某沿海城市超高层建筑幕墙开启扇掉落原因分析及整改方案

1、引言 　　玻璃幕墙因其通透明亮、立面美观的视觉效果越来越受广大建筑师的青睐，尤其在我国的公共建筑中应用十分广泛。公共建筑因其通风量和消防安全的特殊需求，玻璃幕墙上需要设置一定数量的开启扇。不论是构件式幕墙还是单元式幕墙（词条“单元式幕墙”由行业大百科提供），开启扇形式多为上悬式开启。上悬式开启主要有三种实现方式：第一种是摩擦铰链式，即通过四连杆或五连杆的铰链作为开启扇承重构件，配以限位撑挡实现上悬式开启;第二种被称为挂钩式，采用挂钩铝型材作为开启扇承重构件，再配合限位块和撑挡共同实现上悬式开启;第三种被称为销轴式，利用不少于两个销轴和限位撑挡实现上悬式开启。虽然销轴式较其它两种开启扇较高的安全性，但销轴式因其二次更换较困难，现有工程采用此种方式的较少。 　　但无论以上哪种方式的开启，都出现过开启扇脱落这一严重的安全性问题。据统计，出现此问题的建筑大都是高层或超高层建筑（词条“超高层建筑”由行业大百科提供），且多位于风压（词条“风压”由行业大百科提供）较大的城市。针对此类问题，2016年中国建筑装饰协会幕墙工程委员会制定的《关于淘汰建筑幕墙落后产品和技术的指导意见》中限制了开启扇面积：“开启扇尺寸不宜超过1.5m2，严禁超过2.0m2”;行业标准JGJ 102-2003《玻璃幕墙工程技术规范》也限制了开启要求：“开启扇的开启角度不宜大于30°，开启距离不宜大于300mm[1]”;上海等地方标准规范还制定了更为严格的条文内容和推荐性加固措施，以防此类事件发生。但在实际工程中，幕墙设计师似乎并未引起注意，此类问题依然存在。本文结合实际工程案例，对开启扇掉落的根本原因进行深入分析，并提出解决方案，供广大幕墙设计师借鉴。 　　2、项目背景介绍 　　该建筑位于我国北方某沿海城市，由两座高约190米的写字楼和三层裙楼组成。所在区域为人流密集的商业街，距海边直线距离约1.3公里。幕墙形式主要为竖明横隐的中空玻璃幕墙，总计建筑面积约10.3万平米，幕墙开启扇为挂钩式，共计约2930樘。 　　幕墙在使用过程中接连出现多次开启扇掉落情况，开启扇从90米高以上的位置坠落在周边街道和住宅区内，铝合金扇框已断裂（词条“断裂”由行业大百科提供），钢化玻璃散落在周围(见图1和图2)，原洞口暂用木板临时封堵。虽未造成人员伤亡，但已经属于严重的安全事故，业主针对这一问题立即联系我单位，并提供事故影像资料、竣工图纸和损坏的窗扇实体，委托我单位调查原因并尽快排除安全隐患。我单位接到业主委托，立即成立工作组并第一时间抵达现场，查看发现几樘开启扇均为组角部位断裂、撑挡失效，为典型的开启扇脱落问题。我工作人员现场采集密封胶、结构胶和铝型材样本送国检中心检测，并分析图纸和相关资料，反复验算结构受力，最终查明原因并为业主提供了可行的解决方案。 　　3、幕墙开启扇隐患原因分析 　　3.1 地面粗糙度分类有误，风荷载计算值偏小 　　《建筑结构荷载规范》GB50009-2012规定：对于平坦或稍有起伏的地形，风压高度变化系数应根据地面粗糙度类别按表8.2.1确定。地面粗糙度可分为A、B、C、D四类;A类指近海海面和海岛、海岸、湖岸及沙漠地区;B类指田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的乡镇;C类指有密集建筑群的城市市区;D类指有密集建筑群切房屋较高的城市市区[2]。该工程距海边直线距离约1.3公里，属典型的A类地形。但查阅施工单位出具的结构计算书，将本工程定义为B类地形，计算风荷载的所有参数均以B类地形取值，导致计算的风荷载值偏小。 　　3.2开启部位面积过大，构件局部受力过大 　　统计5樘掉落窗扇的尺寸和面积如表1： 　　以表1中编号的开启扇为例，对其负风压作用下的工况进行计算。 　　幕墙属于薄壁外围护构件，垂直于建筑物表面上的风荷载标准值，应按下述公式计算： 　　图3为编号的开启扇在开启状态的受力简图。最终计算出单个撑挡的拉力设计值F=5352N，远超出行业标准规定的“开启方向不大于1000N力、关闭方向不大于600N力[3]”的使用范围。在风荷载正、负压交替作用下，固定撑挡的螺钉与型材连接失效被拔出，窗扇失去撑挡的保护，最终在相对薄弱的边框端部破坏(如图4)，窗扇掉落。 　　3.3恶劣天气时对开启扇使用和管理不当 　　经验表明，对于竖直的建筑幕墙，风荷载是主要的作用。因为建筑幕墙自重较轻，即使按最大地震作用（词条“地震作用”由行业大百科提供）系数考虑，也远小于风荷载作用。因此，对幕墙构件本身而言，抗风设计是主要的考虑因素。我单位查询开启扇掉落当天的天气情况，最高瞬时风力已经达到10级，且掉落的窗扇当时都是处于开启状态。根据伯努利方程可以推算出理想状态下(气压为1013hPa，温度为15℃，空气密度 r=0.01225kN/m3，重力加速度g=9.8m/s2)10级风的风压： 　　根据伯努利方程，风的动压为： 　　计算10级风力作用下单个撑挡受到的拉力最大值F=3545N，亦超出行业标准规定的“开启方向不大于1000N力、关闭方向不大于600N力”的使用范围。从而更加验证了窗扇的破坏原因。 　　《玻璃幕墙工程（词条“玻璃幕墙工程”由行业大百科提供）技术规范》JGJ 102-2003对幕墙开启扇的使用有明确规定：幕墙工程竣工验收时，承包商应向业主提供《幕墙使用维护说明书》。雨天或4级以上风力的天气情况下不宜使用开启部位，6级以上风力时，应全部关闭开启部位[1]。业主和物业单位应密切关注当地天气预报，遇恶劣天气提前告知小业主，关闭并锁紧开启扇。 　　4、整改方案 　　鉴于该建筑的幕墙开启扇存在重大安全隐患，并且已经严重影响业主的正常使用，建议对开启扇进行全部整改。我单位推荐了四种方案供业主选择，最终业主方选取其中一种并已开始实施： 　　4.1 方案简介： 　　4.11保持原有窗洞口尺寸不变，拆除现有开启扇及配套窗框，增加一道横梁将原有开启部分均分成上下两部分，上半部分改为固定扇，下半部分改成可开启部分，将可开启部分的面积控制在1.5m2以内(如图5); 　　4.12 玻璃需按改变分格后的实际尺寸重新定制; 　　4.13 新增横梁、窗边框、扇框等型材可以采用原模具生产; 　　4.14 新加工的窗扇组角部位需要加强;使用加强角码、注组角胶，机制螺钉固定等; 　　4.15 所有五金件和紧固件材质均选用优质不锈钢材料; 　　4.16 使用四点固定式撑挡(定制)，锁具采用六点锁系统。 　　4.2 方案描述： 　　减小了开启扇面积，降低了风荷载作用的影响，增加了安全系数。而且大部分铝型材仍可用原模具，节省了开模（词条“开模”由行业大百科提供）费用和时间。但此方案更改了原设计分格，外立面视觉效果与现状会有较大差异。 　　5、结语 　　随着近些年我国建筑领域超高层建筑的不断涌现，以及各类幕墙形式、材料的更新，常规的幕墙设计已经略显落后。尤其近几年，幕墙发生一系列安全事故，一度导致建筑幕墙成为“公共安全问题”的焦点，受到国务院和住建部的关注。2006年住建部组织全国10个城市幕墙安全性普查，存在安全隐患的比例超过9.34%。2012年住建部又发出幕墙安全性排查的通知，掀起全国范围内幕墙安全普查活动，政府或将出台更严厉、更具体的幕墙安全监管政策。2015年3月，应国务院领导要求，经广泛征求意见，住建部安监总局联合发出“关于进一步加强玻璃幕墙安全防护工作的通知”(建标[2015]38号)，对幕墙应用范围做出具体的规定，同时对幕墙的安全性提出更高要求。这就要求我们广大幕墙设计者与时俱进，不断革新自己的设计理念。 　　本文中的幕墙开启扇设计可作为失败的典型案例，希望设计者们引以为戒，避免出现此类问题，否则后果不堪设想。此外，文中提到的整改方案可作为此类幕墙的设计素材，能有效提高开启扇的安全性、可靠性（词条“可靠性”由行业大百科提供）。 　　参考文献： 　　[1]JGJ 102-2003,玻璃幕墙工程技术规范[S].北京:中国建筑工业出版社,北京.2003 　　[2] GB50009-2012,建筑结构荷载规范[S].中国建筑工业出版社,北京.2012 　　[3] JG/T 128-2007,建筑门窗五金件撑挡[S].中国标准出版社,北京.2007