臺風(fēng)侵襲下的門窗幕墻玻璃安全

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　　近年來，頻發(fā)的超強臺風(fēng)來勢洶洶，海燕、燦鴻、妮妲、海馬等超強臺風(fēng)的破壞力無不讓人心有余悸，而臺風(fēng)“莫蘭蒂”更是重創(chuàng)廈門，臺風(fēng)登陸鼎盛時強度（詞條“強度”由行業(yè)大百科提供）達(dá)到17級(表1)，是廈門市自新中國成立以來所遭受的最強的一次臺風(fēng)侵襲，狂風(fēng)暴雨過后整個城市滿目瘡痍，令人觸目驚心，災(zāi)難直接導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)102億元，房屋倒塌或損壞達(dá)17907間，尤其是靠近海邊的諸多高層海景房，其玻璃幕墻、門窗損毀嚴(yán)重。建筑幕墻、門窗（詞條“窗”由行業(yè)大百科提供）的安全問題，再次成為全社會關(guān)注的焦點。

表1 臺風(fēng)莫蘭蒂氣象數(shù)據(jù)

　　作為建筑物外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的門窗幕墻，是抵御外界災(zāi)害入侵的第一道屏障，如果其安全性無法保證，那么保障居民基本的生命安全就無從談起。

　　此次廈門莫蘭蒂臺風(fēng)對廈門各建筑物的玻璃幕墻、門窗造成了不同程度的損壞，很多建筑幕墻受損，少數(shù)受損比較嚴(yán)重。總體講，玻璃的破損情況還是相當(dāng)突出，特別是一些沿海建筑，海景房陽臺的玻璃、玻璃門、玻璃窗損毀嚴(yán)重(圖1~圖4)

圖1 門窗幕墻受損情況

圖2 門窗幕墻受損情況

圖3 門窗幕墻受損情況

圖4 門窗幕墻受損情況

　　據(jù)有關(guān)方面對建筑幕墻在臺風(fēng)“莫蘭蒂”的損毀情況統(tǒng)計，大多數(shù)的幕墻受損是由于玻璃受損，占73%(圖5)。門窗幕墻玻璃已成為建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)抵抗臺風(fēng)襲擊的最薄弱環(huán)節(jié)。

圖5 數(shù)據(jù)來自中國幕墻網(wǎng)

　　導(dǎo)致門窗幕墻玻璃大面積損毀的原因，分析主要有以下幾點：

　　1、莫蘭蒂臺風(fēng)超強，設(shè)計上未考慮超強臺風(fēng)的客觀因素。國家標(biāo)準(zhǔn)對玻璃幕墻設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)承受風(fēng)壓的上限值為12級，而此次強臺風(fēng)風(fēng)力最大風(fēng)力達(dá)15級，局部地區(qū)甚至達(dá)到17級以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過設(shè)計值的上限。

　　2、部分玻璃抗風(fēng)壓設(shè)計等級可能偏低，甚至沒有抗風(fēng)性能設(shè)計，造成使用的玻璃面板強度低、厚度薄。

　　3、部分建筑由于建筑物之間風(fēng)切變的影響，加劇了臺風(fēng)的強度，形成了瞬間風(fēng)力劇增的情況;

　　4、許多業(yè)主喜歡將部分玻璃幕墻開啟扇當(dāng)通風(fēng)窗使用，甚至還私自更改原設(shè)計，安裝不符合安全標(biāo)準(zhǔn)的玻璃，開啟活動越多密封性能就越差，一旦受風(fēng)荷載作用未關(guān)閉的開啟窗等部位受震動，極易造成玻璃破裂、開啟扇變形，甚至整體脫落。

　　5、除了以上因素，我們認(rèn)為多數(shù)玻璃破裂的最關(guān)鍵原因還是由臺風(fēng)攜帶的碎物撞擊所致，而非臺風(fēng)本身風(fēng)壓所致。臺風(fēng)對建筑物襲擊的最顯著特征是在不斷變化的高風(fēng)壓下伴隨著高速夾雜物的沖擊，風(fēng)攜碎物沖擊的破壞力是驚人的(圖6、圖7)。超強風(fēng)壓夾雜著高速碎物、雨水的疊加作用使門窗幕墻玻璃或面積較大的陽臺玻璃超過受力極限導(dǎo)致受損。

圖6 風(fēng)攜碎物沖擊的破壞力驚人

圖7 風(fēng)攜碎物沖擊的破壞力驚人

　　據(jù)有關(guān)資料證明，臺風(fēng)發(fā)生時，臺風(fēng)對建筑物造成的破壞，大部分是通過臺風(fēng)產(chǎn)生的循環(huán)風(fēng)壓及颶風(fēng)夾帶的固體雜物沖擊，先破壞建筑物中最薄弱的玻璃部分，玻璃碎片的飛濺造成對人們生命及財產(chǎn)的破壞，然后強風(fēng)進(jìn)入屋內(nèi)，對建筑物形成增壓破壞力，最壞的情況下可以掀翻屋頂甚至破壞整個建筑物結(jié)構(gòu)(圖8)。因此，建筑玻璃防颶風(fēng)性能的好壞直接關(guān)系到人們的生命財產(chǎn)受威脅及整個建筑物受破壞的可能性。玻璃是門窗幕墻建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)最敏感的部件之一，需要重點加以保護(hù)以免臺風(fēng)成為災(zāi)難。

圖8 臺風(fēng)通過破壞窗玻璃進(jìn)而破壞建筑結(jié)構(gòu)

　　目前我國門窗、幕墻抗風(fēng)壓設(shè)計，主要的考慮因素是在風(fēng)荷載作用下玻璃的最大應(yīng)力設(shè)計值不能超過短期荷載作用下的玻璃強度標(biāo)準(zhǔn)值（詞條“強度標(biāo)準(zhǔn)值”由行業(yè)大百科提供）、撓度要求及承載力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)的要求等;門窗幕墻的性能檢測主要側(cè)重氣密性、水密性和抗風(fēng)壓性能;而在反復(fù)氣壓循環(huán)條件下的抗風(fēng)攜碎物沖擊這個抵抗臺風(fēng)的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)設(shè)計和測試上存在缺失。

　　2004年初，四部委聯(lián)合下發(fā)《建筑安全玻璃管理規(guī)定》規(guī)定十一個部位必須使用安全玻璃，其中包括了7層及7層以上建筑物外開窗、面積大于1.5平方米的窗玻璃等。安全玻璃在建筑門窗上得以普及應(yīng)用，然而安全玻璃的安全性能如抗落球沖擊、霰彈袋沖擊性能等并不能替代抗風(fēng)攜碎物沖擊性能，后者更苛刻。普通鋼化玻璃、夾層玻璃門窗雖然具有一定的安全性能，但其安全級別仍偏低，還不足以抵御強臺風(fēng)所產(chǎn)生的破壞力。

　　作為頻繁受到颶風(fēng)襲擊的美國，在門窗、幕墻防颶風(fēng)方面的經(jīng)驗值得我們借鑒。

　　安德魯颶風(fēng)是值得美國人銘記的颶風(fēng)，它促成了美國建筑物防颶風(fēng)方面的立法。1992年，安德魯颶風(fēng)從8月16日開始一直持續(xù)到8月28日，席卷了佛羅里達(dá)、巴哈馬群島和路易斯安那，重創(chuàng)美國，它造成了27人死亡，近8萬人背井離鄉(xiāng)。防颶風(fēng)的建筑規(guī)范的制訂就始于1992年，以保護(hù)美國公民和建筑物。國際建筑規(guī)范(IBC)、國際住宅規(guī)范(IRC)和佛羅里達(dá)建筑規(guī)范(FBC)等規(guī)范的實施目的就是用以保護(hù)建筑物外圍護(hù)結(jié)構(gòu)免受颶風(fēng)侵襲。佛羅里達(dá)的建筑規(guī)范要求在布勞沃德、邁阿密-戴德等高速颶風(fēng)區(qū)的抗撞擊系統(tǒng)必須滿足邁阿密-戴德技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：

　　Ø TAS 201——“Impact Test Procedures”,

　　Ø TAS 202——“Criteria for Testing Impact & Non Impact Resistant Building Envelope Components Using Uniform Static Air Pressure”

　　Ø TAS 203­—— “Criteria for Testing Products Subject to Cyclic Wind

　　Pressure Loading”。

　　以上這些防颶風(fēng)測試標(biāo)準(zhǔn)在佛羅里達(dá)被廣泛認(rèn)可。當(dāng)然還要根據(jù)ASTM E1300確定玻璃厚度，根據(jù)ASCE7-98進(jìn)行抗風(fēng)壓設(shè)計。

　　美國ASTM E1996《受颶風(fēng)中的風(fēng)攜碎物沖擊的外窗、幕墻、門和百葉窗（詞條“百葉窗”由行業(yè)大百科提供）的性能技術(shù)規(guī)范》按照不同的發(fā)射物和發(fā)射速度將門窗幕墻的抗颶風(fēng)級別分為A、B、C、D、E五個級別(圖9)。測試樣品在通過發(fā)射物沖擊測試后還必須通過次正、負(fù)壓各4500次、共計9000次的循環(huán)風(fēng)壓試驗(圖10)。試驗后門窗玻璃應(yīng)保持完整，不能被發(fā)射物穿透，也不能產(chǎn)生可使76mm直徑球體通過的開口及長度超過130mm的裂口。

圖9 ASTM E1996發(fā)射物沖擊試驗對發(fā)射物的要求

圖10 ASTM E1996對壓差循環(huán)試驗的要求

　　在進(jìn)行防颶風(fēng)設(shè)計時，可根據(jù)美國大西洋海岸的不同風(fēng)區(qū)、不同建筑高度和建筑物保護(hù)類別，確定門窗、幕墻防風(fēng)攜碎物沖擊級別((圖11~圖12)。

圖11 美國東海岸風(fēng)速分區(qū)

圖12 門窗幕墻抗風(fēng)攜碎物沖擊的級別確定

　　我國海岸線漫長，是太平洋沿岸遭受臺風(fēng)侵襲最頻繁的國家之一，每年臺風(fēng)給我國海南、廣東、福建、浙江等沿海各省帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。根據(jù)1949年以來的臺風(fēng)資料分析，我國的熱帶氣旋在登陸時的強度有逐年增加的趨勢，并且在登陸臺風(fēng)中強臺風(fēng)所占比重也呈逐年增加的趨勢。解決建筑物門窗幕墻的臺風(fēng)防護(hù)問題已刻不容緩。

　　建筑物在門窗幕墻設(shè)計上，主要考慮的是功能、審美和可建造性。然而為確保這些建筑在設(shè)計壽命內(nèi)的功能和審美性，還需對地區(qū)性自然災(zāi)害因素予以考慮，如臺風(fēng)襲擊等，防御這些自然災(zāi)害而對建筑物提出的要求，與日常功能要求同等重要。

　　我們認(rèn)為，沿海臺風(fēng)高發(fā)地區(qū)的建筑，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐幕�本風(fēng)速，進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆琅_風(fēng)設(shè)計。 而對于敏感建筑、要害建筑、應(yīng)急設(shè)施等，應(yīng)提高防臺風(fēng)設(shè)計的級別，如醫(yī)院、應(yīng)急健康醫(yī)療中心;監(jiān)獄和拘留所;消防、急救、警局和急救車庫;指定的應(yīng)急避難所;電站;商業(yè)中心和其他要求應(yīng)急反應(yīng)的公共設(shè)施;具有國防功能的建筑物和其他設(shè)施等等。門窗幕墻產(chǎn)品只有通過了相應(yīng)級別的防臺風(fēng)測試，才能應(yīng)用于實際工程。

　　令人欣慰的是，我國已陸續(xù)發(fā)布實施了防臺風(fēng)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)：

　　Ø 2013年9月1日，JC/T2165《防臺風(fēng)玻璃》實施;

　　Ø 2014年6月1日，GB/T29738《玻璃幕墻和門窗抗風(fēng)攜碎物沖擊性能分級及檢測方法》實施。

　　Ø 2015年12月1日，GB/T31433《建筑幕墻、門窗通用技術(shù)條件》實施，該標(biāo)準(zhǔn)將抗風(fēng)攜碎物沖擊性能作為可選性能列入安全性指標(biāo)。

　　這些國家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的制訂是以美國標(biāo)準(zhǔn)為重要參照，它的頒布

　　反映了我國建筑幕墻、門窗行業(yè)對防臺風(fēng)的日益重視和我國防臺風(fēng)技術(shù)法規(guī)的進(jìn)步。

　　與此同時，我國一些企業(yè)在防臺風(fēng)門窗、玻璃產(chǎn)品的研發(fā)上也加快了步伐，并達(dá)到了世界先進(jìn)水平。如廣東金剛玻璃科技股份有限公司的防颶風(fēng)玻璃及門窗產(chǎn)品，按照美國標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)美國佛羅里達(dá)州邁阿密防颶風(fēng)試驗室Hurricane Test Laboratory檢測(圖13~16)，防颶風(fēng)性能可以達(dá)到美國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最高級別E級，可承受63米/秒以上的颶風(fēng)沖擊和±200psf風(fēng)荷載作用下9000次的壓差循環(huán)測試(測試數(shù)據(jù)見表2)。這也是我國首家通過美國邁阿密防颶風(fēng)試驗室測試的企業(yè)。

圖13 發(fā)射物沖擊測試

圖14 氣壓循環(huán)測試

表2 金剛防颶風(fēng)玻璃測試數(shù)據(jù)

　　注：測試數(shù)據(jù)來源于美國邁阿密防颶風(fēng)實驗室測試報告。

　　技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品研發(fā)的進(jìn)步，并不意味著產(chǎn)品的普及應(yīng)用。基于上述標(biāo)準(zhǔn)是非強制性的，不具約束力，因此在發(fā)布實施后執(zhí)行力度上相對有限，我國沿海地區(qū)建筑幕墻、門窗工程也鮮有做過防臺風(fēng)性能的專門設(shè)計、測試和普及應(yīng)用。建議我國沿海臺風(fēng)多發(fā)地區(qū)如海南、廣東、福建、浙江各省在建筑規(guī)范方面做防臺風(fēng)的強制性立法，在門窗幕墻規(guī)范中加入防風(fēng)攜碎物沖擊等特性指標(biāo)要求，從而更有力地推動和提高我國沿海地區(qū)建筑物防臺風(fēng)水平。

　　參考文獻(xiàn)

　　⑴ Stefan Hiss， Practical guide to participate in the US hurricane glazing market〔C〕，GPD 2007 Conference Proceedings，576~578

　　⑵ ASTM E1996--04《Standard Specification for Performance of Exterior Windows, Curtain Walls, Doors and Impact Protective Systems Impacted by Windborne Debris in Hurricanes 1》〔S〕

　　⑶ 楊清，莫蘭蒂臺風(fēng)對廈門幕墻工程的影響分析，〔R〕工程治理論壇

本文摘自：《建筑幕墻創(chuàng)新與發(fā)展》未經(jīng)許可不得轉(zhuǎn)載