1、臺風(fēng)對建筑門窗幕墻的破壞
臺風(fēng)是我國沿海地區(qū)常年遭遇的自然災(zāi)害之一，每年給我國造成的經(jīng)濟損失和對生命的危害不可估量。隨著我國沿海地區(qū)超高層建筑的增多，近年來臺風(fēng)對沿海地區(qū)建筑門窗幕墻，包括金屬屋面（詞條“金屬屋面”由行業(yè)大百科提供）的影響和破壞非常顯著，如2016年廈門百年不遇的“莫蘭蒂”、2017年打破珠海瞬時大風(fēng)風(fēng)速紀(jì)錄51.9米/秒(16級)的“飛鴿”和2018年在深圳登陸并襲擊廣東的“山竹”等均超過14級的強臺風(fēng)，都給當(dāng)?shù)氐慕ㄖT窗（詞條“窗”由行業(yè)大百科提供）幕墻造成了嚴(yán)重的損壞和破壞，其中尤以大面積玻璃破損、開啟扇整體脫落、門窗整體垮塌和幕墻構(gòu)件脫落較為常見。
圖1
1.1 玻璃破損
大面積玻璃破損，是強臺風(fēng)給建筑門窗幕墻造成最為常見的破壞，有些甚至非常嚴(yán)重。圖1為香港海濱廣場在臺風(fēng)“山竹”作用下，玻璃幕墻玻璃大面積嚴(yán)重破損的情況。圖2、圖3為2016年廈門部分門窗幕墻的玻璃破壞狀況。
圖2
圖3
1.2 開啟扇整體脫落
幕墻和門窗的開啟部位是幕墻和門窗抗風(fēng)承載能力（詞條“承載能力”由行業(yè)大百科提供）較弱的部位，開啟扇在臺風(fēng)期間由于鎖閉不嚴(yán)或抗風(fēng)承載力不足導(dǎo)致開啟扇整體脫落下墜。圖4為墜落到地面的窗扇框架，圖5為窗扇脫落后的窗框和殘留的風(fēng)撐，圖6為被風(fēng)掀起即將墜落的窗扇。
圖4
圖5
1.3 門窗整體垮塌
門窗的整體垮塌雖然不為多見，但對于存在設(shè)計和安裝缺陷的門窗，在強臺風(fēng)作用下，出現(xiàn)整體垮塌是不可避免和必然的。從圖7中可以明顯看出門窗設(shè)計存在的嚴(yán)重缺陷，整樘窗的立柱和橫梁（詞條“橫梁”由行業(yè)大百科提供）在風(fēng)荷載受載最大的部位出現(xiàn)了十字連接。圖8和圖9在窗框與結(jié)構(gòu)洞口的連接安裝上出現(xiàn)了連接不可靠的問題。
圖6
圖7
圖8
圖9
1.4 其它的破壞
強臺風(fēng)除了對幕墻門窗的采光部位造成破壞外，對非透明部位幕墻、吊頂、雨棚和屋面等同樣造成多種嚴(yán)重的破壞。圖10為金屬板幕墻的面板脫落，圖11為金屬屋面被掀開。
圖10
圖11
2、應(yīng)對臺風(fēng)破壞的反思
在經(jīng)歷了近幾年臺風(fēng)的破壞后，人們對門窗幕墻的安全意識有了進一步的提高。對于臺風(fēng)給我們造成的影響和破壞，建筑門窗幕墻在工程設(shè)計和施工方面存在的問題需要我們?nèi)フJ(rèn)真面對和思考，并采取有效的方法去處理。
2.1 風(fēng)荷載設(shè)計的選取
近幾年造成門窗幕墻嚴(yán)重破壞的強臺風(fēng)基本都在14級以上，使得有部分人認(rèn)為為確保建筑門窗幕墻在強臺風(fēng)作用下的安全，在進行門窗幕墻的抗風(fēng)設(shè)計時，應(yīng)提高建筑門窗幕墻的抗風(fēng)承載能力水平，對現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范的風(fēng)荷載取值是否可行存在疑惑。有的建設(shè)單位在門窗幕墻項目設(shè)計方案中，提出門窗幕墻的抗風(fēng)設(shè)計要保證在任何臺風(fēng)作用下均不能出現(xiàn)破壞的現(xiàn)象，有的為了照顧的安全和建設(shè)成本的最優(yōu)化，甚至在同一項目的不同方位的墻面采用兩種風(fēng)荷載取值的方法。
我們應(yīng)該認(rèn)識到，針對強臺風(fēng)造成的破壞，除了有材料方面自身缺陷的因素外，如玻璃存在的離散性和風(fēng)攜碎物撞擊等引起的破壞外，確實存在門窗幕墻自身抗風(fēng)承載能力不足的可能性，如大面積玻璃非正常破損等現(xiàn)象。但這些承載能力不足的現(xiàn)象，并不完全是現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范的風(fēng)荷載取值存在問題而造成的，而應(yīng)是在某種條件下產(chǎn)生的。按照現(xiàn)行《建筑設(shè)計荷載規(guī)范》GB50009-2012和《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》JGJ102-2003的要求，建筑門窗幕墻作為圍護結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值最低取值不應(yīng)低于1KN/m2，此值實際上已高于氣象臺預(yù)報12級臺風(fēng)(2min平均風(fēng)速32.7m/s，GB/T19201-2006《熱帶氣旋等級》)約0.67KN/m2的風(fēng)荷載值(忽略氣象臺預(yù)報與規(guī)范間的風(fēng)速倍差，以下同)。對于沿海地區(qū)的建筑，如深圳的超高層建筑，按照現(xiàn)行規(guī)范50年一遇的基本風(fēng)壓計算，其風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值(Wk)約為3.2KN/m2，用于強度和安全驗算的風(fēng)荷載設(shè)計值(1.4Wk)約為4.5KN/m2，將其換算成風(fēng)速約為71.7m/s,相比較深圳平安大廈頂層(約600m)在強臺風(fēng)“山竹”登陸期間錄到的最大風(fēng)速55m/s而言應(yīng)該是安全的。由深圳氣象局提供的氣象資料表明，“2018年9月15-17日，受臺風(fēng)“山竹”影響,深圳市陸地出現(xiàn)11-13級陣風(fēng)，沿海和高地出現(xiàn)14-16級陣風(fēng)，……�！�。圖12為香港天文臺錄得的數(shù)據(jù)，2018年強臺風(fēng)“山竹”期間香港的最大風(fēng)速為170km/h(47.22m/s),略高于14級強臺風(fēng)，而市區(qū)則為12級陣風(fēng)，圖13中后側(cè)數(shù)據(jù)為陣風(fēng)128km/h。
圖12
圖13
圖14
從上面的分析中，我們可以看到按照現(xiàn)行荷載規(guī)范的計算，在正常的條件下建筑門窗幕墻的安全應(yīng)該不會有問題的，這從深圳和香港的建筑門窗幕墻在臺風(fēng)“山竹”期間的大部分表現(xiàn)可以得到證實。但為什么正常的按照規(guī)范設(shè)計的建筑門窗幕墻在強臺風(fēng)作用下還會出現(xiàn)不正常的破壞?如圖1所示的香港海濱廣場玻璃幕墻玻璃的大面積破壞。在此我們用香港海濱廣場玻璃幕墻的破壞作為例子來分分析和探求這種不正常破壞的原因。香港海濱廣場位于香港紅磡黃埔花園南側(cè)，臨海而立。海濱廣場為一建筑群，包括包括海濱廣場一座、2座、海逸酒店和后期新建的超高層住宅，圖14為其平面圖。從平面圖中可以看到，整個建筑的正面朝西偏北方向，與臺風(fēng)風(fēng)向大致相迎，同時建筑群正對著的兩條街道(德安街和德豐街)與建筑群的分割間隙和朝向基本一致，這無形中形成了一個極佳的狹窄風(fēng)道和邊角效應(yīng)，造成局部區(qū)域風(fēng)速的急劇增加，從而對兩側(cè)和角部玻璃幕墻陡添了巨大的作用力，引致玻璃幕墻玻璃的大面積破壞。圖15中紅色線條為玻璃破壞的位置，圖16所示為海濱廣場一、二座之間的間隙僅為兩輛大巴車通道的寬度。從圖1中還可以看到，玻璃破壞集中在20層以下，20層以上的部位基本無損，特別是北側(cè)200m多高的海名軒，處群樓外基本無一玻璃破損，這主要得益于20層以上部位不存在狹窄風(fēng)道現(xiàn)象。圖17為廣場的西南側(cè)，玻璃幕墻完好無損。這種大面積的非正常玻璃破壞除了在海濱廣場出現(xiàn)外，在香港港島灣仔的中環(huán)廣場也有同樣的問題，圖18為緊鄰中環(huán)廣場的玻璃破壞情況。
圖15
圖16
圖17
從香港海濱廣場這一典型例子可以看到，造成玻璃幕墻玻璃大量非正常破壞的關(guān)鍵因素之一應(yīng)與存在于集密建筑群間或建筑自身結(jié)構(gòu)間的狹窄間隙所引致的“穿堂風(fēng)”效應(yīng)相關(guān)，也包括建筑表面造型異常突變引致的風(fēng)荷載變化。對于建筑群間形成的狹窄效應(yīng)和建筑群體間風(fēng)力相互干擾的效應(yīng)，在GB50009-2012第8.3.2條已有相應(yīng)的設(shè)計規(guī)定，但在現(xiàn)有建筑設(shè)計和幕墻設(shè)計中，卻較少獲得認(rèn)真的關(guān)注和執(zhí)行。隨著土地資源日益稀缺，建筑間密度的增大，這種狹窄效應(yīng)和群體間風(fēng)力相互干擾產(chǎn)生的破壞值得認(rèn)真的反思。這包括城市建設(shè)規(guī)劃化管理部門、建設(shè)單位和建筑設(shè)計單位應(yīng)在審批和發(fā)展新建項目的過程中，對新建項目的發(fā)展對已有建筑可能產(chǎn)生的影響，以及后于自身項目的未來新建項目對自身項目的影響給予切實評估。其次是標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范制定單位對規(guī)范的要求如何進一步細(xì)化，例如當(dāng)采用風(fēng)洞試驗來確定風(fēng)荷載，而試驗數(shù)據(jù)與規(guī)范計算數(shù)據(jù)相差較大時，如何處理兩者間的關(guān)系。再則建筑門窗幕墻設(shè)計和施工單位應(yīng)嚴(yán)格按規(guī)范進行設(shè)計，當(dāng)項目中存在狹窄效應(yīng)等類似情況，應(yīng)給予高度重視，在提高設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的同時，對涉及的部位盡可能通過實樣試驗對設(shè)計加以驗證。
圖18
圖19
圖20
2.2 門窗幕墻開啟扇設(shè)計
門窗幕墻開啟扇在臺風(fēng)作用下產(chǎn)生整體脫落是極其危險的現(xiàn)象，并且成為近年來的多發(fā)事件。這種現(xiàn)象不僅在臺風(fēng)期間出現(xiàn)，在平時由于天氣瞬間變化時也經(jīng)常出現(xiàn)。這種現(xiàn)象的出現(xiàn)，除了開啟扇在臺風(fēng)或天氣變化時沒有鎖閉到位外，與開啟扇自身的設(shè)計缺陷有關(guān)。在目前開啟扇的設(shè)計中，開啟扇與窗框之間的支承連接形式較多，常見的包括外開上旋滑撐或懸掛連接、外開滑撐平推連接、內(nèi)外平開滑撐或鉸鏈連接等，其中外開上旋滑撐和懸掛連接開啟扇在幕墻的應(yīng)用較多，而出現(xiàn)脫落問題最多的為上旋懸掛形式的開啟扇。上旋懸掛形式開啟扇的破壞形式除了最常見的掛鉤脫落和風(fēng)撐拉脫外，開啟扇上部組角部位因連接不可靠，承載能力不夠(包括重量)產(chǎn)生窗扇下部整體拉脫并墜落已成為常見的現(xiàn)象，圖20為窗扇下部整體拉脫的狀況，左圖為墜落地上的窗扇，右圖為留在窗框上的窗扇上邊框和角碼。對于上旋懸掛形式的開啟扇，除了應(yīng)設(shè)置有效的防止掛鉤脫落的裝置外，尚應(yīng)強化組角件連接可靠性，完善組角件與窗扇框架間的連接強度。同時應(yīng)強化窗扇與窗框間風(fēng)撐的連接可靠性，防止風(fēng)撐被拉脫而失效的現(xiàn)象。圖21為出現(xiàn)窗扇墜落的窗扇與窗框風(fēng)撐的連接及風(fēng)撐拉脫后的狀況，圖22為設(shè)計修改后的連接狀況，風(fēng)撐與窗扇的連接采用螺栓穿透連接，風(fēng)撐與窗框的連接螺釘直接固定到幕墻立柱上。
圖21
除了臺風(fēng)的影響，從對近30年來具有建筑門窗幕墻的檢查發(fā)現(xiàn)，開啟部位始終是出問題最多的地方，包括嚴(yán)重滲漏，啟閉不暢，以及開啟扇墜落的嚴(yán)重安全事故。對于開啟扇的設(shè)計如何去應(yīng)對這些問題，值得認(rèn)真思考和采取對應(yīng)的措施。隨著建筑美學(xué)的發(fā)展，建筑立面的大分隔板塊越來越多，造成了開啟扇板塊尺寸越來越大，板塊尺寸的增大，造成了重量的增加，現(xiàn)在的開啟扇重量在面積相同的條件下，可以是以前的3倍有多(3層玻璃)，同時也造成風(fēng)承載面增大。所有這些因素給開啟扇的連接設(shè)計、連接構(gòu)件的承載能力和質(zhì)量提出了嚴(yán)酷的要求，有的甚至不可實現(xiàn)。對于開啟扇的面積，JGJ102-2003提出不宜大于1.5m2，但并沒有實際的封頂尺寸要求，造成現(xiàn)在的建筑設(shè)計存在盲目追求大開窗而不違規(guī)的現(xiàn)象，給建筑埋下了安全的隱患。根據(jù)具有建筑門窗幕墻的實際情況，應(yīng)考慮將開啟扇面積限定在1.8m2以內(nèi)，對于外平開窗則應(yīng)該更小，不應(yīng)超過1.0m2，且應(yīng)控制其高寬比。在目前的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中，尚未有對門窗幕墻開啟部位的完整設(shè)計和計算要求，應(yīng)盡快的加以完善。為了防止臺風(fēng)期間開啟部位鎖閉疏忽或瞬間天氣突變造成未鎖閉或處于開啟狀態(tài)的開啟 扇被風(fēng)掀落，可考慮提高窗扇抗風(fēng)掀的能力，并研發(fā)開啟扇的抗風(fēng)掀試驗方法。同時可開發(fā)一些安全自鎖的裝置，確保開啟扇在強臺風(fēng)期間或突發(fā)狀態(tài)下的安全。
圖22
圖23
圖24
2.3安全要點的設(shè)計和施工監(jiān)管
建筑門窗幕墻最為重要的安全要點應(yīng)為門窗幕墻與建筑結(jié)構(gòu)的連接點，如果此節(jié)點出現(xiàn)松動、脫鉤和任何影響承載能力的缺陷，將導(dǎo)致門窗幕墻可能出現(xiàn)從建筑結(jié)構(gòu)上整體坍塌和脫落的嚴(yán)重安全事故，特別是在強臺風(fēng)影響期間，這種問題更為顯著。圖8、圖9為臺風(fēng)期間窗戶整體從建筑洞口脫落和墜地，圖23為單元式幕墻板塊整體從掛鉤脫落后下墜。作為門窗幕墻安全要點的連接點出現(xiàn)問題，既有設(shè)計問題，也有施工過程存在的質(zhì)量問題，此處僅討論與設(shè)計有關(guān)的試驗驗證和施工監(jiān)管的問題。
門窗幕墻的實樣模型試驗驗證，最主要的目的是對設(shè)計效果的驗證。但在目前的試驗驗證中，門窗的試驗基本沒有能真實的反映出門窗與洞口的實際安裝連接狀況，幕墻的試驗驗證同樣存在不完整性。所以門窗幕墻的實樣模型試驗在與建筑結(jié)構(gòu)連接點的驗證方面是不完全真實的，應(yīng)該引起高度的重視。為彌補這一缺陷，我們應(yīng)該強化門窗幕墻與建筑結(jié)構(gòu)連接點在施工過程中的現(xiàn)場檢測和施工質(zhì)量監(jiān)管，在門窗幕墻的安全上筑起第一道安全的保障。特別是這些連接部位，在工程施工完畢后均處于隱蔽狀態(tài)，在門窗幕墻正常使用的日常檢查和維護維修過程中非常難于觀察到，一旦問題出現(xiàn)時，已有可能造成不可估量的重大損失和安全事故。目前，工程施工過程中包括門窗幕墻與結(jié)構(gòu)安裝連接在內(nèi)的隱蔽工程驗收大多基本流于形式，并沒有實施嚴(yán)格的監(jiān)管，這可以從許多門窗幕墻工程的隱蔽工程驗收記錄表中反映出來。大部分的隱蔽工程記錄記載的僅有“驗收合格”等字眼，既沒有發(fā)現(xiàn)任何問題，也沒有處理問題的意見和結(jié)果，這是完全不可能的現(xiàn)象。最近，香港某一地鐵站施工中出現(xiàn)了鋼筋長度可能短缺的問題，整個建筑業(yè)界、法律界和政府都被牽涉進去。為了確保工程安全，他們制定了方案，不惜重金挖開已施工好的建筑結(jié)構(gòu)，重新進行檢驗。這種為了建筑安全的嚴(yán)謹(jǐn)精神值得我們學(xué)習(xí)和仿效，嚴(yán)格的、到位的對門窗幕墻的安全要點進行現(xiàn)場檢測和施工安全管控�，F(xiàn)在數(shù)字化和信息化已非常普遍和發(fā)達(dá)，我們應(yīng)該在工程現(xiàn)場的管理中大量引入這些科學(xué)可行的手段，像門窗幕墻與建筑結(jié)構(gòu)連接的重要節(jié)點，除了采用文字記錄外，應(yīng)增加和保留圖片或視頻之類的影視檢查資料，如圖24所示的單元式板塊的插接狀況，使我們對工程施工質(zhì)量和安全有更可靠、直觀和全面的了解和評判。
3 結(jié)語
通過對近幾年沿海各地強臺風(fēng)對建筑門窗幕墻影響的有限分析可以看到，嚴(yán)格按照現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進行設(shè)計和施工監(jiān)管的建筑門窗幕墻，在抵抗強臺風(fēng)的作用具有足夠可靠的能力，絕大部分的建筑門窗幕墻整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，性能良好。對于強臺風(fēng)期間門窗幕墻，包括金屬屋面出現(xiàn)的一些破壞，我們應(yīng)該加以科學(xué)的分析和面對。我們可以通過進一步的科學(xué)研究、試驗和探索，進一步的完善我們的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系，通過強化我們的工程現(xiàn)場管理水平，來不斷地提高建筑門窗幕墻抵抗強臺風(fēng)和超強臺風(fēng)的能力。
參考文獻
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