幕墙规范的新解读（二）——幕墙的建筑设计

　　谈到幕墙在建筑设计中的应用，可以说幕墙，特别是玻璃幕墙是当代的一种新型墙体结构。其赋予建筑的最大特点是将建筑美学、建筑功能、建筑节能和建筑结构等因素，有机地统一起来，建筑物从不同角度呈现出不同的色调，随阳光、月色、灯光的变化，给人以动态的美，那么建筑设计和幕墙设计二则有合关系，中国幕墙网ALwindoor.com特邀“中国建筑科学研究院研究员”赵西安教授，为大家详细介绍。

幕墙规范的新解读

新版JGJ 133 和JGJ 102 的设计部分介绍(二)

幕墙的建筑设计

　　一、 开启扇

　　1. 合理选用开启方式，控制开启扇的尺寸

　　开启部分不应采用平开窗，外开平开窗的窗扇受风力和自重作用容易掉落，安全性差。不管外平开还是内平开都难以控制其开启程度，一旦打开就形成一个大洞口，容易出现人员安全问题，而且打开后的一个个黑洞，好象破碎后的玻璃，影响立面美观。

　　推拉窗密封性能较差，在风雨交加时很容易从边缝向室内冒水，开启后的问题和平推窗相同，存在安全隐患，也影响幕墙的外观(图1)。

　　目前应用最广泛的开启方式是上悬窗，其各项性能综合比较占明显优势。为保证开启扇本身的安全和室内人员的安全，上悬窗的开启角度不应大于30度，下边缘的开启最大距离不应超过300mm(图2)。

　　开启扇的面积不能太大，以便于室内人员能手动开启。特别是采用中空玻璃、夹胶玻璃和夹胶中空玻璃时，重量将是单片玻璃的2~4倍，使得人力难以推动。而且自重过大会使五金件受力过大，也不安全。通常两片玻璃的开启扇面积不宜超过1.5m2，夹胶中空玻璃开启扇的面积不宜大于1.0m2。

　　2. 平推窗

　　上悬窗虽然应用普遍，也是通常幕墙设计的首选，但是上悬窗只靠上挂点的挂钩支承，如果设计有缺陷，施工有偏差，就很容易发生挂钩脱离，开启扇整片坠落的事故。上悬窗坠落在许多工程中都曾发生过。

　　平推开启扇完全由多个金属窗撑支承，可以平行向外推出(图3、图4)。

　　平推开启扇有多个连接点，同时失效的机会很小，不容易发生窗扇坠落的危险。平推窗的开启距离一般为200mm。

　　3. 上悬挂钩的安全问题

　　要防止上悬挂钩脱出，主要是两项措施：

　　挂钩要足够的入槽深度;

　　要有防止挂钩脱出的限位装置。

　　图5的节点构造符合上述要求。

　　反之，入槽深度浅，不设限位装置，都会带来开启扇掉下的危险(图6)。

　　二、 局部构造设计

　　1. 雨棚的坡度

　　与幕墙相连的玻璃雨棚应有足够的坡度，以排除雨水，防止污物在玻璃板上沉积，影响美观。

　　水平放置的玻璃面板在自重和雨水作用下会向下凹陷，其允许挠度为短边长度的1 / 60，为排除积水，雨棚的坡度不能小于 3% ，最好更大一些。有些图纸上标注 1% 或2% 的坡度是不正确的，会产生污垢沉积(图7)。

　　2. 伸缩缝、沉降缝、防震缝

　　当幕墙为抗震设计时，伸缩缝和沉降缝都会按照防震缝的要求设计，以下都称为防震缝。

　　幕墙在主体结构的防震缝部位应有构造措施，防止主体结构两侧相对位移时幕墙被损坏。在2008年汶川大地震中建筑幕墙表现良好，基本上没有发生明显的震害，但是个别工程因为防震缝部位没有采取相应措施，两侧幕墙相碰造成玻璃板块破损(图8)。

　　幕墙面板在防震缝位置应留出与主体结构防震缝大体相同的宽度，然后用风琴橡胶板、金属滑移板等宽度可伸缩的材料封闭(图9)。

　　一般情况下，面板不应跨越主体结构的防震缝。在不得不跨越时应采取防止面板破坏的构造措施。图10为首都机场三号航站楼，玻璃板块跨越防震缝，为此采取以下措施：

　　1 跨越板块两侧设置风琴板，将跨越板块与两侧主要部分分离;

　　2 跨越板块由单独钢梁承托，钢梁两端用滑动支承与防震缝两侧的桁架分别连接。

　　3. 玻璃面板与主体结构或装饰间的间隙

　　幕墙玻璃面板常常要伸入到主体结构中或装饰层中，为保证玻璃面板在荷载或温度作用下有自由弯曲和伸缩的余地，玻璃表面与邻近结构或装饰表面间应有足够的距离。通常这个距离不小于6mm。如果玻璃邻近空隙太小，加之密封胶硬化的话，玻璃变形受限，就容易发生破裂(图11)。

　　三、 板缝的形式和板缝的宽度

　　1. 优先采用注胶板缝

　　注胶板缝不容易漏水，密封可靠，目前大量采用，已有成熟的经验。密封胶还是第二道防线，如果石材破碎，可以防止碎块坠落。

　　所以JGJ 133 规范新版本规定，100m以上高度的石材幕墙应采用注胶板缝，非花岗石幕墙应采用注胶板缝。

　　建筑设计应优先采用注胶板缝。如果建筑师希望突出板缝的立体感，也可以采用凹入式深胶缝，将将建筑密封胶的表面凹进石材表面5mm~10mm。

　　2. 开放式板缝

　　建筑师采用开放式板缝主要是建筑艺术上突出板缝立体感的要求，另外也希望减少胶缝积灰，保持幕墙表面的清洁美观。

　　为留出面板温度伸缩的空间，开放式板缝的宽度不宜小于10mm。

　　面板后方应设置防水层，通常多采用铝板或涂层钢板。如果在板缝中设置防水胶条，也可以起防水的作用，不再设防水层(图12)。

　　3. 密封胶缝的宽度

　　建筑密封胶缝的最小宽度要考虑以下因素：

　　面板的温度变形;

　　胶缝宽厚比的要求;

　　注胶嘴能伸入缝内注胶;

　　面板尺寸偏差和安装位置偏差。

　　有些建筑师和业主要求石材幕墙的板缝宽度5mm，甚至细到2mm，这是不合理的。这么细的缝，施工稍有偏差就变为无缝。不仅无法满足温度变形的要求，而且小于6mm是无法进行注胶的(图13)。

　　对于玻璃、金属板这样的光滑表面材料，胶缝设计要求胶缝宽度不小于胶缝厚度的2倍。所以通常胶缝宽度不小于10mm(图14、图15)。

　　对于石材等粗糙多孔表面，胶缝设计要求胶缝宽度不小于胶缝厚度，考虑到石板加工安装偏差较大，板缝宽度不应小于8mm(图16)。

　　四、 防火设计

　　近年来，已建和在建的幕墙工程频频发生火灾。仅2009年2月9日电视文化中心发生空前大火后，2月20日广州富力城、4月6日北京新的中国科技馆、4月19日南京50层中环大厦相继因电焊引燃聚苯保温板发生大火;到2010年11月上海静安教师公寓大火造成近百人伤亡;2011年春节沈阳万鑫大酒店大火烧了十个小时。幕墙的防火设计再一次引起我们的重视。

　　1. 合理选用幕墙材料

　　(1) 聚氨酯板和聚苯板的可燃性要认真重视

　　聚氨酯板和聚苯板是目前正在推广的高效节能保温材料,尤其是挤塑聚苯板以其良好的热工性能和施工方便的优势,已在幕墙工程中广泛使用。但是其可燃性，甚至可向四周引火扩大火灾范围的危险性并未引起重视。甚至以加入阻燃剂为由说聚苯板已经是难燃材料，符合幕墙规范要求等等，对设计人员产生误导。

　　实际上，这两种材料用打火机就能点燃，不要说电焊火花溅上了。一旦有火源，它们80度就会软化，温度再高就着火、融化，冒出熊熊火焰和浓浓的黑烟，带着火苗的滴熔物滴到那里就烧到那里。板上很快烧出大洞，火焰沿洞边迅速向外扩展，象导火索一样将火灾引向四面八方。这些保温板甚至在金属板的内部封闭的条件下都可以不断扩大燃烧范围，极难扑灭。2005年南京青少年科技活动中心金属屋面板下面大面积保温聚苯板燃烧，只见冒烟不见火焰，不知往哪边浇水。2008年7月和11月，济南奥体中心体育馆两次屋面大火也出现相同的情况，每次都烧掉几百甚至几千平方米的金属屋面。

　　聚苯板的易燃性从彩钢板房最近连续发生大火灾也得到另一个角度的验证，仅2009年3月就有中央美院、上海国金大厦和重庆某工地三次聚苯板彩钢板房大火灾，每次大火都把板材烧个精光，只留下弯弯扭扭的钢骨架。

　　电视文化中心近十万平方米的金属屋面采用了挤塑聚苯板作为保温材料，引出了这次空前大火，灾情惨烈，大家深以为教训。许多工程都改变设计，改用别的材料。大连贝壳博物馆屋面采用岩棉;上海世博会中国馆改用钢板包封压缩岩棉。

　　如果幕墙不得不采用这些保温板，就必须在施工中采取严格的防火措施。

　　(2)传统保温材料不要一概否定

　　岩棉、玻璃棉等传统保温材料已经应用多年，积累了丰富的经验。实践表明它们用于保温节能还是有效的。当然，相对于聚苯板、聚氨酯板这些新材料，保温性能、施工环保和保护工人健康方面都存在缺陷，但是它们不着火，是难燃材料，用起来安心。

　　为改善其性能，应在岩棉、玻璃棉外面用铝箔或薄钢板加以包封成板块状，不仅便于铺设，保护施工人员，而且可以防止保温棉、防火棉受潮、水湿，保持其保温和防火能力。

　　国家大剧院、世博中国馆等工程仍然采用岩棉保温，新建筑用老材料是经过充分考虑的决策。

　　(3) 铝塑板的火灾要引起注意

　　聚乙烯芯材的铝塑板近年来多次发生火灾，因为聚乙烯80度失去黏着力，随即燃烧、冒烟、熔滴，更高温度下裂解为可燃气体。上海一座20层大楼2008年发生火灾，30分钟内铝塑板一楼烧到20楼;同年哈尔滨23层经纬大酒店铝塑板幕墙大火,再联想2006年 乌鲁木齐城市大酒店铝塑板幕墙大火,不能不令人担心铝塑板幕墙的火灾安全性。由于容易发生火灾，我国幕墙公司在哈萨克承包的工程已被哈萨克政府通令停止使用铝塑板。

　　作为铝板幕墙的面板,应优先采用单层铝板和蜂窝铝板.,

　　2. 防火分区之间的防火设计

　　多层建筑的每一个楼层是一个防火分区;同一个楼层面积大于2000平方米时，要用防火墙划分为若干个面积不大于2000平方米的防火分区。这些防火分区之间的部位要有相应的防火设施。

　　(1)层间不燃烧墙体

　　楼层之间在楼板边缘应有高度不小于800毫米的不燃烧墙体，防止下一楼层的火焰卷入上一个楼层。可以计入这个高度的有：

　　不燃烧的实体墙(混凝土墙、砖墙等);

　　位于楼板边缘的混凝土梁板、有防火保护的钢梁和组合楼板;

　　由防火材料组成的防火墙(如硅镁防火板夹120毫米厚的防火岩棉等);

　　单片防火铯钾玻璃及其制成的中空玻璃、夹层玻璃。

　　(2).防火墙左右侧的不燃烧墙体

　　防火分区之间的防火墙到了楼板边缘，其左右两侧各1.0米或总宽度2.0m范围内必须为不燃烧墙体。实体墙、由不燃烧材料组成的墙体、单片防火玻璃及其制品等均可计入其宽度。

　　图17为深圳证券交易中心交易大厅的防火分区处防火墙两侧的处理，是在中空玻璃幕墙平面外，采用单片防火玻璃在防火墙左右两侧各1.5米单独设置不燃烧墙体。

　　(3)楼层间的隔烟层

　　为了防止下部楼层的烟雾穿过幕墙与楼板间的空隙进入上部楼层，两个楼层间幕墙与楼板间的空隙应设一道或两道防烟隔断。

　　隔烟层可以采用多种材料，如防火岩棉、防火板、单片防火玻璃等。最常用的做法是100毫米厚的防火岩棉用1.5mm镀锌钢板承托。

　　如果保温材料采用挤塑聚苯板等可燃烧材料，隔烟层要穿过保温材料，直达铝型材。否则一旦发生火灾，保温板首先被烧掉，隔烟防火岩棉与玻璃之间就出现空档，隔烟层将失去作用。

　　有些部门要求用防烟材料填满窗下幕墙板后面的全部空隙,这是不对的。规范要求100毫米厚的隔烟材料“充填密实”，没有要求“全部塞满”。塞满后容易产生冷凝水，降低充填材料的保温或防火性能;前面是玻璃板时，在阳光透射下会积聚热量，使玻璃板因温度升高而破裂。即使是做保温，也应离开玻璃板30mm~50mm。

　　(4) 实体墙上的隔烟措施

　　铝板幕墙和石材幕墙后面往往是实体墙，实体墙一般是不透烟的。所以除可按一般幕墙做层间隔烟层外，也可以不设层间隔烟而做门窗洞口周边隔烟。

　　最近公布的消防规定有除了门窗洞口封堵外，层间还要照样做隔烟层的要求，由于这些规定经常变动，设计时就按最新规定执行。

　　(5) 楼层防火单元间的玻璃防火隔断

　　楼层上防火单元间通常用防火墙分隔。当建筑设计要求防火隔断为透明时，可采用玻璃防火隔断(图18)。图19 为广西南宁国际会议展览中心的玻璃防火隔断。

　　玻璃防火隔断面板应采用铯钾单片防火玻璃及其制品。支承框架采用防火处理后的钢结构，并用防火密封胶密封。防火隔断与主体结构的后连接不应采用化学螺栓，应采用后切底机械锚栓。

　　3. 防止火势蔓延的措施

　　(1) 内庭的防火设计

　　玻璃幕墙包封

　　内庭跨越许多楼层，形成巨大的室内空间，拔火作用明显，很容易将一个楼层的火焰引向其他楼层，使火灾迅速蔓延扩大。所以内庭周边必须形成一道防火墙。

　　一种做法是将内庭周边的建筑墙体按防火墙设计，采用不燃性墙体材料，防火门窗。火灾时关闭门窗后内庭的火焰不会向楼层室内蔓延。图20 为电视文化中心的内庭，就采用了这种防火设计，可惜这次火灾时尚在装修，防火门窗还没全部装上，火灾中没能起隔断火灾的作用。

　　另一种做法是单独设置玻璃防火隔断。整个内庭由防火墙包封。北京电视中心、上海金茂大厦和广州珠江新城西塔等工程都采用这种防火措施(图21 ~图23 )。

　　(2) 阻断危险的竖向孔道

　　电视文化中心金属幕墙的钛锌面板均作成竖向肋形线条，尺寸为500mmX500mm，这就在保温板上排满了160米高的通风管，保温板燃烧时源源不断提供充足的新鲜空气，助长了火势，使保温材料在锌板下有足够氧气充分燃烧，火灾不断扩大(图24)。

　　当建筑设计存在这类危险的竖向通风孔道时，应每隔若干楼层予以封堵。深圳证卷交易中心大厦的柱子，外包夹胶玻璃面板，玻璃与混凝土之间有70mm的空隙，高达240m，火灾时会形成通风管道，所以每10层用防火玻璃封堵一次。

　　(3) 可燃保温材料应划分防火分区

　　这次电视文化中心保温层燃烧面积达十万平方米，无法控制，造成巨大的损失。其中一个原因是为了节能，消除冷桥，让保温连续铺设。这样一来，一旦起火，就火烧连营七百里，不可收拾。先前也有过南京科技中心、济南奥体中心金属屋面保温大面积火灾的教训。目前在建的工程许多保温面积达20万~30万平方米，如果连续铺设，一旦发生火灾，势必无限蔓延。

　　因此，采用可燃性保温材料时，应划分面积不超过2000平方米的防火分区，分区的边界应采用不燃材料予以阻隔。一旦某一分区着火，火势也局限在个别分区内，不至于无限制到处蔓延，造成重大损失。

　　4. 扩大钢结构在幕墙中的应用

　　铝的熔点约为700度，锌的熔点约为 400度，都远低于钢的熔点1450度。这次电视文化中心火灾后，现场可见钛锌板和保温层全部烧失，惟有钢骨架和钢板虽然变形扭曲，但依然在位。许多幕墙火灾都出现过20分钟铝骨架熔化，面板失去支撑而掉下的现象。

　　防火玻璃必须采用钢骨架，已经成为公认的做法。铝板幕墙和石材幕墙采用型钢骨架也越来越多。一般玻璃幕墙则仍然以铝型材为主，但是大型公共建筑的玻璃幕墙和玻璃采光顶已普遍采用钢结构支承。

　　近年来冷成型薄壁型钢开始在玻璃幕墙中应用，并且相当成功。幕墙专用薄钢型材外观上已可与铝型材比美，壁厚也做到了1.5mm~2.5mm，断面形式多样，可以满足各种玻璃幕墙和玻璃采光顶的要求(图25)。

　　目前许多高档玻璃幕墙工程采用了薄钢型材。图26 为北京奔驰汽车公司，图27 为鸟巢贵宾厅的薄钢玻璃幕墙，还有上海通用汽车公司办公楼和展览馆(图28)。

　　5. 不要让建筑变成火的牢笼

　　没有绝对安全的玻璃，用玻璃就会有一定的风险。问题是合理使用，求得最大的安全。有些文件把钢化玻璃和夹层玻璃定义为安全玻璃，其实是不妥当的。玻璃梁、玻璃柱和玻璃地板用单片钢化玻璃就极其危险。

　　同样，夹层玻璃打不穿、不飞散，可谓安全。但是如果用得不当，就非常危险。

　　在建筑的超高层部分，消防只能靠自身的内部消防系统，既不能靠外部水源灌救，室内人员也不可能破窗逃命。这种情况下幕墙全部采用夹层玻璃并不影响消防的安全性，因而是可以的。但是在低层部分和裙房，以及大量的公共建筑，有些没有设置内部消防系统，外部救援和破窗逃生是重要的求生手段;即使有内部消防设施，多一条生路就可以更多人获救。 如果全部采用所谓安全玻璃的夹层玻璃，无疑就断了这条生路，使建筑成为火的牢笼。一旦起火，外无救援之通道，内无逃生的洞口，非常危险。

　　这并不是杞人忧天，2004年北京京民大厦火灾，被困的人员就是从打破的窗口逃生的(图29) ，如果这些玻璃都是夹层玻璃，打不破，砸不烂，那将会出现多么可怕的结果!

　　2005年，北京华贸中心电焊作业引燃保温材料，发生火灾，烟雾太大，无法救火，最后打破幕墙玻璃，排除浓烟才救熄了大火(图30 )。

　　2011年，新西兰基督城地震，玻璃幕墙表现良好，没有破碎。幸好采用了单片钢化玻璃，能让室内人员砸碎玻璃逃生(图31)。

　　如果这幕墙全部是夹层玻璃那就麻烦了。

　　　所以幕墙采用夹层玻璃面板时，应当留出救援口，并作出明显标记(图32)。救援口可以采用单片玻璃，也可以做成开启窗。

　　火灾教育了我们，使我们在幕墙设计中更加重视防火问题。JGJ 102规范和JGJ 133规范的新版本对幕墙的防火性能和防火构造提出了更高的要求，作出了更严格的规定。幕墙设计和施工中，要合理选用防火的材料，按规范要求作好各部位的防火构造设计，尽力避免出现薄弱环节和安全漏洞，提高幕墙抵抗火灾的能力，并在万一发生火灾时也能尽量减少人员伤亡和财产损失。