既有玻璃幕墻典型安全性問題分析

魯巧稚，南錕，閆續(xù)，周敬，王智慧，郝夢瑤，安曉瑩

（中國建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100048）

1 引言

我國自20 世紀(jì)80 年代開始引入玻璃幕墻，目前已成為世界第一的幕墻生產(chǎn)和使用大國，然而在大范圍應(yīng)用的同時(shí)也出現(xiàn)了不少問題[1]。實(shí)踐表明，幕墻玻璃面板爆裂脫落和開啟扇墜落是既有玻璃幕墻所面臨的最突出的安全性問題。本文結(jié)合工程實(shí)際案例，對既有玻璃幕墻上述典型安全性問題進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)建議，供相關(guān)從業(yè)人員參考。

2 玻璃面板爆裂脫落

幕墻玻璃面板爆裂與脫落的原因主要集中于4 個(gè)方面：玻璃面板、面板與支承結(jié)構(gòu)的連接、幕墻支承體系與外部作用。

2.1 玻璃面板

2.1.1 鋼化玻璃自爆

JGJ 102—2003《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》規(guī)定“框支承玻璃幕墻宜采用安全玻璃；點(diǎn)支承玻璃幕墻的面板玻璃應(yīng)采用鋼化玻璃”[2]。因此，鋼化玻璃憑借強(qiáng)度高、熱穩(wěn)定性高和破碎顆粒傷害性小的優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于玻璃幕墻面板中。然而，受生產(chǎn)工藝所限，鋼化玻璃的自爆成為一項(xiàng)難以避免的風(fēng)險(xiǎn)。對于鋼化玻璃自爆率，我國尚沒有統(tǒng)一要求，業(yè)界通常默認(rèn)為3‰左右。自爆發(fā)生的根本原因是鋼化玻璃拉應(yīng)力層內(nèi)的應(yīng)力集中，而應(yīng)力集中大多是因玻璃生產(chǎn)過程中留存的硫化鎳相變或其他雜質(zhì)受溫度影響而產(chǎn)生的體積變化。鋼化玻璃自爆的最顯著特征是自爆源處呈現(xiàn)出“蝴蝶斑”形狀，且在爆點(diǎn)處的玻璃拉應(yīng)力層中可見雜質(zhì)顆粒。

案例：某玻璃幕墻面板為中空鋼化玻璃，自投入使用后第3 年起，多處面板陸續(xù)爆裂，爆裂位置發(fā)生于內(nèi)片和外片的情況均存在，起爆點(diǎn)在中部和邊緣的情況均存在。起爆點(diǎn)處均呈現(xiàn)明顯的“蝴蝶斑”形狀，且裂紋側(cè)面可見清晰的黑色雜質(zhì)（見圖1）。

圖1 鋼化玻璃起爆點(diǎn)處“蝴蝶斑”形態(tài)

對于鋼化玻璃自爆風(fēng)險(xiǎn)的檢測，萬德田等[3]研發(fā)了光彈掃描法，可通過光彈原理實(shí)現(xiàn)鋼化玻璃中自爆源顆粒的現(xiàn)場檢測，識別異質(zhì)相顆粒的位置，GB/T 30020—2023《玻璃缺陷檢測方法 光彈掃描法》[4]也已發(fā)布實(shí)施。該方法可為既有玻璃幕墻的自爆風(fēng)險(xiǎn)排查提供較準(zhǔn)確的依據(jù)，但對于大規(guī)模的玻璃幕墻，檢測效率仍有待進(jìn)一步提升。

2.1.2 鋼化玻璃表面應(yīng)力

玻璃經(jīng)鋼化處理后表面形成均勻壓應(yīng)力，而內(nèi)部則形成張應(yīng)力，使玻璃的抗彎和抗沖擊強(qiáng)度得以提高，其強(qiáng)度約是普通退火玻璃的4 倍以上。但如果局部發(fā)生破損，便會發(fā)生應(yīng)力釋放，破損成大量鈍角小顆粒。

鋼化玻璃之所以具有較高的強(qiáng)度，是由于表面具有預(yù)先施加的壓應(yīng)力。然而，鋼化應(yīng)力并非越高越好，鋼化過度、鋼化應(yīng)力不均勻等問題反而更容易加劇玻璃的爆裂。因此，JG/T 455—2014《建筑門窗幕墻用鋼化玻璃》[5]規(guī)定“鋼化玻璃的表面應(yīng)力不應(yīng)小于90 MPa，且表面應(yīng)力最大值和表面應(yīng)力最小值之差不應(yīng)超過15 MPa”，并同時(shí)規(guī)定了鋼化玻璃的最大碎片數(shù)和最小碎片數(shù)。

2.1.3 玻璃面板尺寸

玻璃面板的平面尺寸通常根據(jù)建筑外觀需要而確定，隨著現(xiàn)代建筑對通透性的要求越來越高，玻璃面板的平面尺寸也隨之越來越大，因此，玻璃爆裂的風(fēng)險(xiǎn)也有所增加。

對于夾層玻璃和中空玻璃，在正常使用情況下兩片玻璃是共同受力的，如果厚度相差過大，則兩片玻璃還容易因受力不均勻而爆裂。

2.1.4 玻璃表觀缺陷

玻璃在出廠、運(yùn)輸、安裝和使用過程中容易產(chǎn)生爆邊、劃傷、裂紋、缺角及邊緣處理不當(dāng)?shù)热毕?，這些表觀缺陷也易造成玻璃的爆裂。

案例：某點(diǎn)支式玻璃幕墻在施工過程中發(fā)現(xiàn)玻璃面板存在大量爆邊（見圖2）、缺角（見圖3）等缺陷。玻璃尚未爆裂是由于表面壓應(yīng)力尚能夠克服中部的拉應(yīng)力，兩種應(yīng)力仍保持平衡。但這些缺陷實(shí)際已經(jīng)削弱了玻璃的應(yīng)力，在外部作用下，很容易導(dǎo)致玻璃爆裂。

圖2 玻璃爆邊

圖3 玻璃缺角

2.1.5 中空玻璃二道密封膠

對于應(yīng)用于隱框幕墻或隱框開啟窗的中空玻璃，外片玻璃整體脫落的情況也時(shí)有發(fā)生，破壞形式主要有兩類：（1）界面破壞，因二道密封膠與面板不相容或密封膠選材不當(dāng)所致；（2）內(nèi)聚破壞，因二道密封膠打膠尺寸不當(dāng)或密封膠采用劣質(zhì)膠，從而膠體承載力不足所致。

案例：某既有玻璃幕墻隱框開啟扇為中空玻璃，其外片發(fā)生大量脫落現(xiàn)象（見圖4），經(jīng)檢查，所有脫落形態(tài)均為界面脫落，二道密封膠存在硬化現(xiàn)象，取樣檢測后發(fā)現(xiàn)，二道密封膠為聚硫膠。因聚硫膠相較于硅酮膠而言，耐候性較差，當(dāng)用于室外時(shí)，易老化失去粘結(jié)力，從而引起界面破壞。

圖4 中空玻璃外片整體脫落

2.2 面板與支承結(jié)構(gòu)的連接

不同類型的玻璃幕墻，面板與主體結(jié)構(gòu)的連接方式不同，引起玻璃爆裂脫落的原因也各有不同，以下分別對隱框幕墻、框式幕墻、點(diǎn)支式幕墻3 種類型進(jìn)行分析。

2.2.1 隱框幕墻

隱框幕墻中，玻璃和支承結(jié)構(gòu)的連接完全依靠硅酮結(jié)構(gòu)膠。因此，結(jié)構(gòu)膠的性能和打膠質(zhì)量直接決定了面板的安全性。結(jié)構(gòu)膠的失效通常因設(shè)計(jì)、施工或選材不當(dāng)，結(jié)構(gòu)膠老化失效，結(jié)構(gòu)膠動載疲勞失效等原因造成[6]。

既有玻璃幕墻結(jié)構(gòu)膠的現(xiàn)場檢測一直是幕墻行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。我國現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)對硅酮結(jié)構(gòu)膠粘結(jié)質(zhì)量的檢驗(yàn)檢測給出了不同的方法：JGJ/T 139—2020《玻璃幕墻工程質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》[7]、GB 16776—2005《建筑用硅酮結(jié)構(gòu)密封膠》[8]給出了通過手拉試驗(yàn)對結(jié)構(gòu)膠進(jìn)行定性檢驗(yàn)的方法；JGJ/T 324—2014《建筑幕墻工程檢測方法》[9]給出了現(xiàn)場拉拔法、重新粘結(jié)法的定量檢測方法；JGJ/T 413—2019《玻璃幕墻粘結(jié)可靠性檢測評估技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[10]除給出重新粘結(jié)法、切割拉拔法的局部破損檢測方法外，還給出了推出法、吸盤法、外箱法的檢測單元整體原位檢測方法。

2.2.2 框式幕墻

框式玻璃幕墻中，玻璃與邊框連接部位的施工質(zhì)量出現(xiàn)偏差時(shí)，玻璃可能因被限制邊部位移而爆裂。為了避免玻璃面板與邊框的剛性接觸，JGJ 102—2003《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》對明框幕墻玻璃下邊緣與下邊框槽底之間的構(gòu)造、明框幕墻的玻璃邊緣與邊框槽底之間的間隙做出了規(guī)定。

2.2.3 點(diǎn)支式幕墻

點(diǎn)支式幕墻玻璃都僅通過鋼爪連接件與結(jié)構(gòu)連接，將其自重和風(fēng)荷載、地震作用等傳至支承體系再傳至主體結(jié)構(gòu)。玻璃面板的最大應(yīng)力往往出現(xiàn)在支承點(diǎn)的鉆孔處，由于受到玻璃變形、溫差作用、加工精度、安裝偏差、結(jié)構(gòu)形式及其組合等因素的影響，玻璃與鋼爪連接點(diǎn)應(yīng)力十分復(fù)雜，是點(diǎn)支式幕墻薄弱環(huán)節(jié)，也是玻璃破碎產(chǎn)生的主要區(qū)域[11]。

案例：某點(diǎn)支式玻璃幕墻采用四爪駁接件，安裝出現(xiàn)明顯偏差（見圖5 和圖6），不僅影響外觀，而且易產(chǎn)生額外的應(yīng)力，導(dǎo)致玻璃支承點(diǎn)處受力不均勻，在外力或溫度的作用下產(chǎn)生應(yīng)力集中，甚至直接導(dǎo)致玻璃爆裂。

圖5 點(diǎn)支式幕墻爪件安裝偏差

圖6 點(diǎn)支式幕墻安裝偏差

2.3 支承結(jié)構(gòu)

玻璃幕墻作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的一種，不分擔(dān)主體結(jié)構(gòu)的荷載和作用，但其自身有明確的傳力體系。當(dāng)幕墻自身支承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理或施工質(zhì)量存在缺陷，如龍骨構(gòu)件厚度或強(qiáng)度不足、結(jié)構(gòu)變形縫處未做斷開處理、預(yù)埋件安裝偏差、不同金屬材料間未設(shè)置墊片等問題時(shí)，支承體系便存在較大安全隱患，可能因局部或整體變形較大而導(dǎo)致玻璃面板的爆裂。

另外，索結(jié)構(gòu)是近年來興起的新型幕墻支承形式，因其極佳的通透性而被現(xiàn)代建筑廣為應(yīng)用，然而索結(jié)構(gòu)支承體系柔性較大，幕墻平面外變形的大小與索內(nèi)預(yù)應(yīng)力有著直接關(guān)系，隨著索結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力的變化，玻璃幕墻平面外的變形量也隨之變化。而且拉索結(jié)構(gòu)體材質(zhì)的惡化、缺陷或意外事故引起的結(jié)構(gòu)損傷，都會引起各構(gòu)件，特別是拉索的內(nèi)力重分布。影響拉索剛度的不同部位的損傷源會引起不同類型的索力變化。

案例：某幕墻工程為預(yù)應(yīng)力單索結(jié)構(gòu)玻璃幕墻，拉索豎向布置，同時(shí)設(shè)有鋁合金橫梁作為橫向傳力構(gòu)件。幕墻拉索通過頂部的張弦梁與主體結(jié)構(gòu)的鋼結(jié)構(gòu)異形網(wǎng)殼相連（見圖7），拉索底部采用碟簧彈性錨固在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)上。幕墻竣工后連續(xù)多年出現(xiàn)玻璃爆裂現(xiàn)象。經(jīng)計(jì)算復(fù)核，整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定系數(shù)較低，結(jié)構(gòu)體系較柔，對溫度變化較為敏感，預(yù)應(yīng)力拉索索力波動大，在室外溫差較大、高溫及日照強(qiáng)烈的環(huán)境誘因下，幕墻體系容易發(fā)生較大變形，加之玻璃面板存在自身雜質(zhì)，導(dǎo)致拉索幕墻玻璃面板發(fā)生頻繁爆裂。

圖7 拉索幕墻與鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)殼示意圖

JGJ 102—2003《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》規(guī)定“施加預(yù)拉力的拉桿或拉索結(jié)構(gòu)的幕墻工程在工程竣工驗(yàn)收后六個(gè)月時(shí)，必須對該工程進(jìn)行一次全面的預(yù)拉力檢查和調(diào)整，此后每三年應(yīng)檢查一次”。對于幕墻拉索拉力值的檢測，千斤頂張拉法對既有幕墻產(chǎn)生擾動和損壞的風(fēng)險(xiǎn)較大。而壓力傳感器法、磁通量法需要預(yù)先在索端或索中安裝傳感裝置，且造價(jià)較高，因此，既有幕墻中也并不多見。目前，既有幕墻檢測中常用的方法通常為振動法和三點(diǎn)彎曲法，基本可實(shí)現(xiàn)多數(shù)幕墻拉索拉力值的檢測，但這兩種方法對拉索的長度和直徑有一定的要求，當(dāng)拉索單元過短或直徑過大時(shí)，可能無法運(yùn)用上述方法進(jìn)行檢測?？梢?，索結(jié)構(gòu)既有幕墻中拉索拉力值的檢測方法仍有待進(jìn)一步研究。同時(shí)，在發(fā)現(xiàn)拉索預(yù)應(yīng)力衰減后，如何在保證既有幕墻完整性的前提下對拉索索力進(jìn)行調(diào)整，目前幾乎沒有經(jīng)驗(yàn)，但卻是一個(gè)非常值得關(guān)注的問題。

2.4 外部作用

玻璃在溫度變化時(shí)產(chǎn)生的膨脹或收縮在遇到外部約束，或玻璃內(nèi)存在溫度梯度使各部分相互約束時(shí)，將有溫度應(yīng)力存在[12]，從而易導(dǎo)致熱炸裂現(xiàn)象，熱炸裂的典型形態(tài)是玻璃裂紋與板平面方向相垂直。太陽輻射是熱炸裂產(chǎn)生的主要的外部原因，但并非唯一原因。一般來說，玻璃強(qiáng)度越低、吸熱率越大、板面尺寸越大、邊部加工質(zhì)量越差、玻璃板內(nèi)溫差越大，則其越容易引起玻璃熱炸裂[13]。

案例：某大廈玻璃幕墻為單元式明框玻璃幕墻，在某個(gè)冬季的晴天發(fā)生玻璃熱炸裂現(xiàn)象（見圖8）。這是由于過低的氣溫和由日照而產(chǎn)生的熱量會使一片玻璃的平面方向上產(chǎn)生溫度差，從而形成了熱沖擊導(dǎo)致熱炸裂。

圖8 玻璃熱炸裂現(xiàn)象

現(xiàn)行JGJ 102—2003《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》在考慮溫度作用的影響時(shí)一般通過建筑或結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施解決，而不一一進(jìn)行計(jì)算；對于大面積玻璃中央部分與邊緣部分因溫度差產(chǎn)生的溫度應(yīng)力，認(rèn)為當(dāng)溫差不超過15 ℃時(shí)，溫度作用不起控制作用，因此，取消了JGJ 102—1996《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》中溫度應(yīng)力的計(jì)算，但同時(shí)要求對于溫度變化劇烈的玻璃幕墻工程，應(yīng)在設(shè)計(jì)計(jì)算和構(gòu)造處理上采取必要措施，以避免因溫度應(yīng)力造成玻璃幕墻破壞。JGJ 113—2015《建筑玻璃應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》[14]規(guī)定了建筑玻璃的防熱炸裂設(shè)計(jì)。

玻璃在受到外部撞擊時(shí)也可能發(fā)生爆裂現(xiàn)象，對于鋼化玻璃，撞擊點(diǎn)處同樣可見明顯的“蝴蝶斑”，在表面可見明顯的受沖擊痕跡，且其附近找不到異質(zhì)顆粒，應(yīng)與自爆相區(qū)分。

對于中空玻璃，當(dāng)外部環(huán)境的溫度或氣壓發(fā)生變化時(shí)，中空層可能膨脹或收縮，導(dǎo)致玻璃彎曲變形產(chǎn)生應(yīng)力。

案例：某幕墻工程中空玻璃發(fā)生大面積爆裂現(xiàn)象，玻璃設(shè)計(jì)選用12 mm（雙銀Low-E）+12 mm A+12 mm 中空鋼化玻璃，總厚度設(shè)計(jì)值為36 mm，經(jīng)檢測，25%玻璃的總厚度因中空層較厚而存在較大的正偏差（玻璃厚度實(shí)測值示例見表1），超出了JGJ/T 139—2020《玻璃幕墻工程質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》中±2.0 mm 的允許偏差。

3 開啟扇墜落

既有玻璃幕墻中應(yīng)用最多的為上懸式開啟扇，分為兩種安裝形式：鉸鏈?zhǔn)?，以摩擦型鉸鏈為承重構(gòu)件，配以限位風(fēng)撐實(shí)現(xiàn)開啟；掛鉤式，以掛鉤式鋁型材作為開啟扇承重構(gòu)件，配以限位風(fēng)撐實(shí)現(xiàn)開啟。鉸鏈?zhǔn)介_啟扇的常見問題包括：鉸鏈承載能力不足、鉸鏈與型材間螺釘或鉚釘脫落、框扇鋁型材局部承壓能力不足。掛鉤式開啟扇的常見問題包括：掛鉤處無限位裝置或裝置不合理、開啟扇橫向竄動、鋁合金上橫龍骨剛度不足。開啟扇是玻璃幕墻中唯一可活動的構(gòu)件，也是最容易受損的構(gòu)件。而且開啟扇不僅僅是功能性構(gòu)件，它同時(shí)也是承重構(gòu)件。我國現(xiàn)行的JGJ 102—2003《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》和GB/T 21086—2007《建筑幕墻》[15]對開啟扇的設(shè)計(jì)和安裝均未做出專項(xiàng)規(guī)定，使得既有玻璃幕墻開啟扇質(zhì)量良莠不齊，加之很多使用者疏于維護(hù)，使得幕墻開啟扇成為一項(xiàng)非常嚴(yán)重的城市安全隱患。

案例：某單元式玻璃幕墻采用掛鉤式開啟扇，隨機(jī)抽查60 扇，其中45 扇存在風(fēng)撐缺失（見圖9）、損壞（見圖10）、變形（見圖11）、松動、開啟不暢、無法限位等情況。上述問題將導(dǎo)致開啟扇在啟閉過程中受力不均，進(jìn)而導(dǎo)致開啟扇的其他連接部位變形失效，且因風(fēng)撐限位器無法發(fā)揮作用，開啟扇的開啟角度過大，增大脫鉤墜落風(fēng)險(xiǎn)。

圖9 風(fēng)撐缺失

圖10 風(fēng)撐損壞

圖11 風(fēng)撐變形

案例：某大廈外立面為單元式玻璃幕墻，其中開啟扇為掛鉤式（見圖12），在大風(fēng)天氣下發(fā)生多起開啟扇墜落事故，墜落開啟扇均位于高層。該建筑造型較特殊，高層部分開啟扇所在立面與大地水平面呈銳角，在開啟扇處于開啟狀態(tài)時(shí)，其開啟角度相對于垂直立面上的開啟扇開啟角度更大，所受的豎向風(fēng)荷載也更大。對開啟扇進(jìn)行拆除檢查，可見掛鉤上部有一鋁合金片狀壓條，用來限制掛鉤的豎向位移，壓條中間位置有一角碼，角碼固定在窗框或橫梁上，用來限制壓條的水平位移（見圖13）。但壓條寬度較窄，無法對掛鉤的位移進(jìn)行有效限制，因此，使得開啟扇的開啟距離和開啟角度進(jìn)一步增大，在大風(fēng)天氣下，風(fēng)荷載產(chǎn)生巨大的豎向推力將開啟扇向上頂起，當(dāng)鋁合金片狀壓條與開啟扇掛鉤之間的距離過大時(shí)，則導(dǎo)致開啟扇脫鉤墜落。

圖12 開啟扇掛鉤

圖13 開啟扇壓條及限位裝置

4 安全性評價(jià)

對于既有玻璃幕墻的安全性評價(jià)，我國尚未出臺統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)行JGJ 102—2003《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》、JGJ/T 139—2020《玻璃幕墻工程質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》、GB/T 21086—2007《建筑幕墻》、JGJ/T 324—2014《建筑幕墻工程檢測方法標(biāo)準(zhǔn)》等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中給出了部分項(xiàng)目的檢驗(yàn)檢測方法和評價(jià)依據(jù)，可供既有玻璃幕墻的安全性評價(jià)參考。目前，上海、四川、江蘇、福建、遼寧等多地已陸續(xù)出臺相關(guān)地方標(biāo)準(zhǔn)。評估方法與標(biāo)準(zhǔn)體系的不斷完善將為既有幕墻的安全性提供進(jìn)一步的保障。但現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)在檢驗(yàn)檢測方法、抽樣規(guī)則、指標(biāo)判定準(zhǔn)則、評價(jià)方法系統(tǒng)性方面仍有待進(jìn)一步完善。

5 結(jié)語

1）玻璃爆裂脫落問題是既有玻璃幕墻中最易發(fā)生的安全性問題，但這一現(xiàn)象出現(xiàn)的原因是多樣的，甚至是綜合性的，在實(shí)際分析處理過程中應(yīng)結(jié)合破壞特征逐項(xiàng)排查確認(rèn)。

2）開啟扇作為活動構(gòu)件，易發(fā)生疲勞破壞，不僅影響使用，也影響安全，使用者應(yīng)加強(qiáng)檢查和維護(hù)。

3）我國既有玻璃幕墻的安全性評價(jià)方法研究和標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布工作已在逐步推進(jìn)，為安全性評價(jià)工作提供了指導(dǎo)，但綜合性、完整性和準(zhǔn)確性仍有待提高。