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　　0 幕墻經(jīng)受強臺風的考驗

　　按照規(guī)范正確進行設計和施工的幕墻,可以抵抗強臺風的襲擊。

　　2018年9月16日，超強臺風山竹在珠三角登陸，廣州、深圳、珠海的建筑幕墻經(jīng)受了一次嚴峻的考驗。這次臺風最大風力達到14至16級，遠遠超出了幕墻設計的標準。

　　在這次超強臺風中，絕大多數(shù)幕墻表現(xiàn)是良好的，在遠超設計風力的強風吹襲下，幕墻沒有破損或者破損輕微(圖 0.1至圖0.4)。

　　其中，在設計和建造過程中最令人擔心的幾棟特殊建筑幕墻，表現(xiàn)出極為良好的抗風能力，使我們深深認識到：認真設計，認真施工，可以大大提高建筑幕墻的抗風能力。

　　1. 超高建筑

　　深圳平安金融中心，600m高，明框幕墻，不銹鋼板豎向線條(圖0.5)。此外如廣州塔(600m)，廣州東塔(528m)，廣州西塔(432m)，深圳京基100(412m)，深圳地王大廈(350m)等均未發(fā)生強風產(chǎn)生的破損。

　　2. 超高陶板裝飾線條

　　廣州周大福中心(廣州東塔，528m)，豎向采用空心陶板裝飾線條，安裝到500m以上的高空，這是世界獨一無二的，由于事先采取了特殊的加強措施，這種脆性的材料在強風中安全無恙(圖 0.6)。

　　3. 世界最高的隱框玻璃幕墻

　　廣州國際金融中心(廣州西塔，432m)，玻璃單元板塊最大1.5mX6.0m，重600kg。全隱框幕墻，世界第一高。采用了高強結(jié)構(gòu)膠。山竹臺風中表現(xiàn)良好，無損害(圖 0.7)。

　　1 風力對建筑幕墻的作用

　　1.1 風力沿建筑表面的分布

　　作用在建筑物表面風力大小與風速的平方成正比。2016年9月，莫蘭蒂臺風在廈門登陸，風速達48m/s，換算風荷載達 1.44kN/m2，為廈門按規(guī)范設計風力的 1.8 倍。

　　作用于建筑物表面，即幕墻上的風力不是均勻分布的。在水平面上，建筑物的角部幕墻受到的風力比大面上的風力要大得多(圖1.1)。莫蘭蒂臺風中，許多幕墻角部附近的玻璃損壞比大面上的玻璃要多(圖1.2)。

　　沿幕墻高度方向，風荷載總的趨勢是隨著高度加大而逐漸加大。所以荷載規(guī)范給出的風荷載高度系數(shù)是沿高度逐漸加大的(圖1.3)。但實際上由于氣流在建筑物頂部可以較順利地滑過，頂部的風力反而減少(圖1.4)。風力現(xiàn)場實測表明：風力的最大值不在幕墻的頂點，而在幕墻的 1/2 至 3/4 高度上。

　　圖 1.5 為廣州環(huán)市廣場大廈(220m，石材幕墻)在風洞試驗中的風力沿高度分布的實測結(jié)果。實測數(shù)據(jù)表明頂部風力分布與規(guī)范給出的分布是有差別的。

　　美國 M.I.T 大廈的風力實測也得到類似的結(jié)果(圖 1.6)。

　　圖1.7 為廈門中綠大廈玻璃幕墻在莫蘭蒂臺風中損壞玻璃沿高度的分布，損壞最多的部位是幕墻的中高部分。

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　　1.2 狹縫效應

　　空氣通過相鄰建筑物之間的狹縫時，風速會相應加大(圖 1.8)。這就使得狹縫兩側(cè)和正對狹縫后排的建筑幕墻受到更大的風力作用，發(fā)生更嚴重的風力破損。

　　圖1.9 為廈門寶墅住宅區(qū)，第一排住宅正對大海，直接受到登陸臺風的襲擊。但是臺風過后，第一排首當其沖的住宅玻璃破碎較少，而第二排、第三排住宅樓的門窗玻璃破損要嚴重得多(圖1.10)。

　　1.3 幕墻構(gòu)件的風振疲勞

　　風力的大小隨時間不斷變化，幕墻構(gòu)件受到的風荷載也在急速變化(圖 1.12)。幕墻構(gòu)件的荷載是脈動的、疲勞的荷載。

　　在幕墻生存期內(nèi)(30至50年)，幕墻構(gòu)件受到的疲勞次數(shù)可以達到10萬到100萬次。因此，面板、結(jié)構(gòu)膠、連接件和支承結(jié)構(gòu)的耐疲勞性能要充分注意。

　　2 設計風荷載

　　2.1 幕墻設計風荷載首先按規(guī)范計算

　　作用在幕墻上的風荷載首先應按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》進行計算。按50年一遇取用當?shù)氐?a target='_blank' style='font-size:1em; border-bottom:1px dotted blue;'>基本風壓，選取相應的體形系數(shù)、高度系數(shù)和風振系數(shù)，計算風荷載的標準值，并考慮超載系數(shù)1.4 計算其設計值。這是幕墻設計的最基本依據(jù)。

　　2.2 風洞試驗是重要的設計手段

　　實際建筑物外形往往比較復雜，附加裝飾較多，超出規(guī)范的常規(guī)范圍;加之臨近建筑的影響往往需要考慮，這時風洞試驗就成為重要的設計手段。近年來我國建成了許多建筑風洞，適應工程建設的需要。圖 2.1 為中國建筑科學研究院的建筑風洞，其試驗段的截面為6.5m X 3.5m，可以適應大比例建筑模型實驗的需要。

　　圖2.2 為國內(nèi)外一些大型工程的風洞試驗，試驗結(jié)果為這些工程的主體結(jié)構(gòu)和幕墻設計提供了重要的依據(jù)。

　　2.2 風洞試驗結(jié)果的分析判斷

　　風洞試驗結(jié)果是幕墻抗風設計的重要依據(jù)，但要用好這些試驗結(jié)果，必須對試驗數(shù)據(jù)進行分析判斷。

　　首先，風洞試驗設備是大型、復雜的試驗系統(tǒng)，其可靠性取決于運行技術和良好的維護。事實上，往往同一個工程在不同的風洞試驗室進行試驗，其結(jié)果會有明顯差別。因此重大、復雜的工程宜在兩個以上的試驗室進行試驗。上海市明確要求 300m 以上的超高層建筑應在兩個不同的試驗室進行風洞試驗。

　　第二，建筑物不同于火箭、飛機、汽車，其體量巨大，進行風洞試驗時模型比例較小，一般單體試驗為 1/100 至 1/250;群體風環(huán)境試驗的比例更小到 1/500 至 1/2000。因此這種小比例模型難以表達原建筑的建筑細部，而且其結(jié)果的相似性和模擬可信度也難以確定。

　　第三，風洞試驗測量的數(shù)據(jù)并不是直接用于實體工程的風荷載，從測量的數(shù)據(jù)到設計用的風荷載，中間要經(jīng)過多次轉(zhuǎn)換，用到許多轉(zhuǎn)換系數(shù)，轉(zhuǎn)換過程人為因素會有一些影響。

　　試驗者的工程經(jīng)驗和直覺判斷非常重要。因此純學術型的風洞實驗室往往提交出偏離實際的實驗結(jié)果。重要工程的風洞試驗宜在有較多工程經(jīng)驗的風洞實驗室進行。

　　由于上述多種因素的影響，設計人員拿到的風洞試驗報告中，往往可能出現(xiàn)明顯偏離工程實踐經(jīng)驗的數(shù)據(jù)點，對這些偏離實際的“奇點”，應對其數(shù)據(jù)進行分析判斷，決定其取舍，而不能照搬照用。某大型國際會議中心(圖2.3)因其體型極其復雜，無法按規(guī)范確定其準確的風荷載，因此進行了風洞試驗。實驗結(jié)果風洞試驗報告中，許多點的風荷載數(shù)值達到 1.4 kN/m2。

　　這個數(shù)值達到按規(guī)范計算風荷載值的 3 倍，也達到周邊臨近點試驗值的3.5倍以上。從工程經(jīng)驗來看，這是不可能的。因此經(jīng)過細致分析，舍棄了這些奇點的不合理峰值。

　　所以， 《玻璃幕墻工程技術規(guī)范 JGJ 102》 和 《金屬與石材幕墻工程技術規(guī)范 JGJ 133》 中，沒有采用“按照風洞試驗數(shù)據(jù)進行幕墻設計”的表達方式。

　　2.3 幕墻設計風荷載的決定

　　幕墻的設計風荷載首先按照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》進行計算。當未進行風洞試驗時，幕墻按照規(guī)范計算結(jié)果進行抗風設計。

　　進行了風洞試驗時，對提供的風洞試驗結(jié)果應加以分析，了解風洞試驗段的風力分布和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程中所用的系數(shù)數(shù)值是否符合規(guī)范規(guī)定，并根據(jù)工程經(jīng)驗和計算結(jié)果加以判斷，然后確定如何在設計中應用。

　　由于上述2.2中所述情況，所以規(guī)范第5.3.3條沒有寫成“應按照試驗數(shù)值采用” ，而是寫成“ 可按試驗結(jié)果和計算結(jié)果綜合分析確定” 、“宜進行風洞試驗并按風洞試驗結(jié)果和計算結(jié)果綜合分析確定風荷載”。不是直接采用試驗結(jié)果，而是和計算結(jié)果綜合分析后再確定風荷載。

　　3 防止臺風對幕墻的二次破壞

　　3.1 臺風對幕墻玻璃的二次破壞

　　臺風中幕墻玻璃的破損，除直接被風力壓碎以外，還有許多玻璃面板是因為被臺風卷起、夾帶的雜物擊碎的。這些沖擊碎物，一些來自地面，磚石、棍棒等被強大的風力抬升，撞向玻璃幕墻;還有一些是建筑幕墻高處破損后，破碎的構(gòu)件被臺風夾帶，撞擊較低處的玻璃面板，造成二次傷害(圖3.1 - 圖3.4)。

　　3.2 抗臺風玻璃和抗臺風幕墻門窗

　　抗臺風玻璃是加強型夾膠玻璃，能耐受風持雜物的沖擊，沖擊后能保持玻璃的完整性和門窗幕墻的建筑功能。重要的工程，玻璃破碎后會產(chǎn)生重大損失的工程，可以采用防碎物沖擊玻璃(防臺風玻璃)及其門窗產(chǎn)品(圖 3.5)。

　　防碎物沖擊玻璃可以是高強單片玻璃、夾膠玻璃或夾膠中空玻璃。根據(jù)需要防止的雜物的種類和大小，選用防臺風玻璃的等級，決定玻璃的厚度和構(gòu)成，并通過試驗加以驗證(圖 3.6)。

　　GB/T29738《建筑幕墻和門窗抗風攜碎物沖擊性能分級及檢測方法》中，規(guī)定按照不同的發(fā)射物和發(fā)射速度將門窗幕墻的抗颶風級別分為A、B、C、D、E五個級別。 測試樣品在通過發(fā)射物沖擊測試后還必須通過次正、負壓各4500次、共計9000次的循環(huán)風壓（詞條“風壓”由行業(yè)大百科提供）試驗。試驗后門窗玻璃應保持完整，不能被發(fā)射物穿透，也不能產(chǎn)生可使76mm直徑球體通過的開口及長度超過130mm的裂口。

　　我國如金剛玻璃公司等廠家從2005年開始防臺風攜碎物玻璃的研發(fā)工作，已經(jīng)可以提供防臺風玻璃和采用防臺風玻璃的門窗系統(tǒng)。 通過國內(nèi)外防臺風實驗室檢測，國產(chǎn)防臺風玻璃和防臺風門窗系統(tǒng)產(chǎn)品的防沖擊性能可以達到和超過最高級別 E 級的要求。

　　4 大尺寸玻璃的抗風能力

　　4.1 許多幕墻工程采用大尺寸玻璃

　　由于建筑功能和建筑藝術的需要，許多幕墻工程采用了大尺寸玻璃。

　　廣州西塔是世界最高的隱框幕墻(2008年建成)，高度432m(圖4.1)。玻璃4.5米X1.5米，6.0米X1.5米，玻璃配置:(8mm+1.52PVB+8mm)+12A+10mm。 玻璃采用半鋼化。最大玻璃板塊面積達 9 m2，重量達600kg。全部玻璃采用高強結(jié)構(gòu)膠與副框粘結(jié)。至今已經(jīng)10年，多次臺風吹襲，大玻璃安全可靠。

　　天津 117 工程，高度597m。玻璃尺寸為1.5m X 6.0m，面積達 9.0m2。玻璃：超白、Low-E、中空、外片PVB夾膠半鋼化 、內(nèi)片鋼化。 標準層： ( 8 + 1.52 PVB + 8 )+12A + 8;高空大堂層(32、63、94、115、116層)：( 8 + 1.52 PVB + 8 )+ 12A + 10( 12)。

　　北京金霖酒店采用懸膜中空玻璃，內(nèi)外均為12mm 鋼化玻璃，尺寸達到 2m X 9.8m(圖 4.3)。

　　目前，中國是世界超大玻璃的供應國，可以生產(chǎn)最大尺寸為18m X 4m，厚度達25mm的超大玻璃;并對長達 18m 的玻璃進行鋼化、夾膠、熱彎（詞條“熱彎”由行業(yè)大百科提供）和中空等深加工。各國蘋果店的超大夾膠玻璃都是北玻供貨的。

　　美國加州的蘋果總部為直徑 500m 的環(huán)形辦公樓，4層，玻璃幕墻總長度達6000m(圖4.4)。

　　玻璃類型：超白，Low-E 鋼化，熱彎，中空 ;玻璃尺寸：15m X 3.3m;玻璃面積：50㎡ ;

　　玻璃配置： 12mm+16mmAr+12mm。 全部大玻璃由中國供應或由在德國的中國設備生產(chǎn)。

　　4.2 超大玻璃的尺寸應由安全條件決定

　　超大玻璃是否安全首先要考慮對于人身撞擊是否安全。試驗證明，厚度為10mm及以上的鋼化玻璃，不會因人身撞擊而破碎，厚度 12mm 及以上的落地鋼化玻璃也可以不設置防護欄桿(圖 4.5、圖4.6)。

　　所以，采用厚度10mm及以上的鋼化玻璃及鋼化中空玻璃時，不必因考慮人身安全而對玻璃尺寸限制過嚴。

　　幕墻玻璃主要的面外荷載是風力，只要經(jīng)過抗風設計，滿足承載力和剛度要求，玻璃可采用較大的尺寸。

　　國內(nèi)外大量工程采用了大尺寸玻璃，使用經(jīng)驗表明沒有什么問題。實踐是檢驗真理的標準，還是按照常規(guī)設計方法進行設計，不要人為隨意規(guī)定一些限制。

　　5 提高玻璃幕墻的抗風能力

　　構(gòu)造措施是提高玻璃幕墻抗風能力，確保玻璃幕墻在臺風襲擊時安全工作的重要手段。以下這些做法是幕墻設計時應予注意的。

　　1. 中空玻璃的二道密封膠要采用硅酮結(jié)構(gòu)膠。結(jié)構(gòu)膠寬度通過風荷載計算決定，最小 7mm。

　　2. 開啟扇要妥善處理，面積不宜大于 1.5㎡ ，掛鉤要有足夠入槽深度，要有限 位裝置。

　　3. 明框壓板（詞條“壓板”由行業(yè)大百科提供）厚度不小于2.0mm。

　　4. 幕墻下方設隔離帶，入口設雨棚。

　　5.1 正確采用中空玻璃二道密封膠

　　中空玻璃二道密封膠粘結(jié)前后玻璃。在明框玻璃板塊中由于有金屬壓條固定，風力和地震力由壓條承受，二道密封膠不承受外力，所以可采用聚硫膠。

　　隱框幕墻、半隱框幕墻、全玻幕墻和點支承幕墻的中空玻璃，二道密封膠是要承受風力和地震力的，隱框幕墻和半隱框幕墻的中空玻璃，二道密封膠還要承受外片玻璃的自重。所以必須采用硅酮結(jié)構(gòu)密封膠。鋼爪、夾板支承的點支玻璃，離開支點較遠的部位，二道密封膠也要部分受力，也要采用硅酮結(jié)構(gòu)密封膠作為中空玻璃的二道密封。

　　2011年，杭州慶春大廈發(fā)生19樓外玻整片墜落重傷行人的事件。這是由于業(yè)主自行決定將部分固定玻璃板塊改為開啟窗，交由非專業(yè)門窗廠施工。違反隱框中空玻璃二道密封膠必須用硅酮結(jié)構(gòu)膠的規(guī)定，竟然采用聚硫膠，導致外片玻璃整片滑落，砸斷行人小腿導致截肢。經(jīng)檢查，膠與鋁框接觸面光滑、潮濕，玻璃是在風力作用下整體滑落(圖5.1)。

　　二道密封膠的寬度要由隱框、半隱框中空玻璃的荷載、尺寸，通過計算決定。并且不得小于 7 mm。

　　由于中空玻璃二道密封膠的質(zhì)量問題，2016年9月莫蘭蒂臺風中，廈門有些幕墻中空玻璃的外片掉落(圖5.2)。

　　5.2 活動開啟扇

　　玻璃幕墻的活動開啟扇不應采用外開平開窗，外開窗容易被大風吹落;也不應采用推拉窗，推拉窗密封性能差，大雨大風中易漏風滲水。目前廣泛采用上懸外開窗。上懸窗的開啟角度不應大于30度，下端開啟距離不應大于300mm (圖5.3)。

　　上懸窗的掛鉤應有足夠的入槽深度，并設有金屬的限位防脫鉤裝置(圖5.4)。

　　圖 5.5 為北京某高層寫字樓的開啟扇被風吹落，其上懸掛鉤入槽設計不當，且沒有設置限位裝置。圖6.6 為北京某三甲醫(yī)院的開啟扇被吹落，其上懸掛鉤與橫梁（詞條“橫梁”由行業(yè)大百科提供）不成整體，且自攻螺釘固定處的橫梁壁厚太小，螺釘無法固定，大風將螺釘從釘孔處拔出;加之采用塑料限位塊，脫鉤時被擠壓變形，不起限位作用，阻止不了開啟扇被大風吹落。

　　在臺風吹襲下，開啟扇墜落的事件更容易發(fā)生，合理進行開啟扇設計，確保開啟扇安全尤為重要(圖5.7、圖5.8)。

　　5.3 隱框玻璃的壓塊

　　隱框玻璃板塊的副框由壓塊、螺釘連接到鋁橫梁和鋁立柱上，玻璃面板的風荷載要由壓塊、螺釘傳遞到支承結(jié)構(gòu)上，所以壓塊和螺釘?shù)氖芰�應加以計算，且間距不大于300mm。

　　天津五礦大廈隱框玻璃幕墻的角部玻璃板塊，2010年3月，幕墻玻璃正在安裝中，由于等待修改設計，角縫處附框懸空，尚未固定，四邊支承板成為一個長邊自由、三邊簡支板。 當晚刮8級大風，現(xiàn)場未封閉，玻璃正反面均受大風長時間作用。大塊的玻璃連框拔出，整塊掉落。小尺寸玻璃未出問題(圖5.9)。

　　隱框玻璃幕墻角部板塊超大，面積達7平方米，邊長達3.2米，附框相對薄弱，易變形。施工過程，外部未封閉。遇8級以上大風，板腹背均受大的風力;尤其位于銳角角區(qū)，風力更大。壓塊間距過大，每個壓塊受力太大，而固定螺釘部位型材壁厚加厚不足，風反復作用，螺釘孔晃大，螺釘終于逐個拔出，玻璃連框整塊掉下(圖5.10)。

　　6 提高鋁板幕墻的抗風能力

　　6.1 臺風中鋁板幕墻表現(xiàn)總體良好

　　在2016年莫拉蒂臺風和2017年天鴿臺風中，廈門和珠海的鋁板幕墻抗風能力總體良好，鋁板幕墻損壞不多(圖6.1)。采用鋁板幕墻的工程，在這次臺風中損害較少。鋁板的板塊是折邊的，通過角碼、螺釘與橫梁、立柱連接，工作比較可靠。

　　發(fā)生風損壞的原因通常是折邊過少，螺釘開孔過分靠近板邊緣，風力作用下板邊撕開。還有就是角碼距離過大，螺釘連接處鋁型材沒有局部加厚，螺釘拔出，連接失效。

　　但是，既然發(fā)生了損壞，就有必要進一步提高鋁板幕墻的抗風能力。

　　6.2 鋁板折邊要有足夠?qū)挾�，螺釘孔離板邊有足夠距離

　　螺釘孔離開鋁板的板邊要有足夠的距離，避免在拉力作用下鋁板被撕開�？字行狞c至板邊的距離不應小于 2 倍的孔徑(圖6.2)。為此，折邊鋁板的折邊寬度不應小于25mm(圖6.3)。

　　圖6.4為在莫蘭蒂臺風中吹落的鋁板，明顯是由于孔邊剩余鋁板太窄，孔邊被撕開，鋁板失去固定而吹落。

　　6.3 面板的厚度要適應連接構(gòu)造

　　選用非常規(guī)的面板連接構(gòu)造時，面板的厚度要與連接構(gòu)造相適應，未經(jīng)試驗驗證確保安全，不要隨意改動。廣州新保利大廈自2007年建成以來，連年在臺風中鋁板被吹落，不得不從新改造(圖6.5)。

　　本工程采用白色單層鋁板，2007-2012年，每年在臺風中都有板塊吹落。鋁板與鋁橫梁立柱的連接采用歐洲的平板開縫、種釘掛鉤的方式(圖6.6)。

　　這種連接方式要求鋁面板厚度不小于 5mm ，使面板有足夠的剛度，防止大風下產(chǎn)生過大變形，避免掛鉤轉(zhuǎn)動拔出，保證掛鉤工作可靠。但是本工程自行將板厚更改為 3mm ，面板在大風中變形過大，掛鉤滑出，面板吹落。到2012年，只得拆除全部鋁面板，改為國內(nèi)傳統(tǒng)的折邊連接方式。

　　7 結(jié)語

　　歷史的經(jīng)驗證明，只要嚴格按照幕墻規(guī)范進行設計和施工，建筑幕墻在臺風中的表現(xiàn)是良好的，是經(jīng)得起臺風的考驗的。圖7.1為深圳發(fā)展中心，1987年建成，內(nèi)地第一座隱框玻璃幕墻。至今30年，經(jīng)歷多次強臺風，完好無損。圖7.2為深圳蛇口新時代廣場，高175m，為內(nèi)地第一座超過100m的石材幕墻，位于海邊風口，1997年建成。 30mm厚花崗巖板，通槽長掛板連接。20多年來，經(jīng)受多次超強臺風襲擊，無損壞。

　　2016年百年不遇的強臺風莫蘭蒂襲擊廈門，風力大大超出了設計標（詞條“設計標”由行業(yè)大百科提供）準，但是絕大部分幕墻完好無損;2017年超強臺風天鴿襲擊珠海，港珠澳大橋人工島、珠海大劇院等海上建筑的幕墻處于波浪滔天的包圍之中，臺風過后安然無恙(圖7.3)。

　　按幕墻規(guī)范認真進行設計，嚴格進行施工，就能確保建筑幕墻的質(zhì)量，確保幕墻在設計標準的大風作用下的安全。