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  玻璃幕墻已經(jīng)成為現(xiàn)代建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的不二之選，玻璃幕墻在建筑外表皮采光、保溫、遮風(fēng)、擋雨功能的基礎(chǔ)上，又增添了裝飾性，將建筑功能和建筑美學(xué)融為一體，成為一個(gè)城市靚麗的風(fēng)景。

  近年來，隨著建筑幕墻的迅猛發(fā)展和廣泛應(yīng)用，也不斷有安全質(zhì)量等事故發(fā)生，在社會(huì)上產(chǎn)生了一些負(fù)面影響。本文是根據(jù)筆者幾十年的施工設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)幕墻的安全性問題提出的一些看法，與大家共同探討。

  一、玻璃幕墻的安全問題

  近幾年，玻璃幕墻安全事件不斷發(fā)生，幕墻玻璃破碎墜落傷人毀物，讓人們把玻璃幕墻視為“空中炸彈”，而2016年幾次極端氣候狀況下玻璃幕墻的墜落事件，更是在行業(yè)內(nèi)及社會(huì)上引起了極大的反響。玻璃幕墻真的不安全嗎?是什么原因?qū)е碌牟Ａ扑閴嬄淠?

  人們通常了解的幕墻安全事件都是玻璃墜落，而幕墻玻璃墜落僅僅是表象。除去鋼化玻璃的自爆引起的墜落外，能夠?qū)е履粔ΣＡ扑榈囊蛩赜泻芏啵T如玻璃的加工質(zhì)量、邊界條件、幕墻構(gòu)造等等，而幕墻的構(gòu)造及抗風(fēng)壓性能更是極其重要的因素。

  1、 玻璃的加工質(zhì)量

  玻璃是一種脆性材料，玻璃之所以在建筑外窗上得到廣泛應(yīng)用，原因之一就是它的耐壓強(qiáng)度高，硬度也高。玻璃的理論強(qiáng)度值大約為1010~1.5×1010Pa，而實(shí)際強(qiáng)度不足108Pa，比理論強(qiáng)度差很多，抗張強(qiáng)度也比抗壓強(qiáng)度小。

  由表-1可看出，塊狀玻璃的實(shí)際強(qiáng)度比理論強(qiáng)度低得多，與理論強(qiáng)度相差2~3個(gè)數(shù)量級(jí)。塊狀玻璃實(shí)際強(qiáng)度這樣低的原因，是由于玻璃的脆性和玻璃中存在有微裂紋和內(nèi)部不均勻區(qū)及缺陷的存在造成應(yīng)力集中所引起的。為了克服表面微裂紋的影響，提高玻璃的強(qiáng)度，建筑玻璃通常采用淬冷(物理鋼化)或表面離子交換(化學(xué)鋼化)，以獲得壓應(yīng)力層，從而強(qiáng)化表面，使其強(qiáng)度增加。

  玻璃在生產(chǎn)過程中會(huì)有殘余應(yīng)力，特別是分布不均勻的殘余應(yīng)力，使強(qiáng)度大為降低。玻璃進(jìn)行鋼化后，使其表面產(chǎn)生均勻的壓應(yīng)力、內(nèi)部形成均勻的張應(yīng)力，大大提高了玻璃的機(jī)械強(qiáng)度。經(jīng)過鋼化處理的玻璃，其耐機(jī)械沖擊和熱沖擊的能力比經(jīng)良好退火的玻璃要高5~10倍。

  2、幕墻構(gòu)造的設(shè)計(jì)缺陷

  玻璃幕墻由面板和金屬框架組成，其變形能力比較小。在水平地震或風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生側(cè)移時(shí)，由于幕墻構(gòu)件玻璃幕墻由面板和金屬框不能承受過大的位移，只能通過連接件的彈性來避免主體結(jié)構(gòu)過大側(cè)移帶來的影響，由于幕墻玻璃和桿件之間變形能力的差異，必然會(huì)對(duì)玻璃局部產(chǎn)生一定的壓應(yīng)力。而玻璃幕墻對(duì)于玻璃槽的構(gòu)造設(shè)計(jì)都有嚴(yán)格的規(guī)定，在玻璃的安裝與橫框之間要保證留有一定的間隙，才能保證在發(fā)生層間變位的時(shí)候玻璃不會(huì)因受到擠壓而破碎。

  3、幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

  幕墻桿件的剛度是幕墻結(jié)構(gòu)安全性的關(guān)鍵。對(duì)于豎直的玻璃幕墻，風(fēng)荷載是主要的作用，地震效應(yīng)相對(duì)于風(fēng)荷載效應(yīng)是比較小的，通常不會(huì)超過風(fēng)荷載效應(yīng)的20%，因此，對(duì)于幕墻構(gòu)件本身而言，抗風(fēng)壓設(shè)計(jì)是主要的考慮因素。

  玻璃幕墻的抗風(fēng)壓性能是一個(gè)整體概念，是由玻璃面板和桿件強(qiáng)度和剛度決定的。玻璃幕墻中承接風(fēng)荷載的主要是玻璃，再通過玻璃傳遞到幕墻桿件。幕墻玻璃和桿件在風(fēng)荷載作用下勢(shì)必都要發(fā)生變形。在幕墻玻璃的變形設(shè)計(jì)中，對(duì)四邊支承玻璃面板采用的是彈性小變形薄板理論計(jì)算應(yīng)力，但是玻璃是典型的脆性材料，按彈性理論計(jì)算的應(yīng)力和撓度值要比實(shí)際值大很多，盡管采用了折減系數(shù)予以修正，仍然不能夠完全準(zhǔn)確地反應(yīng)玻璃面板的實(shí)際受力和變形狀態(tài)。

  幕墻玻璃的撓曲變形還和玻璃安裝的邊界條件有關(guān)。幕墻玻璃安裝在框架槽口內(nèi)，幕墻的框架是通過連接件組合在一起的，幕墻豎框是單向受彎桿件，只在水平風(fēng)荷載方向發(fā)生撓曲變形，而幕墻橫框是雙向受彎桿件，在重力方向和水平風(fēng)荷載方向都產(chǎn)生撓曲變形，豎框和橫框在變形后，玻璃面板的邊緣就不會(huì)在同一平面內(nèi)，而是呈扭曲狀態(tài)，尤其是在橫框與豎框的連接采用自由度較大的連接方式時(shí)(比如鋼銷式連接)，橫豎框的相對(duì)扭曲會(huì)更大，在極端氣候條件下，玻璃面板就會(huì)因受力不均而破碎。

  二、須提高安全意識(shí)

  玻璃幕墻作為建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)，應(yīng)遵守三個(gè)基本的原則：安全性、適用性和經(jīng)濟(jì)性。安全是第一位的，適用、合理的結(jié)構(gòu)是必須的。構(gòu)件的極限狀態(tài)不僅包括承載力的極限狀態(tài)，而且包括撓度(變形)的極限狀態(tài)，這其中就已經(jīng)包含了安全性和適用性的一些概念。

  結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法經(jīng)歷了從容許應(yīng)力法、破壞階段設(shè)計(jì)法、極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法到概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法的發(fā)展過程。建筑幕墻的設(shè)計(jì)源于鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，也是按近似概率理論的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法，設(shè)計(jì)滿足功能要求的結(jié)構(gòu),也就是把外界作用對(duì)結(jié)構(gòu)的效應(yīng)與結(jié)構(gòu)本身的抵抗力來加以比較，以達(dá)到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)既安全又經(jīng)濟(jì)的目的。具體的說也就是在預(yù)定的作用及材料性能條件下，確定結(jié)構(gòu)構(gòu)件按功能要求的截面尺寸和滿足構(gòu)造要求。但是，極限狀態(tài)設(shè)計(jì)并不意味著幕墻構(gòu)件的承載力設(shè)計(jì)都趨于極限值。

  安全性即是要求幕墻桿件要在安全的承載力狀態(tài)和穩(wěn)定性，而不是在極限狀態(tài)。極限狀態(tài)是桿件處于失效狀態(tài)的臨界狀態(tài)，倘若設(shè)計(jì)時(shí)取用極限承載力狀態(tài)，也就把幕墻構(gòu)件置于危險(xiǎn)的邊緣。一旦有短時(shí)極端氣候條件出現(xiàn)，風(fēng)力過大就會(huì)導(dǎo)致桿件失穩(wěn)，扭曲變形從而造成幕墻破損，可能導(dǎo)致人身傷亡和大量的財(cái)產(chǎn)損失。

  適用性是指構(gòu)件在正常使用條件下具有良好的工作性能，對(duì)于幕墻而言，應(yīng)該還包括幕墻構(gòu)造與主體結(jié)構(gòu)的匹配性。當(dāng)今的幕墻設(shè)計(jì)都是根據(jù)具體的建筑結(jié)構(gòu)量身定做，一些好的幕墻設(shè)計(jì)項(xiàng)目在其本身結(jié)構(gòu)上是適合的，用到其他建筑結(jié)構(gòu)上就未必適用，應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況具體分析、綜合考慮。

  結(jié)構(gòu)的可靠性是結(jié)構(gòu)的安全性、適用性和耐久性這三者的總稱，我們?cè)谀粔υO(shè)計(jì)中要綜合考慮這三個(gè)要素。我們提倡大膽創(chuàng)新，只有創(chuàng)新，才有發(fā)展。但是創(chuàng)新不等于蠻干。正如行業(yè)內(nèi)一位老專家所言：建筑設(shè)計(jì)的創(chuàng)新，要由合乎邏輯的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來成全，大膽不可妄為;經(jīng)不住自然風(fēng)暴突襲就大面積散落，絕不等同于意外破碎散落肇事;在安全面前不慎不周的設(shè)計(jì)與施工，必將釀成難以收拾的災(zāi)禍。