設(shè)計中影響幕墻安全及應(yīng)用的關(guān)鍵因素

1. 前言

　　我國玻璃幕墻行業(yè)從1983年開始起步，1990年代進入高速發(fā)展期，因玻璃幕墻外形簡潔、豪華、現(xiàn)代感強，具有很好的裝飾效果[1-2]。在上海地區(qū)更是因其自重輕，相當(dāng)于磚砌體墻體的1/12，混凝土墻體的1/10;施工周期短，較一般建筑墻體的施工周期節(jié)省2/3時間，而備受青睞。

位于延安東路的上海“聯(lián)誼大廈”于1984年建成，首開上海玻璃幕墻的先河。截至2016年底，上海約有玻璃幕墻建筑12000幢，已成為我國玻璃幕墻建筑數(shù)量最多的城市，總幕墻面積約占全國的20％，且大多存在于人流密集的CBD區(qū)域。

然而在這短短30年的時間里，我國的幕墻行業(yè)卻走完了國外建筑幕墻150年的發(fā)展史。部分調(diào)查研究數(shù)據(jù)表明[3]，這些既有的玻璃幕墻建筑存在著較大的安全隱患，主要表現(xiàn)為鋼化玻璃自爆、面板脫落、開啟扇墜落、結(jié)構(gòu)膠老化、連接件失效、五金件缺失等多項問題。

2012年頒布實施的第77號滬府令《上海市建筑玻璃幕墻管理辦法》明確規(guī)定：“采用玻璃幕墻的建設(shè)工程，建設(shè)單位應(yīng)當(dāng)在初步設(shè)計文件階段，編制玻璃幕墻結(jié)構(gòu)安全性報告，并提交建設(shè)行政管理部門組織專家論證(第九條)”;“建設(shè)單位在申請施工圖設(shè)計文件審查時，應(yīng)當(dāng)提交結(jié)構(gòu)安全性論證報告、光反射環(huán)境影響技術(shù)評估報告和專家論證報告(第十條)”。

同期配套出臺的滬建交(2012)第100號文《關(guān)于實施建筑玻璃幕墻結(jié)構(gòu)安全性論證的通知》，更是明確規(guī)定：“本市行政區(qū)域內(nèi)新建、改建、擴建工程和立面改造工程中采用玻璃幕墻的建設(shè)工程，均應(yīng)按照《上海市建筑玻璃幕墻管理辦法》的規(guī)定，實施建筑玻璃幕墻結(jié)構(gòu)安全性論證(第一條)”;“建設(shè)單位在申請委托建筑玻璃幕墻結(jié)構(gòu)安全性論證時，應(yīng)提交建筑玻璃幕墻結(jié)構(gòu)安全性論證申請表、玻璃幕墻結(jié)構(gòu)安全性報告、玻璃幕墻結(jié)構(gòu)計算書、上海市建設(shè)工程報建表、規(guī)劃部門審批意見(第四條)”。

上述法律法規(guī)實施已近五年，玻璃幕墻結(jié)構(gòu)安全性論證(以下簡稱“安評”)實施過程中各級管理部門、建設(shè)單位、設(shè)計單位、幕墻企業(yè)都碰到了不少問題。結(jié)合第一階段匯總整理幕墻安評的常見設(shè)計質(zhì)量通病的基礎(chǔ)上，本文擬從確保城市公共安全的角度出發(fā)，進一步分析設(shè)計環(huán)節(jié)中影響幕墻結(jié)構(gòu)安全及使用的關(guān)鍵因素，不斷完善建筑玻璃幕墻管理辦法的配套措施，并從材料內(nèi)因和建筑環(huán)境二個方面闡述了建筑幕墻設(shè)計質(zhì)量通病的防治技術(shù)。

2. 設(shè)計質(zhì)量通病

在第一階段中，我們通過匯總和整理幕墻安評中常見的設(shè)計質(zhì)量通病，把安評資料按照“設(shè)計說明、材料選用、安全設(shè)計、結(jié)構(gòu)圖紙、結(jié)構(gòu)計算書、其他”六個角度進行了歸納匯總，運用數(shù)理統(tǒng)計的方法進行分類匯總(見表1)。

　　表1 調(diào)研項目問題分類匯總

在上海市浦東新區(qū)建交委科技委、浦東新區(qū)建設(shè)工程設(shè)計文件審查事務(wù)中心的大力支持下，針對所收集到的42項玻璃幕墻安評設(shè)計資料，進一步重點提煉了設(shè)計環(huán)節(jié)中影響幕墻結(jié)構(gòu)安全及使用的關(guān)鍵因素，采用文獻檢索、專家會議、問卷調(diào)查等多種形式，歸納和完善常見的設(shè)計質(zhì)量通病最主要存在五個方面：

　　(1) 玻璃尺寸過大，鋼化玻璃的自爆問題始終無較好的解決方法;

　　(2) 細部構(gòu)造設(shè)計不到位，對連接部位的結(jié)構(gòu)計算缺失;

　　(3) 外立面的裝飾條(遮陽條)在缺少合理的驗證前被設(shè)計大膽運用;

　　(4) 建筑材料的防火等級不足、防火分區(qū)的設(shè)置不當(dāng)?shù)?

(5) 組合幕墻中的石材幕墻問題較多。

3. 設(shè)計質(zhì)量通病的防治技術(shù)

根據(jù)上述玻璃幕墻安評中發(fā)現(xiàn)的設(shè)計質(zhì)量通病的影響程度不同，除滿足國家、行業(yè)及地方建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)強制性條文的要求外，本文從內(nèi)在本質(zhì)和外部使用二個方面總結(jié)提出玻璃幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵因素，并有針對性地展開研究，提出相關(guān)的防治技術(shù)。

　　(1)優(yōu)選原材，本質(zhì)解決幕墻玻璃自爆

據(jù)中國建筑裝飾協(xié)會幕墻工程委員會對北京、上海、天津、重慶、西安、武漢、深圳、哈爾濱、廈門、溫州10個城市96座在用建筑幕墻的質(zhì)量與安全情況進行抽樣調(diào)查結(jié)果顯示[3]， 既有幕墻存在安全隱患，可以初步認定為鋼化玻璃自爆的板塊47塊，有重要隱患的幕墻工程9項，占調(diào)查項目總數(shù)的9.38％。如果去掉鋼化玻璃自爆因素，比例下降到2.3％。

玻璃面板是幕墻最常使用的材料，由于玻璃在生產(chǎn)過程中混入了含有硫化鎳結(jié)晶物，NiS(硫化鎳)在379℃時有一相變過程，從高溫狀態(tài)的α-NiS晶系轉(zhuǎn)變?yōu)榈蜏貭顟B(tài)β-NiS晶系時，體積膨脹2％~4％，且表面粗糙。如果這些雜質(zhì)是在鋼化玻璃張應(yīng)力區(qū)內(nèi)，則體積膨脹就可能引起炸裂。

　　新的研究表明[4]，玻璃內(nèi)單質(zhì)硅結(jié)晶微粒膨脹也會引起玻璃的破裂。單質(zhì)硅微粒的膨脹系數(shù)只是玻璃膨脹系數(shù)的一半，而硬度卻比玻璃大。由于玻璃內(nèi)分散著部分單質(zhì)硅微粒，當(dāng)溫度下降時，引起單質(zhì)硅微粒周邊玻璃的切向應(yīng)力增大。當(dāng)應(yīng)力過大時引起局部拉伸裂縫，并導(dǎo)致整體破碎。

關(guān)于鋼化玻璃自爆率，國內(nèi)各生產(chǎn)廠家的說法從0.3％～3％不等，且并不完全一致。這也就意味著，即使是合格的鋼化玻璃，在通過所有的審核以及驗收過后，它仍舊有一定數(shù)量的自爆率。而對于部分大面積(5平米以上)、厚板塊(單片超過20mm玻璃或是由兩片鋼化玻璃組成的板塊)實際的自爆率可能更高。

目前，從材料內(nèi)在本質(zhì)上解決鋼化玻璃“自爆”的主要有熱浸處理加工工藝和優(yōu)質(zhì)超白玻璃。

熱浸處理(Heat Soak Test，簡稱HST)又稱均質(zhì)處理。主要作用是促使硫化鎳在鋼化玻璃的工廠熱浸爐中快速完成晶相轉(zhuǎn)變，讓原本使用后才可能自爆的鋼化玻璃人為地提前破碎在工廠的熱浸爐中，從而減少安裝后使用中的鋼化玻璃自爆。按照國外經(jīng)驗，經(jīng)過均質(zhì)處理后的鋼化玻璃自爆率可降低至0.15％以下。

超白玻璃，是采用浮法工藝生產(chǎn)，成分中Fe2O3含量不大于0.015％，具有高可見光透射比的平板玻璃。超白玻璃，因其選材基本不用傳統(tǒng)玻璃所用的礦物原料(如長石、白云石、石灰石等)，而用的是純度較高的化工原料，如氫氧化鋁、碳酸鈣、碳酸鎂等，通過有效降低氧化鐵的摻量，沒有了自爆的內(nèi)因，所以不會發(fā)生鋼化玻璃的自爆。

　　(2)按規(guī)范設(shè)計，提升玻璃防墜性能

現(xiàn)行的國標(biāo)《建筑玻璃應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》JGJ113-2015和地標(biāo)《建筑幕墻工程技術(shù)規(guī)范》DGJ08-56-2012對幕墻玻璃面板的安全選用提出明確的要求。

本文結(jié)合浦東新區(qū)建設(shè)工程設(shè)計文件審查事務(wù)中心提供的42多個多項建筑工程的玻璃幕墻安評資料，對玻璃幕墻的細部設(shè)計中反映的與幕墻面板脫落相關(guān)的質(zhì)量通病進行匯總分析，吃透規(guī)范，按規(guī)范設(shè)計，實現(xiàn)確保玻璃幕墻的整體結(jié)構(gòu)安全性能。

　　a)加強玻璃外片質(zhì)控

根據(jù)國發(fā)改委運行[2003]2116號《建筑安全玻璃管理規(guī)定》的要求，幕墻必須使用安全玻璃。該規(guī)定中所稱安全玻璃，是指符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)的鋼化玻璃、夾層玻璃及由鋼化玻璃或夾層玻璃組合加工而成的其他玻璃制品，如安全中空玻璃等。上海地標(biāo)《建筑幕墻工程技術(shù)規(guī)范》更是在全國率先提出，臨街的建筑如需采用玻璃幕墻宜優(yōu)先采用夾層玻璃;針對人員密集且流動性大的重要公共建筑的幕墻玻璃面板應(yīng)采用夾層玻璃。

通過工程前的優(yōu)質(zhì)選材，加強玻璃外片的質(zhì)量控制。選擇缺陷相對較少的原片作為中空玻璃的外片，適度鋼化保證鋼化玻璃表面應(yīng)力差較小，應(yīng)力分布均勻，提高鋼化玻璃邊部的加工質(zhì)量等。

　　b)控制玻璃最大面積

通過大量的工程案例發(fā)現(xiàn)，超大面積的鋼化玻璃發(fā)生自爆的概率會遠遠高于常規(guī)尺寸的鋼化玻璃。因此，2012年5月1日上海市城鄉(xiāng)建設(shè)和交通委員會和上海市金屬結(jié)構(gòu)行業(yè)協(xié)會聯(lián)合頒布的上海市地標(biāo)《建筑幕墻工程技術(shù)規(guī)范》DGJ08-56-2012第4.1.6條款要求：“幕墻玻璃面板宜不大于4.5 m2，半鋼化玻璃應(yīng)不大于2.5 m2，夾層玻璃面板應(yīng)不大于9.0 m2，鋼化玻璃應(yīng)有防自爆墜落措施、半鋼化玻璃應(yīng)有防墜落構(gòu)造措施”。

　　(3)巧設(shè)緩沖，合理優(yōu)化建筑體型

由于建筑學(xué)的發(fā)展更加豐富了建筑物外立面的體型，而玻璃幕墻作為建筑的外圍護結(jié)構(gòu)更加能突顯出豐富的空間層次、復(fù)雜多變的建筑效果。在建筑體型設(shè)計時，應(yīng)考慮結(jié)合玻璃幕墻高空墜落的防護性能，合理選用退臺、外挑、底層架空等體型處理手法，確保建筑使用安全。

在建筑的總體規(guī)劃設(shè)計中，應(yīng)合理劃分通行區(qū)、活動區(qū)、隔離區(qū)和緩沖區(qū)等功能區(qū)域，并處理好相互之間的關(guān)系。隔離區(qū)和通行區(qū)、活動區(qū)之間一定要建立明確的邊界，建立豎向防護的安全措施，并確保通行區(qū)、活動區(qū)不得與隔離區(qū)交叉和重疊。

　　塔樓式建筑幕墻中退臺的設(shè)置有很多優(yōu)點[5]，一方面豐富了建筑的體型;另一方面還可為樓層空間提供類地面的活動場所。退讓出來的露臺增加了人性化的使用空間，但同時也形成了一個防面板高空墜落的緩沖區(qū)。反之，外挑體型的建筑則因建筑的局促而不法設(shè)置合理的緩沖區(qū)域，造成潛在的墜落傷害風(fēng)險。

　　(4)遮陽和防火，兼顧安全

合理有效地布置幕墻的外遮陽措施，可以改善室內(nèi)熱舒適環(huán)境，降低通風(fēng)、空調(diào)、采暖的負荷，提高建筑節(jié)能的效果。然而，在注重建筑遮陽效果和建筑外觀效果的同時，更須確保外遮陽裝置的安全性能。雖然幕墻外遮陽的結(jié)構(gòu)安全性計算尚無明確的規(guī)范可依，但已有部分幕墻設(shè)計單位嘗試性地開展有限元計算分析，并通過相關(guān)的模擬試驗來驗證，指導(dǎo)具體的工程實踐。

幕墻防火性能也越來越多受到設(shè)計師的關(guān)注。通過研究防止火焰沿著幕墻外墻、屋面?zhèn)鞑?，面板或保溫材料可燃時如何防止立體燃燒，建立防止立體燃燒的幕墻技術(shù)指標(biāo)體系，在設(shè)計圖紙階段完善幕墻防火節(jié)點和防火分區(qū)的設(shè)計。

　　(5)擴大安評范圍，延伸至組合幕墻

安評中發(fā)現(xiàn)玻璃和石材的組合幕墻的形式很多。特別是石材等重型面板，由于石材幕墻連接性能在使用過程中不斷發(fā)生退化，溫度變化、機械振動以及各種各樣的外界因素的影響，這樣的受力狀態(tài)很難用傳統(tǒng)的理論進行計算和分析。

建議擴大安評的范圍，結(jié)合石材幕墻的結(jié)構(gòu)耐久性分析，實現(xiàn)建筑幕墻結(jié)構(gòu)安全論證的全覆蓋，整體提升組合幕墻安全性能。

4. 結(jié)語

本文收集了浦東新區(qū)近年來42項的玻璃幕墻安評的設(shè)計資料，在匯總整理幕墻安評的設(shè)計質(zhì)量通病的基礎(chǔ)上，進一步分析了設(shè)計環(huán)節(jié)中影響幕墻結(jié)構(gòu)安全及使用的關(guān)鍵因素，并從材料內(nèi)因、細節(jié)設(shè)計、使用環(huán)境等多個方面闡述了玻璃幕墻防治技術(shù)。

通過玻璃幕墻結(jié)構(gòu)安全性論證及評審工作的推廣，幕墻行業(yè)設(shè)計水平得到了整體提升，特別在建筑幕墻的公共安全及運維方面實現(xiàn)了非常有效的管控，這項工作意義重大，并將不斷地完善和發(fā)展中更好為城市服務(wù)。

參考文獻

　　[1] 上海市房屋土地資源管理局科研項目.既有建筑玻璃幕墻綜合維修技術(shù)研究與應(yīng)用.2009年.

　　[2] 上海市科學(xué)技術(shù)委員會科研項目課題報告.建筑幕墻安全性評估和改造關(guān)鍵技術(shù)研究與示范.2014年.

　　[3] 中國建筑裝飾協(xié)會幕墻工程委員會會議文件.2006年.

　　[4] 包亦望，劉立忠，韓松，石新勇，楊建軍.鋼化玻璃自爆機理的新發(fā)現(xiàn)—單質(zhì)硅微粒引裂.硅酸鹽學(xué)報.2007，(35)9: 1273-1276.

[5] 李晨.城市居住環(huán)境下高空墜物及建筑設(shè)計防墜措施研究.南昌大學(xué)碩士畢業(yè)論文，2007年.

作者：徐勤　王驊