1、引言
玻璃幕墻因其通透明亮、立面美觀的視覺效果越來越受廣大建筑師的青睞，尤其在我國的公共建筑中應(yīng)用十分廣泛。公共建筑因其通風(fēng)量和消防安全的特殊需求，玻璃幕墻上需要設(shè)置一定數(shù)量的開啟扇。不論是構(gòu)件式幕墻還是單元式幕墻，開啟扇形式多為上懸式開啟。上懸式開啟主要有三種實現(xiàn)方式：第一種是摩擦鉸鏈式，即通過四連桿或五連桿的鉸鏈作為開啟扇承重構(gòu)件，配以限位撐擋（詞條“撐擋”由行業(yè)大百科提供）實現(xiàn)上懸式開啟;第二種被稱為掛鉤式，采用掛鉤鋁型材作為開啟扇承重構(gòu)件，再配合限位塊和撐擋共同實現(xiàn)上懸式開啟;第三種被稱為銷軸式，利用不少于兩個銷軸和限位撐擋實現(xiàn)上懸式開啟。雖然銷軸式較其它兩種開啟扇較高的安全性，但銷軸式因其二次更換較困難，現(xiàn)有工程采用此種方式的較少。
但無論以上哪種方式的開啟，都出現(xiàn)過開啟扇脫落這一嚴(yán)重的安全性問題。據(jù)統(tǒng)計，出現(xiàn)此問題的建筑大都是高層或超高層建筑，且多位于風(fēng)壓較大的城市。針對此類問題，2016年中國建筑裝飾協(xié)會幕墻工程委員會制定的《關(guān)于淘汰建筑幕墻落后產(chǎn)品和技術(shù)的指導(dǎo)意見》中限制了開啟扇面積：“開啟扇尺寸不宜超過1.5m2，嚴(yán)禁超過2.0m2”;行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JGJ 102-2003《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》也限制了開啟要求：“開啟扇的開啟角度不宜大于30°，開啟距離不宜大于300mm[1]”;上海等地方標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范還制定了更為嚴(yán)格的條文內(nèi)容和推薦性加固措施，以防此類事件發(fā)生。但在實際工程中，幕墻設(shè)計師似乎并未引起注意，此類問題依然存在。本文結(jié)合實際工程案例，對開啟扇掉落的根本原因進行深入分析，并提出解決方案，供廣大幕墻設(shè)計師借鑒。
2、項目背景介紹
該建筑位于我國北方某沿海城市，由兩座高約190米的寫字樓和三層裙樓組成。所在區(qū)域為人流密集的商業(yè)街，距海邊直線距離約1.3公里。幕墻形式主要為豎明橫隱的中空玻璃幕墻，總計建筑面積約10.3萬平米，幕墻開啟扇為掛鉤式，共計約2930樘。
幕墻在使用過程中接連出現(xiàn)多次開啟扇掉落情況，開啟扇從90米高以上的位置墜落在周邊街道和住宅區(qū)內(nèi)，鋁合金扇框已斷裂（詞條“斷裂”由行業(yè)大百科提供），鋼化玻璃散落在周圍(見圖1和圖2)，原洞口暫用木板臨時封堵。雖未造成人員傷亡，但已經(jīng)屬于嚴(yán)重的安全事故，業(yè)主針對這一問題立即聯(lián)系我單位，并提供事故影像資料、竣工圖紙和損壞的窗扇實體，委托我單位調(diào)查原因并盡快排除安全隱患。我單位接到業(yè)主委托，立即成立工作組并第一時間抵達現(xiàn)場，查看發(fā)現(xiàn)幾樘開啟扇均為組角部位斷裂、撐擋失效，為典型的開啟扇脫落問題。我工作人員現(xiàn)場采集密封膠、結(jié)構(gòu)膠和鋁型材樣本送國檢中心檢測，并分析圖紙和相關(guān)資料，反復(fù)驗算結(jié)構(gòu)受力，最終查明原因并為業(yè)主提供了可行的解決方案。
3、幕墻開啟扇隱患原因分析
3.1 地面粗糙度分類有誤，風(fēng)荷載計算值偏小
《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB50009-2012規(guī)定：對于平坦或稍有起伏的地形，風(fēng)壓高度變化系數(shù)應(yīng)根據(jù)地面粗糙度類別按表8.2.1確定。地面粗糙度可分為A、B、C、D四類;A類指近海海面和海島、海岸、湖岸及沙漠地區(qū);B類指田野、鄉(xiāng)村、叢林、丘陵以及房屋比較稀疏的鄉(xiāng)鎮(zhèn);C類指有密集建筑群的城市市區(qū);D類指有密集建筑群切房屋較高的城市市區(qū)[2]。該工程距海邊直線距離約1.3公里，屬典型的A類地形。但查閱施工單位出具的結(jié)構(gòu)計算書，將本工程定義為B類地形，計算風(fēng)荷載的所有參數(shù)均以B類地形取值，導(dǎo)致計算的風(fēng)荷載值偏小。
3.2開啟部位面積過大，構(gòu)件局部受力過大
統(tǒng)計5樘掉落窗扇的尺寸和面積如表1：
以表1中編號<4>的開啟扇為例，對其負(fù)風(fēng)壓作用下的工況進行計算。
幕墻屬于薄壁外圍護構(gòu)件，垂直于建筑物表面上的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，應(yīng)按下述公式計算：
圖3為編號<4>的開啟扇在開啟狀態(tài)的受力簡圖。最終計算出單個撐擋的拉力設(shè)計值F=5352N，遠超出行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的“開啟方向不大于1000N力、關(guān)閉方向不大于600N力[3]”的使用范圍。在風(fēng)荷載正、負(fù)壓交替作用下，固定撐擋的螺釘與型材連接失效被拔出，窗扇失去撐擋的保護，最終在相對薄弱的邊框端部破壞(如圖4)，窗扇掉落。
3.3惡劣天氣時對開啟扇使用和管理不當(dāng)
經(jīng)驗表明，對于豎直的建筑幕墻，風(fēng)荷載是主要的作用。因為建筑幕墻自重較輕，即使按最大地震作用（詞條“地震作用”由行業(yè)大百科提供）系數(shù)考慮，也遠小于風(fēng)荷載作用。因此，對幕墻構(gòu)件本身而言，抗風(fēng)設(shè)計是主要的考慮因素。我單位查詢開啟扇掉落當(dāng)天的天氣情況，最高瞬時風(fēng)力已經(jīng)達到10級，且掉落的窗扇當(dāng)時都是處于開啟狀態(tài)。根據(jù)伯努利方程可以推算出理想狀態(tài)下(氣壓為1013hPa，溫度為15℃，空氣密度 r=0.01225kN/m3，重力加速度g=9.8m/s2)10級風(fēng)的風(fēng)壓：
根據(jù)伯努利方程，風(fēng)的動壓為：
計算10級風(fēng)力作用下單個撐擋受到的拉力最大值F=3545N，亦超出行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的“開啟方向不大于1000N力、關(guān)閉方向不大于600N力”的使用范圍。從而更加驗證了窗扇的破壞原因。
《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》JGJ 102-2003對幕墻開啟扇的使用有明確規(guī)定：幕墻工程竣工驗收時，承包商應(yīng)向業(yè)主提供《幕墻使用維護說明書》。雨天或4級以上風(fēng)力的天氣情況下不宜使用開啟部位，6級以上風(fēng)力時，應(yīng)全部關(guān)閉開啟部位[1]。業(yè)主和物業(yè)單位應(yīng)密切關(guān)注當(dāng)?shù)靥鞖忸A(yù)報，遇惡劣天氣提前告知小業(yè)主，關(guān)閉并鎖緊開啟扇。
4、整改方案
鑒于該建筑的幕墻開啟扇存在重大安全隱患，并且已經(jīng)嚴(yán)重影響業(yè)主的正常使用，建議對開啟扇進行全部整改。我單位推薦了四種方案供業(yè)主選擇，最終業(yè)主方選取其中一種并已開始實施：
4.1 方案簡介：
4.11保持原有窗洞口尺寸不變，拆除現(xiàn)有開啟扇及配套窗框，增加一道橫梁將原有開啟部分均分成上下兩部分，上半部分改為固定扇，下半部分改成可開啟部分，將可開啟部分的面積控制在1.5m2以內(nèi)(如圖5);
4.12 玻璃需按改變分格后的實際尺寸重新定制;
4.13 新增橫梁、窗邊框、扇框等型材可以采用原模具生產(chǎn);
4.14 新加工的窗扇組角部位需要加強;使用加強角碼、注組角膠，機制螺釘固定等;
4.15 所有五金件和緊固件（詞條“緊固件”由行業(yè)大百科提供）材質(zhì)均選用優(yōu)質(zhì)不銹鋼材料;
4.16 使用四點固定式撐擋(定制)，鎖具采用六點鎖系統(tǒng)。
4.2 方案描述：
減小了開啟扇面積，降低了風(fēng)荷載作用的影響，增加了安全系數(shù)。而且大部分鋁型材仍可用原模具，節(jié)省了開模費用和時間。但此方案更改了原設(shè)計分格，外立面視覺效果與現(xiàn)狀會有較大差異。
5、結(jié)語
隨著近些年我國建筑領(lǐng)域超高層建筑的不斷涌現(xiàn)，以及各類幕墻形式、材料的更新，常規(guī)的幕墻設(shè)計已經(jīng)略顯落后。尤其近幾年，幕墻發(fā)生一系列安全事故，一度導(dǎo)致建筑幕墻成為“公共安全問題”的焦點，受到國務(wù)院和住建部的關(guān)注。2006年住建部組織全國10個城市幕墻安全性普查，存在安全隱患的比例超過9.34%。2012年住建部又發(fā)出幕墻安全性排查的通知，掀起全國范圍內(nèi)幕墻安全普查活動，政府或?qū)⒊雠_更嚴(yán)厲、更具體的幕墻安全監(jiān)管政策。2015年3月，應(yīng)國務(wù)院領(lǐng)導(dǎo)要求，經(jīng)廣泛征求意見，住建部安監(jiān)總局聯(lián)合發(fā)出“關(guān)于進一步加強玻璃幕墻安全防護工作的通知”(建標(biāo)[2015]38號)，對幕墻應(yīng)用范圍做出具體的規(guī)定，同時對幕墻的安全性提出更高要求。這就要求我們廣大幕墻設(shè)計者與時俱進，不斷革新自己的設(shè)計理念。
本文中的幕墻開啟扇設(shè)計可作為失敗的典型案例，希望設(shè)計者們引以為戒，避免出現(xiàn)此類問題，否則后果不堪設(shè)想。此外，文中提到的整改方案可作為此類幕墻的設(shè)計素材，能有效提高開啟扇的安全性、可靠性。
參考文獻：
[1]JGJ 102-2003,玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,北京.2003
[2] GB50009-2012,建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].中國建筑工業(yè)出版社,北京.2012
[3] JG/T 128-2007,建筑門窗五金件撐擋[S].中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,北京.2007
