設計中影響幕墻安全及應用的關鍵因素

1. 前言

　　我國玻璃幕墻行業從1983年開始起步，1990年代進入高速發展期，因玻璃幕墻外形簡潔、豪華、現代感強，具有很好的裝飾效果[1-2]。在上海地區更是因其自重輕，相當于磚砌體墻體的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省2/3時間，而備受青睞。

位于延安東路的上海“聯誼大廈”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區域。

然而在這短短30年的時間里，我國的幕墻行業卻走完了國外建筑幕墻150年的發展史。部分調查研究數據表明[3]，這些既有的玻璃幕墻建筑存在著較大的安全隱患，主要表現為鋼化玻璃自爆、面板脫落、開啟扇墜落、結構膠老化、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》明確規定：“采用玻璃幕墻的建設工程，建設單位應當在初步設計文件階段，編制玻璃幕墻結構安全性報告，并提交建設行政管理部門組織專家論證(第九條)”;“建設單位在申請施工圖設計文件審查時，應當提交結構安全性論證報告、光反射環境影響技術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《關于實施建筑玻璃幕墻結構安全性論證的通知》，更是明確規定：“本市行政區域內新建、改建、擴建工程和立面改造工程中采用玻璃幕墻的建設工程，均應按照《上海市建筑玻璃幕墻管理辦法》的規定，實施建筑玻璃幕墻結構安全性論證(第一條)”;“建設單位在申請委托建筑玻璃幕墻結構安全性論證時，應提交建筑玻璃幕墻結構安全性論證申請表、玻璃幕墻結構安全性報告、玻璃幕墻結構計算書、上海市建設工程報建表、規劃部門審批意見(第四條)”。

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

2. 設計質量通病

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

　　表1 調研項目問題分類匯總

在上海市浦東新區建交委科技委、浦東新區建設工程設計文件審查事務中心的大力支持下，針對所收集到的42項玻璃幕墻安評設計資料，進一步重點提煉了設計環節中影響幕墻結構安全及使用的關鍵因素，采用文獻檢索、專家會議、問卷調查等多種形式，歸納和完善常見的設計質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) 細部構造設計不到位，對連接部位的結構計算缺失;

　　(3) 外立面的裝飾條(遮陽條)在缺少合理的驗證前被設計大膽運用;

　　(4) 建筑材料的防火等級不足、防火分區的設置不當等;

(5) 組合幕墻中的石材幕墻問題較多。

3. 設計質量通病的防治技術

根據上述玻璃幕墻安評中發現的設計質量通病的影響程度不同，除滿足國家、行業及地方建設標準強制性條文的要求外，本文從內在本質和外部使用二個方面總結提出玻璃幕墻結構設計的關鍵因素，并有針對性地展開研究，提出相關的防治技術。

　　(1)優選原材，本質解決幕墻玻璃自爆

據中國建筑裝飾協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量與安全情況進行抽樣調查結果顯示[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，占調查項目總數的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，由于玻璃在生產過程中混入了含有硫化鎳結晶物，NiS(硫化鎳)在379℃時有一相變過程，從高溫狀態的α-NiS晶系轉變為低溫狀態β-NiS晶系時，體積膨脹2％~4％，且表面粗糙。如果這些雜質是在鋼化玻璃張應力區內，則體積膨脹就可能引起炸裂。

　　新的研究表明[4]，玻璃內單質硅結晶微粒膨脹也會引起玻璃的破裂。單質硅微粒的膨脹系數只是玻璃膨脹系數的一半，而硬度卻比玻璃大。由于玻璃內分散著部分單質硅微粒，當溫度下降時，引起單質硅微粒周邊玻璃的切向應力增大。當應力過大時引起局部拉伸裂縫，并導致整體破碎。

關于鋼化玻璃自爆率，國內各生產廠家的說法從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，從材料內在本質上解決鋼化玻璃“自爆”的主要有熱浸處理加工工藝和優質超白玻璃。

熱浸處理(Heat Soak Test，簡稱HST)又稱均質處理。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。按照國外經驗，經過均質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，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，沒有了自爆的內因，所以不會發生鋼化玻璃的自爆。

　　(2)按規范設計，提升玻璃防墜性能

現行的國標《建筑玻璃應用技術規程》JGJ113-2015和地標《建筑幕墻工程技術規范》DGJ08-56-2012對幕墻玻璃面板的安全選用提出明確的要求。

本文結合浦東新區建設工程設計文件審查事務中心提供的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計中反映的與幕墻面板脫落相關的質量通病進行匯總分析，吃透規范，按規范設計，實現確保玻璃幕墻的整體結構安全性能。

　　a)加強玻璃外片質控

根據國發改委運行[2003]2116號《建筑安全玻璃管理規定》的要求，幕墻必須使用安全玻璃。該規定中所稱安全玻璃，是指符合現行國家標準的鋼化玻璃、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《建筑幕墻工程技術規范》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采用夾層玻璃。

通過工程前的優質選材，加強玻璃外片的質量控制。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力差較小，應力分布均勻，提高鋼化玻璃邊部的加工質量等。

　　b)控制玻璃最大面積

通過大量的工程案例發現，超大面積的鋼化玻璃發生自爆的概率會遠遠高于常規尺寸的鋼化玻璃。因此，2012年5月1日上海市城鄉建設和交通委員會和上海市金屬結構行業協會聯合頒布的上海市地標《建筑幕墻工程技術規范》DGJ08-56-2012第4.1.6條款要求：“幕墻玻璃面板宜不大于4.5 m2，半鋼化玻璃應不大于2.5 m2，夾層玻璃面板應不大于9.0 m2，鋼化玻璃應有防自爆墜落措施、半鋼化玻璃應有防墜落構造措施”。

　　(3)巧設緩沖，合理優化建筑體型

由于建筑學的發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構更加能突顯出豐富的空間層次、復雜多變的建筑效果。在建筑體型設計時，應考慮結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。

在建筑的總體規劃設計中，應合理劃分通行區、活動區、隔離區和緩沖區等功能區域，并處理好相互之間的關系。隔離區和通行區、活動區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、活動區不得與隔離區交叉和重疊。

　　塔樓式建筑幕墻中退臺的設置有很多優點[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。反之，外挑體型的建筑則因建筑的局促而不法設置合理的緩沖區域，造成潛在的墜落傷害風險。

　　(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，可以改善室內熱舒適環境，降低通風、空調、采暖的負荷，提高建筑節能的效果。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構安全性計算尚無明確的規范可依，但已有部分幕墻設計單位嘗試性地開展有限元計算分析，并通過相關的模擬試驗來驗證，指導具體的工程實踐。

幕墻防火性能也越來越多受到設計師的關注。通過研究防止火焰沿著幕墻外墻、屋面傳播，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指標體系，在設計圖紙階段完善幕墻防火節點和防火分區的設計。

　　(5)擴大安評范圍，延伸至組合幕墻

安評中發現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，這樣的受力狀態很難用傳統的理論進行計算和分析。

建議擴大安評的范圍，結合石材幕墻的結構耐久性分析，實現建筑幕墻結構安全論證的全覆蓋，整體提升組合幕墻安全性能。

4. 結語

本文收集了浦東新區近年來42項的玻璃幕墻安評的設計資料，在匯總整理幕墻安評的設計質量通病的基礎上，進一步分析了設計環節中影響幕墻結構安全及使用的關鍵因素，并從材料內因、細節設計、使用環境等多個方面闡述了玻璃幕墻防治技術。

通過玻璃幕墻結構安全性論證及評審工作的推廣，幕墻行業設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展中更好為城市服務。

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研究與應用.2009年.

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

　　[3] 中國建筑裝飾協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現—單質硅微粒引裂.硅酸鹽學報.2007，(35)9: 1273-1276.

[5] 李晨.城市居住環境下高空墜物及建筑設計防墜措施研究.南昌大學碩士畢業論文，2007年.

作者：徐勤　王驊