玻璃幕墙的安全问题分析与建议
来源：中国幕墙网
玻璃幕墙已经成为现代建筑外围护结构(词条“围护结构”由行业大百科提供)的不二之选，玻璃幕墙在建筑外表皮采光、保温、遮风、挡雨功能的基础上，又增添了装饰性，将建筑功能和建筑美学融为一体，成为一个城市靓丽的风景。但是近年来，随着建筑幕墙的迅猛发展和广泛应用，也不断有安全质量等事故发生，在社会上产生了一些负面影响。本文是根据笔者几十年的施工设计经验，针对幕墙的安全性问题提出的一些看法，与大家共同探讨。
一、玻璃幕墙的安全问题。
近几年，玻璃幕墙安全事件不断发生，幕墙玻璃破碎坠落伤人毁物，让人们把玻璃幕墙视为“空中炸弹”，而2016年几次极端气候状况下玻璃幕墙的坠落事件，更是在行业内及社会上引起了极大的反响。玻璃幕墙真的不安全吗?是什么原因导致的玻璃破碎坠落呢?
人们通常了解的幕墙安全事件都是玻璃坠落，而幕墙玻璃坠落仅仅是表象。除去钢化玻璃的自爆引起的坠落外，能够导致幕墙玻璃破碎的因素有很多，诸如玻璃的加工质量、边界条件、幕墙构造等等，而幕墙的构造及抗风压性能更是极其重要的因素。
1、 玻璃的加工质量
玻璃是一种脆性材料，玻璃之所以在建筑外窗(词条“窗”由行业大百科提供)上得到广泛应用，原因之一就是它的耐压强度高，硬度也高。玻璃的理论强度值大约为1010~1.5×1010Pa，而实际强度不足108Pa，比理论强度差很多，抗张强度也比抗压强度小。
由表-1可看出，块状玻璃的实际强度比理论强度低得多，与理论强度相差2~3个数量级。块状玻璃实际强度这样低的原因，是由于玻璃的脆性和玻璃中存在有微裂纹和内部不均匀区及缺陷的存在造成应力集中所引起的。为了克服表面微裂纹的影响，提高玻璃的强度，建筑玻璃通常采用淬冷(物理钢化)或表面离子交换(化学钢化)，以获得压应力层，从而强化表面，使其强度增加。
玻璃在生产过程中会有残余应力，特别是分布不均匀的残余应力，使强度大为降低。玻璃进行钢化后，使其表面产生均匀的压应力、内部形成均匀的张应力，大大提高了玻璃的机械强度(词条“机械强度”由行业大百科提供)。经过钢化处理的玻璃，其耐机械冲击和热冲击的能力比经良好退火的玻璃要高5~10倍。
玻璃在裁切时，其刀口部位会产生很多大小不等的裂纹，引起边缘应力分布不均匀，在钢化等过程中会导致玻璃破碎。因此在《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ102-2003中第3.4.4条规定“幕墙玻璃应进行机械磨边处理，磨轮的目数应在180目以上。点支承幕墙玻璃的孔、板边缘均应进行磨边和倒棱，磨边宜细磨，倒棱宽度不宜小于1mm。”
玻璃在运输、安装过程中，以及安装完成后，由于受各种作用的影响，容易产生应力集中，导致玻璃破碎。所以，在《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ02-2003中第9.4.3-1条规定：“玻璃边缘应倒棱并细磨，外露玻璃的边缘应精磨”。以减少玻璃的破碎几率。
在一些实际工程中，出于各种原因，幕墙玻璃的边缘往往没有经过精细打磨(词条“打磨”由行业大百科提供)，玻璃边缘仍会残留一些切割裂纹，在承受风荷载等外力作用时，就会因为应力集中而破碎，甚至在运输过程中就会破碎。
如图1~3所示，山东某幕墙工程，玻璃在运输过程中就已经破碎，在搬运、安装过程中又相继破碎。现场勘查发现玻璃加工粗糙，玻璃的边缘没有经过精细打磨。夹胶玻璃在破碎后玻璃与SGP胶片脱离，这种情况很可能是SGP胶片含水率过高，或是在高压釜中高压恒温时间不够所致。
因此在玻璃裁割后、钢化之前，必须要对玻璃的边缘进行打磨、倒棱处理以消除裂纹，避免在钢化及在施工过程中因为应力集中导致玻璃破碎。而且，玻璃加工的整个工艺流程也需要严格的控制，确保产品质量，避免安全隐患。
2、幕墙构造的设计缺陷
玻璃幕墙由面板和金属框架组成，其变形能力比较小。在水平地震或风荷载作用下结构产生侧移时，由于幕墙构件(词条“构件”由行业大百科提供)玻璃幕墙由面板和金属框不能承受过大的位移，只能通过连接件的弹性来避免主体结构过大侧移带来的影响，由于幕墙玻璃和杆件之间变形能力的差异，必然会对玻璃局部产生一定的压应力。而玻璃幕墙对于玻璃槽的构造设计都有严格的规定，在玻璃的安装与横框之间要保证留有一定的间隙，才能保证在发生层间变位的时候玻璃不会因受到挤压而破碎。
《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ102-2003中第4.3.12条规定“明框幕墙的玻璃边缘只边框槽底应符合下述公式：
(1)
同时，玻璃边缘到边框、槽底的间隙海应该符合《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ102-2003第9.5.2条和第9.5.3条的有关规定。只有在符合上述要求的设计才能够保证玻璃的安全。
根据规范第9.5.3的规定，通常的幕墙型材截面宽度至少应是65mm，若小于65mm则幕墙构造很难满足规范的要求。而在实际过程设计中，由于建筑师过于强调视觉效果，一味追求幕墙杆件外形纤细，使得幕墙设计师(词条“幕墙设计师”由行业大百科提供)无法保证幕墙构造设计的要求，玻璃边缘和边框槽底的间隙过小，满足不了层间变位的需要，在地震作用(词条“地震作用”由行业大百科提供)下发生层间位移时，必然导致玻璃破碎。
玻璃是典型的脆性材料之一，其破碎的原因大致有三种：弯曲变形(词条“弯曲变形”由行业大百科提供)、强力冲击和热炸裂。
幕墙玻璃热炸裂是由于玻璃不同部位的温度不均匀，玻璃暴露在阳光直射的部分吸收红外线和可见光转化为热量，温度升高，这一部分玻璃受热膨胀(伸长)而处于镶嵌槽或阴影下的那一部分玻璃，因受不到阳光的辐射不能同步膨胀，内部热力应力形成，受热多的区域对受热少的区域产生张应力，这种张应力超过玻璃的抗拉强度就会导致玻璃破裂。
玻璃由于没有屈服延伸阶段，特别是受到突然施加的冲击负荷时，玻璃瞬间就会破碎。但是在转变温度Tg以下，玻璃基本上是服从虎克定律的弹性体(一般玻璃的弹性模量为(441~882)×108Pa)。有一定的弯曲变形能力。我们这里主要讨论的玻璃在弯曲变形下的破碎。
在玻璃幕墙设计中，幕墙玻璃的变形设计也是玻璃幕墙设计中的一个重要方面。在《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ102-2003中，是采用弹性小挠度(词条“挠度”由行业大百科提供)公式来计算玻璃面板的应力和挠度。而按照弹性小变形薄板理论计算的应力和挠度值比实际值大很多，为此考虑了一个折减系数加以修正，即便如此，笔者认为也未必能够反映玻璃变形的真实情况。
幕墙玻璃除了受风荷载的作用外，还同时受到玻璃安装的边界条件的影响。在风荷载作用下，幕墙玻璃和幕墙框架都会产生变形，但是变形的程度是不同的，两者变形的差异势必对玻璃造成挤压。
在《铝合金门窗工程技术规范》JGJ 214-2010中，玻璃面板和框架槽口的前后间隙如下表。
在实际的门窗工程中发现，很多的门(词条“门”由行业大百科提供)窗玻璃面与窗框槽口前后间隙都小于3mm，无法正常塞进胶条，在外侧采用密封胶施工。在遭遇极端风荷载作用的情况时，由于收到边界条件限制，玻璃边缘和中心区的变形并不一致。而边框的挠度和玻璃的挠度不同会使玻璃边缘受到窗框的挤压，从断裂力学的角度分析，在长时间或短时间多次强负荷作用下，玻璃会因“疲劳”导致破碎。
2016年9月15日凌晨第14号台风“莫兰蒂”以强台风级别登陆厦门翔安，登陆时最大阵风17级以上，中心最大风力达15级，48米/秒。在强大风力的作用下，个别幕墙玻璃破损，建筑门窗的破损相对严重，具业内人士现场考察发现，门窗玻璃破损严重的原因与其构造设计和结构设计有直接的关系。
3、幕墙结构设计
幕墙杆件的刚度是幕墙结构安全性的关键。对于竖直的玻璃幕墙，风荷载是主要的作用，地震效应相对于风荷载效应是比较小的，通常不会超过风荷载效应的20%，因此，对于幕墙构件本身而言，抗风压设计是主要的考虑因素。
玻璃幕墙的抗风压性能是一个整体概念，是由玻璃面板和杆件强度和刚度决定的。玻璃幕墙中承接风荷载的主要是玻璃，再通过玻璃传递到幕墙杆件。幕墙玻璃和杆件在风荷载作用下势必都要发生变形。在幕墙玻璃的变形设计中，对四边支承玻璃面板采用的是弹性小变形薄板理论计算应力，但是玻璃是典型的脆性材料，按弹性理论计算的应力和挠度值要比实际值大很多，尽管采用了折减系数予以修正，仍然不能够完全准确地反应玻璃面板的实际受力和变形状态。
幕墙玻璃的挠曲变形还和玻璃安装的边界条件有关。幕墙玻璃安装在框架槽口内，幕墙的框架是通过连接件组合在一起的，幕墙竖框是单向受弯杆件，只在水平风荷载方向发生挠曲变形，而幕墙横框是双向受弯杆件，在重力方向和水平风荷载方向都产生挠曲变形，竖框和横框在变形后，玻璃面板的边缘就不会在同一平面内，而是呈扭曲状态，尤其是在横框与竖框的连接采用自由度较大的连接方式时(比如钢销式连接)，横竖框的相对扭曲会更大，在极端气候条件下，玻璃面板就会因受力不均而破碎。
在幕墙玻璃面板保持完整的前提下，幕墙的抗风压性能最终是由幕墙的框架杆件决定的。只有幕墙杆件刚度足够，幕墙的抗风压强度才能满足要求。
幕墙结构设计是采用钢结构设计中的近似概率极限状态设计法，概率极限状态设计法是指在设计基准期(一般50年)内，满足结构的功能要求：即安全性,适用性，耐久性。
安全性：满足特定的与建筑物功能相适应的承载力极限状态
适用性：保证结构在日常使用中满足要求
耐久性：保证结构的承载力的持续时间与环境适应度
结构的极限状态包括承载力极限状态与正常使用极限状态。承载能力(词条“承载能力”由行业大百科提供)极限状态是结构或构件达到最大承载能力或出现不适于继续承载的变形。整个结构或结构的一部分作为刚体失去平衡，结构构件或连接因超过材料强度而破坏;正常使用极限状态是结构或构件达到正常使用或耐久性能的某项规定值，影响正常使用或外观的变形，或者耐久性能的局部损坏。
承载力极限状态与正常使用极限状态相比，前者可能导致人身伤亡和大量的财产损失，而后者对生命的危害则较小，主要是引起人们的不适。
作为幕墙结构的极限状态设计应该要求受力构件不超过正常使用极限状态，也就是说必须要保证足够的安全度，绝不应该趋近于承载力极限状态设计。而现实的幕墙施工设计中却有很多都采用承载力极限值，存在着很多不安全的因素。
一方面，许多建筑师都在追求大跨度、大分格的立面设计效果，同时又要求幕墙杆件足够纤细;另一方面，一些开发商采取高成本低造价的中标方式，将幕墙施工单位的利润空间挤压殆尽。为了达到建筑师的要求，同时又要获得微薄的利润，幕墙施工单位就不得不在幕墙材料上动脑筋——最大程度的减小幕墙龙骨的截面尺寸，挠度最大限度地趋近极限值，应力比趋于最大。幕墙杆件的荷载力多数都接近极限状态，一旦遇到极限恶劣的天气，就难免酿成大祸。
2016年8月7日下午，四川省成都市遭遇了一阵狂风暴雨加冰雹，位于成都高新南区天府大道北段的“环球中心”天堂洲际大饭店的大堂玻璃幕墙遭到破坏，100平方左右玻璃掉落。
从图7~9中看到爪件已经扭曲变形，推测应该是瞬间的风荷载超过了爪件的承载力，不锈钢驳接爪丧失了支撑能力而变形，从而导致玻璃的破碎。
2016年9月15日凌晨，第14号台风“莫兰蒂”在厦门翔安以强台风级别登陆，登陆时最大阵风17级以上，中心最大风力达15级，48米/秒、中心气压945帕，为建国以来厦门遭遇的最强级别台风。台风过后行业内专家对厦门的幕墙、门窗受损情况进行了考察，大部分的幕墙、门窗在这次强台风中表现良好，没有结构受损情况发生，只有少数门窗幕墙的玻璃出现局部受损现象，极个别项目处于风口位置的落地门窗受损较为严重。
二、须提高安全意识
在上述两例事件中，无论是沿海城市厦门还是内陆城市成都，从现场的情况看，幕墙门窗玻璃破碎的原因都是杆件承载力不足以抵抗风荷载，产生变形后导致玻璃破碎掉落。这足以警示我们提高对结构设计安全度的重视。
结构设计方法经历了从容许应力法、破坏阶段设计法、极限状态设计法到概率极限状态设计法的发展过程。建筑幕墙的设计源于钢结构设计，也是按近似概率理论的极限状态设计法，设计满足功能要求的结构,也就是把外界作用对结构的效应与结构本身的抵抗力来加以比较，以达到结构设计既安全又经济的目的。具体的说也就是在预定的作用及材料性能条件下，确定结构构件按功能要求的截面尺寸和满足构造要求。但是，极限状态设计并不意味着幕墙构件的承载力设计都趋于极限值。
玻璃幕墙作为建筑外围护结构，应遵守三个基本的原则：安全性、适用性和经济性。安全是第一位的，适用、合理的结构是必须的。构件的极限状态不仅包括承载力的极限状态，而且包括挠度(变形)的极限状态，这其中就已经包含了安全性和适用性的一些概念。
安全性即是要求幕墙杆件要在安全的承载力状态和稳定性，而不是在极限状态。极限状态是杆件处于失效状态的临界状态，倘若设计时取用极限承载力状态，也就把幕墙构件置于危险的边缘。一旦有短时极端气候条件出现，风力过大就会导致杆件失稳，扭曲变形从而造成幕墙破损，可能导致人身伤亡和大量的财产损失。
适用性是指构件在正常使用条件下具有良好的工作性能，对于幕墙而言，应该还包括幕墙构造与主体结构的匹配性。当今的幕墙设计都是根据具体的建筑结构量身定做，一些好的幕墙设计项目在其本身结构上是适合的，用到其他建筑结构上就未必适用，应该根据实际情况具体分析、综合考虑。
结构的可靠性是结构的安全性、适用性和耐久性这三者的总称，我们在幕墙设计中要综合考虑这三个要素。我们提倡大胆创新，只有创新，才有发展。但是创新不等于蛮干。正如行业内一位老专家所言：建筑设计的创新，要由合乎逻辑的结构设计来成全，大胆不可妄为;经不住自然风暴突袭就大面积散落，绝不等同于意外破碎散落肇事;在安全面前不慎不周的设计与施工，必将酿成难以收拾的灾祸。
结语
建筑幕墙是建筑的外围护结构，是属于建筑设计的一部分，首先也应遵循《建筑结构可靠度设计统一标准》(GBJ68-1984)。作为幕墙设计师要有责任意识，在幕墙设计中要提高安全意识，构件设计必须保留足够的安全度，以确保在出现极端气候条件时幕墙构件有足够的承载力，不因失效而出现安全事故。在追求利润，降低成本的同时要优先考虑安全，既要大胆创新，更要小心求证;我们不反对借鉴，借鉴也是学习的过程，但是要理性的、有分析、有鉴别的借鉴，选择适合自身结构特点的构造，绝不可以生搬硬套。要充分兼顾幕墙结构的安全性、适用性和耐久性。
幕墙结构的可靠度是我们每一个幕墙设计师必需坚守的底线。
参考文献
【1】《玻璃工艺学》赵彦钊、殷海荣主编，化学工业出版社
【2】《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ102-2003
【3】《钢结构-原理与设计》沈德洪，同济大学
【4】《建筑结构可靠度设计统一标准》GB50068-2001
