建筑玻璃幕墻抵御超強臺風(fēng)的能力

包善仲

【摘要】本文通過對美國弗羅里達州建筑法規(guī)中有關(guān)颶風(fēng)測試以及其在上海實際案例中應(yīng)用的介紹，為建筑師、幕墻顧問、幕墻制造商在進行幕墻工程設(shè)計時提供一些建議和幫助，從而使建筑物能夠有效抵御臺風(fēng)的襲擊，讓建筑物的質(zhì)量躍升到更高的臺階。

【關(guān)鍵詞】颶風(fēng)測試;飛彈沖擊測試;循環(huán)風(fēng)壓測試

1.前言

眾所周知，中國沿海地區(qū)是經(jīng)濟最發(fā)達的區(qū)域，但是每年夏秋兩季，都會遭受強大的臺風(fēng)破壞。特別是近幾年，超強臺風(fēng)的數(shù)量逐年增多。從2018年襲擊深圳的“山竹”，到2019年襲擊上海的“利奇馬”，無一不是在給當(dāng)?shù)貛硎窡o前例的風(fēng)雨之外，還造成許多建筑物的損毀。

不僅僅是中國，放眼世界，臺風(fēng)、颶風(fēng)同樣給世界各國帶來巨大的破壞和災(zāi)難。在美國弗羅里達州及墨西哥灣沿岸、加勒比海地區(qū)、太平洋沿岸地區(qū)，每年夏季、秋季也都會與具有超強破壞力的颶風(fēng)不期而遇。

既然臺風(fēng)和颶風(fēng)等惡劣的自然天氣是無法避免的，那么如何有效防控建筑物遭受臺風(fēng)和颶風(fēng)的破壞就是擺在廣大建筑師、幕墻顧問、幕墻制造商面前無法回避的考題。本文通過對美國弗羅里達州建筑法規(guī)中有關(guān)颶風(fēng)測試的介紹以及其在上海的實際案例應(yīng)用，給中國的建筑師、幕墻顧問、幕墻制造商們在工程設(shè)計中提供一些建議和幫助，力圖幫助中國的建筑設(shè)計整體水平和質(zhì)量能夠躍升到更高的臺階。

2.美國颶風(fēng)區(qū)的颶風(fēng)測試

根據(jù)美國土木工程師學(xué)會American Society of Civil Engineers（ASCE 7）的要求，將處于高速颶風(fēng)區(qū)（High Velocity Hurricane Zone，以下簡稱HVHZ）的各個地區(qū)，按照不同的基本風(fēng)速（Basic Wind Load）的分布，劃分為四類區(qū)域，分別是Wind Zone 1、Wind Zone 2、Wind Zone 3、Wind Zone 4，詳見表1。這里所說的基本風(fēng)速（Basic Wind Load）是指“3s陣風(fēng)風(fēng)速“（V3s）。

按照建筑法規(guī)的要求，凡是在這些區(qū)域建造的外立面系統(tǒng)，包括玻璃門和外窗系統(tǒng)、建筑玻璃幕墻系統(tǒng)，都要按照ASTM E1996的要求進行颶風(fēng)測試，包括“飛彈沖擊測試注2”與“循環(huán)風(fēng)壓測試”，然后評估這些外立面是否能夠有效抵御颶風(fēng)的破壞。

注 2：“飛彈沖擊測試”在ASTM E1996標(biāo)準(zhǔn)中被定義為Missile Impact Test，是模擬颶風(fēng)天氣中由颶風(fēng)攜帶的碎物（Wind-borne Debris in Hurricane）沖擊建筑外立面的檢測方法。在國內(nèi)也將其直譯為“抗風(fēng)攜碎物沖擊”，參見《GB/T 29738-2013 建筑幕墻和門窗抗風(fēng)攜碎物沖擊性能分級及檢測方法》，而該中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)是參考ASTM E1996編制的。

在ASTM E1996中，除了使用特殊的“飛彈”沖擊外立面之外，還需要對外立面進一步進行“循環(huán)風(fēng)壓”的測試。這是因為破壞除了來自颶風(fēng)所攜帶的碎物沖擊之外，還有高風(fēng)速颶風(fēng)帶來的強大風(fēng)壓。為了更好地模擬這種綜合性破壞，科學(xué)家們設(shè)計出了“飛彈沖擊測試”與“循環(huán)風(fēng)壓測試”的檢測方法和要求。

3.颶風(fēng)風(fēng)壓對外立面破壞的技術(shù)原理

通常的建筑物外立面在計算設(shè)計風(fēng)壓時主要考慮迎風(fēng)面和側(cè)風(fēng)面的風(fēng)壓影響。

3.1建筑外立面的迎風(fēng)面所遭受的風(fēng)壓和風(fēng)流方向，可參見圖1。

3.2建筑外立面的側(cè)風(fēng)面所遭受的風(fēng)壓和風(fēng)流方向，可參見圖2。

由于墻體本身是完整的，其材料的抗風(fēng)壓強度可以通過一定的結(jié)構(gòu)計算而模擬得出，然后可以進一步計算出抵御該風(fēng)壓壓強所需墻體的材料、連接件等的強度需求，以證明整個建筑外立面系統(tǒng)具有足夠的抗風(fēng)壓性能。

但是一旦外立面被高速碎物飛彈沖擊而造成破壞后，颶風(fēng)就可以通過裂紋和破洞進入建筑物內(nèi)部，從而直接對建筑物的側(cè)墻和背墻進行沖擊。這樣產(chǎn)生的風(fēng)壓形式可以參見圖 3。

當(dāng)建筑物迎風(fēng)面墻體破損后，颶風(fēng)直接進入建筑物內(nèi)部，使得原先內(nèi)外壓強平衡的狀態(tài)被打破，造成墻體的膨脹性破壞作用，參見圖4。當(dāng)建筑物外立面背風(fēng)面和側(cè)風(fēng)面墻體遭到破壞后，內(nèi)外壓強平衡被打破，內(nèi)部氣壓從破洞處突然釋放，從而造成內(nèi)部壓強降低，繼而造成墻體的壓縮性破壞作用，參見圖5。

據(jù)此，在實際檢測中需要模擬對建筑外立面造成兩種破壞后，其外立面仍然具有穩(wěn)定抵御高強度的颶風(fēng)風(fēng)壓的性能。

4.美國颶風(fēng)測試的技術(shù)要求與規(guī)范

美國颶風(fēng)測試的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)是ASTM E1996和ASTM E1886。颶風(fēng)測試主要分為兩部分，分別是飛彈沖擊測試（Missile Impact Test）和循環(huán)風(fēng)壓測試（Cyclic Wind Load Test）。

4.1飛彈沖擊測試（Missile Impact Test）

4.1.1沖擊飛彈等級

在ASTM E1996中，將沖擊飛彈（Missile）分為大飛彈（Large Missile）和小飛彈（Small Missile）兩個種類。其中小飛彈被定義為A級;而大飛彈根據(jù)其自身的尺寸和質(zhì)量不同，分為B級、C級、D級和E級。

大飛彈沖擊測試是模擬路面上折斷的樹枝或斷木被颶風(fēng)卷起后砸中玻璃外立面的狀況;小飛彈沖擊測試用來模擬路面上小碎石子、雜物等被颶風(fēng)卷起后砸中玻璃外立面的狀況。

各種沖擊飛彈的等級及對應(yīng)的尺寸、質(zhì)量和測試速度參見表2。

4.1.2沖擊飛彈的材料

大飛彈材料需選用的是“2號及以上等級“的美國南方松，木料的斷面厚度大約為38.1 mm，寬度大約為88.9 mm;在距離沖擊端300 mm內(nèi)不能有木節(jié)、開裂、細(xì)裂縫或其他缺陷。

小飛彈材料需選用的是8 mm直徑的鋼珠進行測試。每次沖擊時使用10顆鋼珠同時發(fā)射沖擊樣品。

4.1.3飛彈沖擊測試的樣品

測試標(biāo)準(zhǔn)要求每一款樣品必須至少檢測3個相同的樣品，而且每個樣品都必須通過測試。

4.1.4沖擊測試的沖擊點

在ASTM E1996的規(guī)范中，對于三塊玻璃樣品進行大飛彈（Large Missile）沖擊時，每塊樣品上的沖擊點分別位于玻璃的中心和對角線的上角以及對角線的下角。參見圖8。

沖擊范圍：

（1）每個沖擊點的沖擊范圍都在半徑為65 mm的圓周內(nèi);

（2）沖擊點在對角線的角部位置時，沖擊點的圓周中心點距離相鄰兩個支撐邊框的距離相等，都是150 mm;

（3）每個沖擊位置沖擊一次，三塊樣品的沖擊位置可以參見圖6。

在ASTM E1996的規(guī)范中，對于三塊玻璃樣品進行小飛彈（Small Missile）沖擊時，每塊樣品上的沖擊點參見圖7。

沖擊范圍：

（1）每個沖擊點的沖擊范圍都在半徑為250 mm的圓周內(nèi);

（2）沖擊在對角線的角部位置時，沖擊點的圓周中心點距離相鄰兩個支撐邊框的距離相等，都是275 mm;

（3）每塊樣板上都要沖擊三個位置，每個位置沖擊一次，每次沖擊使用10顆鋼珠同時激發(fā)。

4.1.5沖擊測試的合格判定

樣品沖擊后玻璃是允許破碎的。沖擊測試的合格或失敗的主要判斷依據(jù)是檢查樣品玻璃是否出現(xiàn)有穿透性開裂或開孔。如果出現(xiàn)穿透性裂縫，那么裂縫的長度不能超過130 mm、寬度不能超過1 mm;如果出現(xiàn)穿透性開孔，那么空的直徑不能超過76 mm。型材在沖擊后不能出現(xiàn)裂紋，也不能因為變形而導(dǎo)致五金件發(fā)生功能性障礙。

4.2循環(huán)風(fēng)壓測試（Cyclic Wind Load Test）

當(dāng)樣品在完成并通過飛彈沖擊測試之后，無論樣品是否破碎，都需要繼續(xù)進行循環(huán)風(fēng)壓測試。循環(huán)風(fēng)壓的詳細(xì)加壓檢測流程參見表4。

4.2.1循環(huán)風(fēng)壓的評估與分析

美國建筑法規(guī)規(guī)定，所有建筑的設(shè)計風(fēng)壓需要由政府授權(quán)的專業(yè)工程師（Professional Engineer）依據(jù)美國土木工程師學(xué)會頒布的ASCE 7中的規(guī)定，按照建筑所在地的地形、風(fēng)速條件、建筑物本身的結(jié)構(gòu)形狀，通過嚴(yán)密的結(jié)構(gòu)計算而獲得的。

國內(nèi)很多沿海城市像美國弗羅里達州一樣，經(jīng)常遭受臺風(fēng)襲擊，比如深圳、上海等地區(qū)。但由于沒有建立統(tǒng)一的風(fēng)壓等級要求，為了證明建筑物具有更高的抗風(fēng)壓性能，建筑師和幕墻顧問都迫切希望了解和參考國外風(fēng)壓的設(shè)計，然后用于國內(nèi)高等級的建筑外立面的設(shè)計中。

這里提供了弗羅里達州建筑法規(guī)（2010年版本）中一些設(shè)計風(fēng)壓值，參見表5。

4.2.2循環(huán)風(fēng)壓測試合格判定

在ASTM E1996中規(guī)定，樣品在完成所有風(fēng)壓循環(huán)之后，玻璃的開口裂縫尺寸長度不能超過130 mm、寬度不能超過1 mm。

4.3系統(tǒng)設(shè)計延展——玻璃膠片的選用

由于飛彈測試的嚴(yán)苛程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過普通安全性玻璃沖擊測試的難度，同時在飛彈沖擊后還要進行循環(huán)風(fēng)壓測試，所以在設(shè)計中玻璃一般都會選用鋼化、半鋼化等組合的夾膠玻璃。目前夾膠玻璃普遍使用的膠片多數(shù)是SGP膠片和PVB膠片兩種。

PVB全名為聚乙烯醇縮丁醛，該膠片具有較高的透明性、耐寒性、耐沖擊性、耐紫外輻照性。

SGP全名為離子性中間膜（Sentry Glass Plus），是杜邦公司最早研發(fā)的高性能夾層材料。SGP有高強度和剪切模量，力學(xué)性能優(yōu)異。SGP夾層玻璃承載力是等厚度的PVB夾層承載力的2倍;同時，在相等荷載、相等厚度的情況下，SGP夾層玻璃的彎曲撓度只有PVB夾層玻璃的1/4。SGP夾膠膜的撕裂強度時PVB夾膠膜的5倍。

在循環(huán)風(fēng)壓作用下，玻璃本身會隨著風(fēng)壓的變化作一張一弛的連續(xù)往復(fù)運動，好像玻璃在呼吸。當(dāng)玻璃被飛彈沖擊后，玻璃與型材之間的粘結(jié)性已經(jīng)因為沖擊而降低。隨著循環(huán)風(fēng)壓的進行，玻璃的變形會逐漸增大，使得玻璃邊部與型材交接位置處于不停地撕扯狀態(tài)，壓強變化越大撕扯就越大。

由于SGP膜具有很高的撕裂強度，即使玻璃破碎，SGP膜還可以粘結(jié)碎玻璃形成破壞后的一個臨時結(jié)構(gòu)，其彎曲變形小，還可以承受一定量的荷載而不會整片下墜。因此很多樣品能夠最終通過測試，很大程度上依靠的是SGP膠片的持續(xù)支持。

一般情況下，只有依靠沒有完全碎裂的玻璃與SGP膠片的組合，才能最終通過這個目前世界上最嚴(yán)苛的颶風(fēng)測試的考驗。

5.項目案例與分析

5.1項目名稱：某跨國企業(yè)亞洲地區(qū)總部大樓項目

5.2項目地址：上海

5.3項目背景：

該跨國企業(yè)位于上海的亞洲地區(qū)總部大樓項目需取得全球知名保險業(yè)務(wù)FM GLOBAL的保險許可。在FM GLOBAL對該項目評估后，對項目做出了“防損措施建議”，同時在項目規(guī)范文件中作了詳細(xì)規(guī)定：

項目的屋頂外立面必須能夠抵御上海地區(qū)51 m/s（113 mph）的三秒陣風(fēng)風(fēng)速。項目的屋頂部位外立面須使用防撞擊玻璃或玻璃保護裝置來保護所有窗口，這些玻璃或保護裝置應(yīng)根據(jù)弗羅里達州建筑法規(guī)測試應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)或ASTM E1996和ASTM E1886進行測試，且測試結(jié)果符合要求。

5.4測試標(biāo)準(zhǔn)：ASTM E1886-2013a，ASTM E1996-2014a

5.5測試技術(shù)評估：

5.5.1測試條件

按照弗羅里達州的颶風(fēng)區(qū)區(qū)域劃分，上海地區(qū)的51 m/s（113 mph）的三秒陣風(fēng)風(fēng)速，接近Wind Zone 1的風(fēng)速規(guī)范要求。這樣，對于ASTM E1996規(guī)范要求，須分別進行“飛彈沖擊測試”和“循環(huán)颶風(fēng)測試”。經(jīng)過評估，兩項測試對應(yīng)的測試條件如下：

（1）飛彈沖擊測試

按照表3中規(guī)定，可以使用“C級”沖擊飛彈進行測試。

（2）循環(huán)颶風(fēng)測試

按照表5中提供的建議，處于Wind Zone 1時外立面的設(shè)計風(fēng)壓可以按照“+28.9 psf / -38.2 psf”進行。經(jīng)過項目的結(jié)構(gòu)計算，最終決定設(shè)計風(fēng)壓值取“+1840 Pa （38.4 psf） / -1840 Pa （38.4 psf）”。

5.5.2沖擊點位

每種類玻璃，包括固定扇和開啟扇的玻璃，都需要進行沖擊測試，每種玻璃需要進行至少3塊樣品的測試，每塊樣品沖擊一個位置，參見圖10。

5.5.3玻璃配置

開啟扇玻璃：6 + 1.52PVB+6 Low-E + 12A + 8 mm

固定扇玻璃：6 + 1.52PVB+6 Low-E + 12A + 6 mm

5.5.4測試結(jié)果判定依據(jù)

樣品須能抵擋沖擊，允許出現(xiàn)長度不超過130 mm，寬度不超過1 mm的空氣能通過的縫。沖擊測試和循環(huán)風(fēng)壓測試結(jié)束后，不允許出現(xiàn)直徑為76 mm的硬球體可以自由通過的開口。

5.6測試結(jié)果報告（見表6、7、8）

5.7測試照片（見下圖）

5.8測試結(jié)論

沖擊測試后夾膠玻璃的外層玻璃出現(xiàn)碎裂，但是內(nèi)層玻璃沒有碎裂。經(jīng)過飛彈沖擊測試和循環(huán)風(fēng)壓測試，沒有出現(xiàn)玻璃穿透開口，因此判定為合格。

6.結(jié)束語

美國弗羅里達州的建筑法規(guī)明確規(guī)定外立面材料與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)必須通過颶風(fēng)測試后方能在建筑工程項目上使用，這樣的規(guī)定使得當(dāng)?shù)睾芏嘟ㄖ軌蚪?jīng)受嚴(yán)酷颶風(fēng)的襲擊而屹立不倒。

隨著我國“一帶一路”戰(zhàn)略目標(biāo)的推廣，我國建筑商將有更多機會參與美國弗羅里達州、加勒比海地區(qū)國家、太平洋島國等地區(qū)的工程項目，這樣我們國內(nèi)的建材廠商也將直面這些最高等級和要求的挑戰(zhàn)。

除此之外，隨著國內(nèi)“長三角一體化”、 “大灣區(qū)”建設(shè)的逐步推進，上海、深圳作為兩個地區(qū)的龍頭必將迎來新的建設(shè)高潮。提高工程要求、采用更高性能的材料抵御超強臺風(fēng)的襲擊必然成為大勢所趨，美國颶風(fēng)測試將為建筑大咖們提供很大幫助和借鑒。

參考文獻

[1]2010 Florida Building Code （FBC）

[2]2012 International Building Code （IBC） and International Residential Code （IRC）

[3]ASTM E1886-2013a Standard Test Method for Performance of Exterior Windows， Curtain Walls， Doors， and Impact Protective Systems Impacted by Missile（s） and Exposed to Cyclic Pressure Differentials

[4]ASTM E1996-2014a Standard Specification for Performance of Exterior Windows， Curtain Walls， Doors， and Impact Protective Systems Impacted by Windborne Debris in Hurricans

[5]GB/T 29738-2013 建筑幕墻和門窗抗風(fēng)攜碎物沖擊性能分級及檢測方法

[6]American Softwood Lumber Standard， Voluntary Product Standard PS 20-20

[7]Updated Impact Requirements for Building Components， authored by Vinu Abraham， PE， Intertek

[8]Revisions to ASCE-10， authored by Joe Reed， PE， Architectural Testing Inc.

[9]Wind Speed， Risk Categories and Wind-Borne Debris Protecting Your Openings， authored by Christopher Armstrong， Assoc. AIA， LEED APBD+C

[10]SGP夾層玻璃提高建筑幕墻安全性，趙西安，中國建筑科學(xué)研究院