經濟的目的。具體的說也就是在預定的作用及材料性能條件下，確定結構構件按功能要求的截面尺寸和滿足構造要求。但是，極限狀態設計并不意味著幕墻構件的承載力設計都趨于極限值。

　　玻璃幕墻作為建筑外圍護結構，應遵守三個基本的原則：安全性、適用性和經濟性。安全是第一位的，適用、合理的結構是必須的。構件的極限狀態不僅包括承載力的極限狀態，而且包括撓度(變形)的極限狀態，這其中就已經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和穩定性，而不是在極限狀態。極限狀態是桿件處于失效狀態的臨界狀態，倘若設計時取用極限承載力狀態，也就把幕墻構件置于危險的邊緣。一旦有短時極端氣候條件出現，風力過大就會導致桿件失穩，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損失。

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

　　結構的可靠性是結構的安全性、適用性和耐久性這三者的總稱，我們在幕墻設計中要綜合考慮這三個要素。我們提倡大膽創新，只有創新，才有發展。但是創新不等于蠻干。正如行業內一位老專家所言：建筑設計的創新，要由合乎邏輯的結構設計來成全，大膽不可妄為;經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計與施工，必將釀成難以收拾的災禍。

　　結語

　　建筑幕墻是建筑的外圍護結構，是屬于建筑設計的一部分，首先也應遵循《建筑結構可靠度設計統一標準》(GBJ68-1984)。作為幕墻設計師要有責任意識，在幕墻設計中要提高安全意識，構件設計必須保留足夠的安全度，以確保在出現極端氣候條件時幕墻構件有足夠的承載力，不因失效而出現安全事故。在追求利潤，降低成本的同時要優先考慮安全，既要大膽創新，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，選擇適合自身結構特點的構造，絕不可以生搬硬套。要充分兼顧幕墻結構的安全性、適用性和耐久性。

　　幕墻結構的可靠度是我們每一個幕墻設計師必需堅守的底線。

　　參考文獻

　　【1】《玻璃工藝學》趙彥釗、殷海榮主編，化學工業出版社

　　【2】《玻璃幕墻工程技術規范》JGJ102-2003

　　【3】《鋼結構-原理與設計》沈德洪，同濟大學

　　【4】《建筑結構可靠度設計統一標準》GB50068-2001