1、臺(tái)風(fēng)對(duì)建筑門窗幕墻的破壞
臺(tái)風(fēng)是我國沿海地區(qū)常年遭遇的自然災(zāi)害之一，每年給我國造成的經(jīng)濟(jì)損失和對(duì)生命的危害不可估量。隨著我國沿海地區(qū)超高層建筑的增多，近年來臺(tái)風(fēng)對(duì)沿海地區(qū)建筑門窗幕墻，包括金屬屋面（詞條“金屬屋面”由行業(yè)大百科提供）的影響和破壞非常顯著，如2016年廈門百年不遇的“莫蘭蒂”、2017年打破珠海瞬時(shí)大風(fēng)風(fēng)速紀(jì)錄51.9米/秒(16級(jí))的“飛鴿”和2018年在深圳登陸并襲擊廣東的“山竹”等均超過14級(jí)的強(qiáng)臺(tái)風(fēng)，都給當(dāng)?shù)氐慕ㄖT窗（詞條“窗”由行業(yè)大百科提供）幕墻造成了嚴(yán)重的損壞和破壞，其中尤以大面積玻璃破損、開啟扇整體脫落、門窗整體垮塌和幕墻構(gòu)件脫落較為常見。
圖1
1.1 玻璃破損
大面積玻璃破損，是強(qiáng)臺(tái)風(fēng)給建筑門窗幕墻造成最為常見的破壞，有些甚至非常嚴(yán)重。圖1為香港海濱廣場(chǎng)在臺(tái)風(fēng)“山竹”作用下，玻璃幕墻玻璃大面積嚴(yán)重破損的情況。圖2、圖3為2016年廈門部分門窗幕墻的玻璃破壞狀況。
圖2
圖3
1.2 開啟扇整體脫落
幕墻和門窗的開啟部位是幕墻和門窗抗風(fēng)承載能力（詞條“承載能力”由行業(yè)大百科提供）較弱的部位，開啟扇在臺(tái)風(fēng)期間由于鎖閉不嚴(yán)或抗風(fēng)承載力不足導(dǎo)致開啟扇整體脫落下墜。圖4為墜落到地面的窗扇框架，圖5為窗扇脫落后的窗框和殘留的風(fēng)撐，圖6為被風(fēng)掀起即將墜落的窗扇。
圖4
圖5
1.3 門窗整體垮塌
門窗的整體垮塌雖然不為多見，但對(duì)于存在設(shè)計(jì)和安裝缺陷的門窗，在強(qiáng)臺(tái)風(fēng)作用下，出現(xiàn)整體垮塌是不可避免和必然的。從圖7中可以明顯看出門窗設(shè)計(jì)存在的嚴(yán)重缺陷，整樘窗的立柱和橫梁（詞條“橫梁”由行業(yè)大百科提供）在風(fēng)荷載受載最大的部位出現(xiàn)了十字連接。圖8和圖9在窗框與結(jié)構(gòu)洞口的連接安裝上出現(xiàn)了連接不可靠的問題。
圖6
圖7
圖8
圖9
1.4 其它的破壞
強(qiáng)臺(tái)風(fēng)除了對(duì)幕墻門窗的采光部位造成破壞外，對(duì)非透明部位幕墻、吊頂、雨棚和屋面等同樣造成多種嚴(yán)重的破壞。圖10為金屬板幕墻的面板脫落，圖11為金屬屋面被掀開。
圖10
圖11
2、應(yīng)對(duì)臺(tái)風(fēng)破壞的反思
在經(jīng)歷了近幾年臺(tái)風(fēng)的破壞后，人們對(duì)門窗幕墻的安全意識(shí)有了進(jìn)一步的提高。對(duì)于臺(tái)風(fēng)給我們?cè)斐傻挠绊懞推茐模ㄖT窗幕墻在工程設(shè)計(jì)和施工方面存在的問題需要我們?nèi)フJ(rèn)真面對(duì)和思考，并采取有效的方法去處理。
2.1 風(fēng)荷載設(shè)計(jì)的選取
近幾年造成門窗幕墻嚴(yán)重破壞的強(qiáng)臺(tái)風(fēng)基本都在14級(jí)以上，使得有部分人認(rèn)為為確保建筑門窗幕墻在強(qiáng)臺(tái)風(fēng)作用下的安全，在進(jìn)行門窗幕墻的抗風(fēng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)提高建筑門窗幕墻的抗風(fēng)承載能力水平，對(duì)現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范的風(fēng)荷載取值是否可行存在疑惑。有的建設(shè)單位在門窗幕墻項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案中，提出門窗幕墻的抗風(fēng)設(shè)計(jì)要保證在任何臺(tái)風(fēng)作用下均不能出現(xiàn)破壞的現(xiàn)象，有的為了照顧的安全和建設(shè)成本的最優(yōu)化，甚至在同一項(xiàng)目的不同方位的墻面采用兩種風(fēng)荷載取值的方法。
我們應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，針對(duì)強(qiáng)臺(tái)風(fēng)造成的破壞，除了有材料方面自身缺陷的因素外，如玻璃存在的離散性和風(fēng)攜碎物撞擊等引起的破壞外，確實(shí)存在門窗幕墻自身抗風(fēng)承載能力不足的可能性，如大面積玻璃非正常破損等現(xiàn)象。但這些承載能力不足的現(xiàn)象，并不完全是現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范的風(fēng)荷載取值存在問題而造成的，而應(yīng)是在某種條件下產(chǎn)生的。按照現(xiàn)行《建筑設(shè)計(jì)荷載規(guī)范》GB50009-2012和《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》JGJ102-2003的要求，建筑門窗幕墻作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值最低取值不應(yīng)低于1KN/m2，此值實(shí)際上已高于氣象臺(tái)預(yù)報(bào)12級(jí)臺(tái)風(fēng)(2min平均風(fēng)速32.7m/s，GB/T19201-2006《熱帶氣旋等級(jí)》)約0.67KN/m2的風(fēng)荷載值(忽略氣象臺(tái)預(yù)報(bào)與規(guī)范間的風(fēng)速倍差，以下同)。對(duì)于沿海地區(qū)的建筑，如深圳的超高層建筑，按照現(xiàn)行規(guī)范50年一遇的基本風(fēng)壓計(jì)算，其風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值(Wk)約為3.2KN/m2，用于強(qiáng)度和安全驗(yàn)算的風(fēng)荷載設(shè)計(jì)值(1.4Wk)約為4.5KN/m2，將其換算成風(fēng)速約為71.7m/s,相比較深圳平安大廈頂層(約600m)在強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“山竹”登陸期間錄到的最大風(fēng)速55m/s而言應(yīng)該是安全的。由深圳氣象局提供的氣象資料表明，“2018年9月15-17日，受臺(tái)風(fēng)“山竹”影響,深圳市陸地出現(xiàn)11-13級(jí)陣風(fēng)，沿海和高地出現(xiàn)14-16級(jí)陣風(fēng)，……。”。圖12為香港天文臺(tái)錄得的數(shù)據(jù)，2018年強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“山竹”期間香港的最大風(fēng)速為170km/h(47.22m/s),略高于14級(jí)強(qiáng)臺(tái)風(fēng)，而市區(qū)則為12級(jí)陣風(fēng)，圖13中后側(cè)數(shù)據(jù)為陣風(fēng)128km/h。
圖12
圖13
圖14
從上面的分析中，我們可以看到按照現(xiàn)行荷載規(guī)范的計(jì)算，在正常的條件下建筑門窗幕墻的安全應(yīng)該不會(huì)有問題的，這從深圳和香港的建筑門窗幕墻在臺(tái)風(fēng)“山竹”期間的大部分表現(xiàn)可以得到證實(shí)。但為什么正常的按照規(guī)范設(shè)計(jì)的建筑門窗幕墻在強(qiáng)臺(tái)風(fēng)作用下還會(huì)出現(xiàn)不正常的破壞?如圖1所示的香港海濱廣場(chǎng)玻璃幕墻玻璃的大面積破壞。在此我們用香港海濱廣場(chǎng)玻璃幕墻的破壞作為例子來分分析和探求這種不正常破壞的原因。香港海濱廣場(chǎng)位于香港紅磡黃埔花園南側(cè)，臨海而立。海濱廣場(chǎng)為一建筑群，包括包括海濱廣場(chǎng)一座、2座、海逸酒店和后期新建的超高層住宅，圖14為其平面圖。從平面圖中可以看到，整個(gè)建筑的正面朝西偏北方向，與臺(tái)風(fēng)風(fēng)向大致相迎，同時(shí)建筑群正對(duì)著的兩條街道(德安街和德豐街)與建筑群的分割間隙和朝向基本一致，這無形中形成了一個(gè)極佳的狹窄風(fēng)道和邊角效應(yīng)，造成局部區(qū)域風(fēng)速的急劇增加，從而對(duì)兩側(cè)和角部玻璃幕墻陡添了巨大的作用力，引致玻璃幕墻玻璃的大面積破壞。圖15中紅色線條為玻璃破壞的位置，圖16所示為海濱廣場(chǎng)一、二座之間的間隙僅為兩輛大巴車通道的寬度。從圖1中還可以看到，玻璃破壞集中在20層以下，20層以上的部位基本無損，特別是北側(cè)200m多高的海名軒，處群樓外基本無一玻璃破損，這主要得益于20層以上部位不存在狹窄風(fēng)道現(xiàn)象。圖17為廣場(chǎng)的西南側(cè)，玻璃幕墻完好無損。這種大面積的非正常玻璃破壞除了在海濱廣場(chǎng)出現(xiàn)外，在香港港島灣仔的中環(huán)廣場(chǎng)也有同樣的問題，圖18為緊鄰中環(huán)廣場(chǎng)的玻璃破壞情況。
圖15
圖16
圖17
從香港海濱廣場(chǎng)這一典型例子可以看到，造成玻璃幕墻玻璃大量非正常破壞的關(guān)鍵因素之一應(yīng)與存在于集密建筑群間或建筑自身結(jié)構(gòu)間的狹窄間隙所引致的“穿堂風(fēng)”效應(yīng)相關(guān)，也包括建筑表面造型異常突變引致的風(fēng)荷載變化。對(duì)于建筑群間形成的狹窄效應(yīng)和建筑群體間風(fēng)力相互干擾的效應(yīng)，在GB50009-2012第8.3.2條已有相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)定，但在現(xiàn)有建筑設(shè)計(jì)和幕墻設(shè)計(jì)中，卻較少獲得認(rèn)真的關(guān)注和執(zhí)行。隨著土地資源日益稀缺，建筑間密度的增大，這種狹窄效應(yīng)和群體間風(fēng)力相互干擾產(chǎn)生的破壞值得認(rèn)真的反思。這包括城市建設(shè)規(guī)劃化管理部門、建設(shè)單位和建筑設(shè)計(jì)單位應(yīng)在審批和發(fā)展新建項(xiàng)目的過程中，對(duì)新建項(xiàng)目的發(fā)展對(duì)已有建筑可能產(chǎn)生的影響，以及后于自身項(xiàng)目的未來新建項(xiàng)目對(duì)自身項(xiàng)目的影響給予切實(shí)評(píng)估。其次是標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范制定單位對(duì)規(guī)范的要求如何進(jìn)一步細(xì)化，例如當(dāng)采用風(fēng)洞試驗(yàn)來確定風(fēng)荷載，而試驗(yàn)數(shù)據(jù)與規(guī)范計(jì)算數(shù)據(jù)相差較大時(shí)，如何處理兩者間的關(guān)系。再則建筑門窗幕墻設(shè)計(jì)和施工單位應(yīng)嚴(yán)格按規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)，當(dāng)項(xiàng)目中存在狹窄效應(yīng)等類似情況，應(yīng)給予高度重視，在提高設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，對(duì)涉及的部位盡可能通過實(shí)樣試驗(yàn)對(duì)設(shè)計(jì)加以驗(yàn)證。
圖18
圖19
圖20
2.2 門窗幕墻開啟扇設(shè)計(jì)
門窗幕墻開啟扇在臺(tái)風(fēng)作用下產(chǎn)生整體脫落是極其危險(xiǎn)的現(xiàn)象，并且成為近年來的多發(fā)事件。這種現(xiàn)象不僅在臺(tái)風(fēng)期間出現(xiàn)，在平時(shí)由于天氣瞬間變化時(shí)也經(jīng)常出現(xiàn)。這種現(xiàn)象的出現(xiàn)，除了開啟扇在臺(tái)風(fēng)或天氣變化時(shí)沒有鎖閉到位外，與開啟扇自身的設(shè)計(jì)缺陷有關(guān)。在目前開啟扇的設(shè)計(jì)中，開啟扇與窗框之間的支承連接形式較多，常見的包括外開上旋滑撐或懸掛連接、外開滑撐平推連接、內(nèi)外平開滑撐或鉸鏈連接等，其中外開上旋滑撐和懸掛連接開啟扇在幕墻的應(yīng)用較多，而出現(xiàn)脫落問題最多的為上旋懸掛形式的開啟扇。上旋懸掛形式開啟扇的破壞形式除了最常見的掛鉤脫落和風(fēng)撐拉脫外，開啟扇上部組角部位因連接不可靠，承載能力不夠(包括重量)產(chǎn)生窗扇下部整體拉脫并墜落已成為常見的現(xiàn)象，圖20為窗扇下部整體拉脫的狀況，左圖為墜落地上的窗扇，右圖為留在窗框上的窗扇上邊框和角碼。對(duì)于上旋懸掛形式的開啟扇，除了應(yīng)設(shè)置有效的防止掛鉤脫落的裝置外，尚應(yīng)強(qiáng)化組角件連接可靠性，完善組角件與窗扇框架間的連接強(qiáng)度。同時(shí)應(yīng)強(qiáng)化窗扇與窗框間風(fēng)撐的連接可靠性，防止風(fēng)撐被拉脫而失效的現(xiàn)象。圖21為出現(xiàn)窗扇墜落的窗扇與窗框風(fēng)撐的連接及風(fēng)撐拉脫后的狀況，圖22為設(shè)計(jì)修改后的連接狀況，風(fēng)撐與窗扇的連接采用螺栓穿透連接，風(fēng)撐與窗框的連接螺釘直接固定到幕墻立柱上。
圖21
除了臺(tái)風(fēng)的影響，從對(duì)近30年來具有建筑門窗幕墻的檢查發(fā)現(xiàn)，開啟部位始終是出問題最多的地方，包括嚴(yán)重滲漏，啟閉不暢，以及開啟扇墜落的嚴(yán)重安全事故。對(duì)于開啟扇的設(shè)計(jì)如何去應(yīng)對(duì)這些問題，值得認(rèn)真思考和采取對(duì)應(yīng)的措施。隨著建筑美學(xué)的發(fā)展，建筑立面的大分隔板塊越來越多，造成了開啟扇板塊尺寸越來越大，板塊尺寸的增大，造成了重量的增加，現(xiàn)在的開啟扇重量在面積相同的條件下，可以是以前的3倍有多(3層玻璃)，同時(shí)也造成風(fēng)承載面增大。所有這些因素給開啟扇的連接設(shè)計(jì)、連接構(gòu)件的承載能力和質(zhì)量提出了嚴(yán)酷的要求，有的甚至不可實(shí)現(xiàn)。對(duì)于開啟扇的面積，JGJ102-2003提出不宜大于1.5m2，但并沒有實(shí)際的封頂尺寸要求，造成現(xiàn)在的建筑設(shè)計(jì)存在盲目追求大開窗而不違規(guī)的現(xiàn)象，給建筑埋下了安全的隱患。根據(jù)具有建筑門窗幕墻的實(shí)際情況，應(yīng)考慮將開啟扇面積限定在1.8m2以內(nèi)，對(duì)于外平開窗則應(yīng)該更小，不應(yīng)超過1.0m2，且應(yīng)控制其高寬比。在目前的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中，尚未有對(duì)門窗幕墻開啟部位的完整設(shè)計(jì)和計(jì)算要求，應(yīng)盡快的加以完善。為了防止臺(tái)風(fēng)期間開啟部位鎖閉疏忽或瞬間天氣突變?cè)斐晌存i閉或處于開啟狀態(tài)的開啟 扇被風(fēng)掀落，可考慮提高窗扇抗風(fēng)掀的能力，并研發(fā)開啟扇的抗風(fēng)掀試驗(yàn)方法。同時(shí)可開發(fā)一些安全自鎖的裝置，確保開啟扇在強(qiáng)臺(tái)風(fēng)期間或突發(fā)狀態(tài)下的安全。
圖22
圖23
圖24
2.3安全要點(diǎn)的設(shè)計(jì)和施工監(jiān)管
建筑門窗幕墻最為重要的安全要點(diǎn)應(yīng)為門窗幕墻與建筑結(jié)構(gòu)的連接點(diǎn)，如果此節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)松動(dòng)、脫鉤和任何影響承載能力的缺陷，將導(dǎo)致門窗幕墻可能出現(xiàn)從建筑結(jié)構(gòu)上整體坍塌和脫落的嚴(yán)重安全事故，特別是在強(qiáng)臺(tái)風(fēng)影響期間，這種問題更為顯著。圖8、圖9為臺(tái)風(fēng)期間窗戶整體從建筑洞口脫落和墜地，圖23為單元式幕墻板塊整體從掛鉤脫落后下墜。作為門窗幕墻安全要點(diǎn)的連接點(diǎn)出現(xiàn)問題，既有設(shè)計(jì)問題，也有施工過程存在的質(zhì)量問題，此處僅討論與設(shè)計(jì)有關(guān)的試驗(yàn)驗(yàn)證和施工監(jiān)管的問題。
門窗幕墻的實(shí)樣模型試驗(yàn)驗(yàn)證，最主要的目的是對(duì)設(shè)計(jì)效果的驗(yàn)證。但在目前的試驗(yàn)驗(yàn)證中，門窗的試驗(yàn)基本沒有能真實(shí)的反映出門窗與洞口的實(shí)際安裝連接狀況，幕墻的試驗(yàn)驗(yàn)證同樣存在不完整性。所以門窗幕墻的實(shí)樣模型試驗(yàn)在與建筑結(jié)構(gòu)連接點(diǎn)的驗(yàn)證方面是不完全真實(shí)的，應(yīng)該引起高度的重視。為彌補(bǔ)這一缺陷，我們應(yīng)該強(qiáng)化門窗幕墻與建筑結(jié)構(gòu)連接點(diǎn)在施工過程中的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和施工質(zhì)量監(jiān)管，在門窗幕墻的安全上筑起第一道安全的保障。特別是這些連接部位，在工程施工完畢后均處于隱蔽狀態(tài)，在門窗幕墻正常使用的日常檢查和維護(hù)維修過程中非常難于觀察到，一旦問題出現(xiàn)時(shí)，已有可能造成不可估量的重大損失和安全事故。目前，工程施工過程中包括門窗幕墻與結(jié)構(gòu)安裝連接在內(nèi)的隱蔽工程驗(yàn)收大多基本流于形式，并沒有實(shí)施嚴(yán)格的監(jiān)管，這可以從許多門窗幕墻工程的隱蔽工程驗(yàn)收記錄表中反映出來。大部分的隱蔽工程記錄記載的僅有“驗(yàn)收合格”等字眼，既沒有發(fā)現(xiàn)任何問題，也沒有處理問題的意見和結(jié)果，這是完全不可能的現(xiàn)象。最近，香港某一地鐵站施工中出現(xiàn)了鋼筋長(zhǎng)度可能短缺的問題，整個(gè)建筑業(yè)界、法律界和政府都被牽涉進(jìn)去。為了確保工程安全，他們制定了方案，不惜重金挖開已施工好的建筑結(jié)構(gòu)，重新進(jìn)行檢驗(yàn)。這種為了建筑安全的嚴(yán)謹(jǐn)精神值得我們學(xué)習(xí)和仿效，嚴(yán)格的、到位的對(duì)門窗幕墻的安全要點(diǎn)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和施工安全管控。現(xiàn)在數(shù)字化和信息化已非常普遍和發(fā)達(dá)，我們應(yīng)該在工程現(xiàn)場(chǎng)的管理中大量引入這些科學(xué)可行的手段，像門窗幕墻與建筑結(jié)構(gòu)連接的重要節(jié)點(diǎn)，除了采用文字記錄外，應(yīng)增加和保留圖片或視頻之類的影視檢查資料，如圖24所示的單元式板塊的插接狀況，使我們對(duì)工程施工質(zhì)量和安全有更可靠、直觀和全面的了解和評(píng)判。
3 結(jié)語
通過對(duì)近幾年沿海各地強(qiáng)臺(tái)風(fēng)對(duì)建筑門窗幕墻影響的有限分析可以看到，嚴(yán)格按照現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工監(jiān)管的建筑門窗幕墻，在抵抗強(qiáng)臺(tái)風(fēng)的作用具有足夠可靠的能力，絕大部分的建筑門窗幕墻整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，性能良好。對(duì)于強(qiáng)臺(tái)風(fēng)期間門窗幕墻，包括金屬屋面出現(xiàn)的一些破壞，我們應(yīng)該加以科學(xué)的分析和面對(duì)。我們可以通過進(jìn)一步的科學(xué)研究、試驗(yàn)和探索，進(jìn)一步的完善我們的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系，通過強(qiáng)化我們的工程現(xiàn)場(chǎng)管理水平，來不斷地提高建筑門窗幕墻抵抗強(qiáng)臺(tái)風(fēng)和超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)的能力。
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