既有建筑玻璃幕墻安全問題及在線檢測技術(shù)現(xiàn)狀分析

文 /楊 健 余小寅

既有建筑玻璃幕墻安全問題及在線檢測技術(shù)現(xiàn)狀分析

文 /楊 健 余小寅

自20世紀(jì)80 年代開始使用以來，玻璃幕墻在我國經(jīng)過30多年地飛速發(fā)展，已經(jīng)成為使用最廣泛的建筑立面形式之一。然而，隨著建成的玻璃幕墻逐漸達(dá)到其設(shè)計(jì)使用年限，以及建造質(zhì)量參差不齊，玻璃幕墻失效引起的相關(guān)事故頻頻發(fā)生。

2011年5月18日12時(shí)50分，上海陸家嘴時(shí)代金融中心大廈外墻玻璃突然墜落，造成樓下停車場內(nèi)50多輛車不同程度損傷；當(dāng)天13時(shí)許，上海延安西路昭化東路口一幢高層居民樓的12樓玻璃砸落；同日17時(shí)許，上?？贫鲊H中心大樓也發(fā)生了外墻玻璃墜落事件，兩輛途經(jīng)的機(jī)動車被砸中。

我國規(guī)范要求玻璃幕墻正常設(shè)計(jì)使用期為25年，目前已有相當(dāng)一部分達(dá)到了該期限。同時(shí)，由于經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展與監(jiān)管的脫節(jié)，一些未達(dá)到設(shè)計(jì)使用年限的玻璃幕墻由于質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，也存在一定的安全隱患。因此，建立完善的玻璃幕墻安全管理體系，研發(fā)可靠的玻璃幕墻隱患檢測方法勢在必行。

常見玻璃幕墻安全隱患及檢測手段

幕墻鋼化玻璃自爆是玻璃幕墻安全性的一大威脅，也是既有玻璃幕墻檢測中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。對于鋼化玻璃的自爆原因，一般認(rèn)為是在玻璃中產(chǎn)生了局部應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力水平超過鋼化玻璃的承載能力時(shí)便發(fā)生開裂，而由于鋼化玻璃自身存在殘余應(yīng)力，裂紋迅速開展，使得整塊玻璃破碎。

局部應(yīng)力集中主要是由玻璃中的雜質(zhì)造成的，如硫化鎳（NiS）、單質(zhì)硅（Si）或其他異質(zhì)相顆粒。導(dǎo)致這種局部應(yīng)力集中的原因可以分為兩類：一類是異質(zhì)相顆粒（如硫化鎳）在相變膨脹過程中所產(chǎn)生的應(yīng)力；另一類是由于異質(zhì)顆粒（如單質(zhì)硅等）與玻璃基體的熱膨脹系數(shù)不匹配而產(chǎn)生的熱殘余應(yīng)力。

同時(shí)，發(fā)生應(yīng)力集中的位置也對鋼化玻璃是否自爆有重要影響。位于受壓區(qū)的NiS膨脹會受到周圍壓應(yīng)力的抑制，不會導(dǎo)致自爆；而位于受拉區(qū)的NiS的膨脹會加劇玻璃拉應(yīng)力集中，引起微裂紋發(fā)展，最終導(dǎo)致玻璃自爆。自爆后，玻璃幕墻面板會暫時(shí)保持整體狀態(tài)，但如果有突然的荷載作用如大風(fēng)、人為碰撞等，則會導(dǎo)致其墜落。在工廠內(nèi)采用熱浸的方式可以篩選出有自爆風(fēng)險(xiǎn)的玻璃，但該方法成本較高，企業(yè)較少采用。通過夾膠玻璃的形式可以一定程度上保證鋼化玻璃在自爆后的整體性，目前應(yīng)用廣泛但需及時(shí)更換。

對于鋼化玻璃自爆的檢測手段現(xiàn)已出現(xiàn)不少，包括光彈法和反射法，也有大量的可用于實(shí)際工程的在線檢測儀器出現(xiàn)。但總體而言，通過現(xiàn)場檢查的方法成本仍然較高，施工難度大，且鋼化玻璃自爆多發(fā)生在玻璃幕墻建成后的2—3年。相較于自爆源的檢查，玻璃集中應(yīng)力狀態(tài)的檢查更具有直接性。

玻璃幕墻體系的有效使用年限通常認(rèn)為是25年左右，而結(jié)構(gòu)膠的有效使用年限為10年左右。結(jié)構(gòu)膠的失效會導(dǎo)致幕墻玻璃的整體脫落，其破壞性遠(yuǎn)超過玻璃面板自爆。

玻璃幕墻結(jié)構(gòu)膠失效主要表現(xiàn)為：結(jié)構(gòu)膠脫膠、斷膠、開裂、粉化、硬化等。造成這些失效現(xiàn)象的主要原因包括材料性能不合格、施工工序不規(guī)范、施工質(zhì)量不合格、材料的自然老化等。當(dāng)局部區(qū)域的密封膠失效后，由于應(yīng)力集中，會使得失效范圍逐漸擴(kuò)散，最終造成玻璃面板的脫落。如果在發(fā)生整體脫落前發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)膠的失效部分并進(jìn)行修復(fù)，便能夠有效地避免整體脫落的發(fā)生。幕墻結(jié)構(gòu)膠的檢測仍然處于起步階段，主要檢測手段是依靠經(jīng)驗(yàn)的表觀檢查和觸碰檢查。

鋼索廣泛應(yīng)用于玻璃幕墻領(lǐng)域，其具體形式有單索、索網(wǎng)、自平衡索桁架、全張拉體系等。通常，需要在施工中對索施加一定的預(yù)應(yīng)力以保證結(jié)構(gòu)體系的穩(wěn)定性。但隨著時(shí)間的推移，由于索自身的應(yīng)力松弛和錨頭滑移等因素，導(dǎo)致索力損失，輕則導(dǎo)致幕墻位移過大，重則使幕墻結(jié)構(gòu)體系整體失效。

索力檢測已有較為成熟的檢測設(shè)備體系。其中，以分力測力法的索力儀最為常見。不同公司的產(chǎn)品在外觀尺寸、量程、精度等參數(shù)上略有差別，滿足一般玻璃幕墻索桁架的測量需要。對于直徑較大的索，電磁感應(yīng)電流法能夠滿足懸索橋等大型索結(jié)構(gòu)的索力測量要求。

除索以外，拉桿桁架等結(jié)構(gòu)構(gòu)件的安全檢測也十分必要。這類構(gòu)件的檢測原理與鋼結(jié)構(gòu)基本相同，特別要考慮鋼材的銹蝕問題。

玻璃幕墻安全調(diào)研

為調(diào)查既有建筑玻璃幕墻的安全狀況，筆者調(diào)研走訪了某幕墻維保公司的6個(gè)較大項(xiàng)目，發(fā)現(xiàn)比較常見的玻璃幕墻問題有：鋼化玻璃自爆、中空玻璃霧化、幕墻密封膠失效、門窗五金件老化等。其中以中空玻璃霧化和門窗五金件老化問題最為嚴(yán)重。

經(jīng)與公司技術(shù)人員交流，對于既有建筑玻璃幕墻，目前最常用的檢測手段仍然是表觀的目測、手指觸碰等經(jīng)驗(yàn)方法。對于鋼化玻璃自爆源檢測儀、幕墻模態(tài)分析儀、內(nèi)窺鏡、硬度計(jì)等檢測儀器的使用，仍然停留在宣傳層面。除安全風(fēng)險(xiǎn)外，玻璃幕墻還存在著使用功能的失效問題，如漏水、中空玻璃霧化等，漏水問題主要通過雨天的檢查。

關(guān)于既有幕墻檢測與維保行業(yè)狀況，有以下認(rèn)識：

?市場需求巨大，特別是隨著幕墻設(shè)計(jì)使用期限的臨近，既有幕墻的問題日益凸顯；

?重在日常維護(hù)，檢查以經(jīng)驗(yàn)為主；

?業(yè)主不愿選擇全年維保服務(wù)，但特別希望突發(fā)事故的急救服務(wù)；

?維保公司良莠不齊，維修質(zhì)量難以讓業(yè)主滿意；

?相較于儀器的先進(jìn)性來說，業(yè)主更重視維保服務(wù)過程中的體驗(yàn)，特別是服務(wù)商對于應(yīng)急事件的反應(yīng)速度。

極端天氣下的玻璃幕墻安全

經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的沿海地區(qū)頻繁遭受極端天氣襲擾，這類區(qū)域的大量高層建筑玻璃幕墻在臺風(fēng)中往往受損嚴(yán)重，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在臺風(fēng)等災(zāi)害氣候下的損失，常常是由于建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的破壞，風(fēng)雨進(jìn)入室內(nèi)，造成大量室內(nèi)財(cái)產(chǎn)和裝修的破壞所造成。玻璃幕墻在臺風(fēng)作用下的破壞常常是由風(fēng)致飛射物造成的。幕墻建筑多集中于人口密集區(qū)，而幕墻玻璃脆斷失效特征會導(dǎo)致其破壞具有突發(fā)性和快速性，因此臺風(fēng)風(fēng)致飛射物沖擊下的幕墻玻璃破壞將帶來巨大的人員安全隱患。玻璃破碎后產(chǎn)生的次生碎片增加了風(fēng)致飛射物的產(chǎn)生源，對臨近建筑幕墻產(chǎn)生連續(xù)性沖擊進(jìn)而導(dǎo)致其破壞，這樣就形成一種連鎖性的破壞情境，其破壞機(jī)理跟單次沖擊造成的破壞有著很大的差異，有必要特別對其帶來的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評估。

臺風(fēng)約克（Severe Tropical Storm York，國際編號:9915，中國大陸編號:9910）于1999年9月12日，形成于馬尼拉東北430km。隨后，約克向西移動，途徑呂宋島北部，一天后進(jìn)入中國南海海域，加強(qiáng)成為熱帶風(fēng)暴。在其不穩(wěn)定運(yùn)動期內(nèi)，約克先北上于9月14日成為強(qiáng)熱帶風(fēng)暴，接著向西北移動，于當(dāng)天晚上達(dá)到臺風(fēng)強(qiáng)度。隨后，以20km/h的速度向香港移動，進(jìn)入珠江口并在珠海附近登陸。

據(jù)氣象臺估計(jì)，臺風(fēng)約克對香港造成的經(jīng)濟(jì)損失達(dá)幾十億美元。1人死于廣告牌墜落，500余人受傷?？傆?jì)800塊廣告牌被吹倒，4000棵樹被連根拔起。部分中心商業(yè)區(qū)遍布玻璃碎片。風(fēng)速記錄如下：橫瀾島峰值風(fēng)速65m/s，平均風(fēng)速42m/s；中環(huán)峰值風(fēng)速45m/s，平均風(fēng)速21m/s。中環(huán)1—2分鐘平均風(fēng)速達(dá)到28m/s-30m/s。圖1、圖2為香港氣象臺發(fā)布的臺風(fēng)約克的移動軌跡。

圖1 臺風(fēng)約克運(yùn)動軌跡（1）

圖2臺風(fēng)約克運(yùn)動軌跡（2）

香港稅務(wù)大樓（Hong Kong Revenue Tower, HKRT）高177米、49層，鄰近維多利亞港及香港會議展覽中心，是港島區(qū)的一座政府辦公大樓。臺風(fēng)約克導(dǎo)致灣仔數(shù)幢商業(yè)大廈的玻璃幕墻不同程度受損，該樓和入境事務(wù)大樓及灣仔政府大樓共有400多塊玻璃破碎，間接導(dǎo)致室內(nèi)設(shè)施損失嚴(yán)重。

臺風(fēng)約克產(chǎn)生了大量的風(fēng)致飛射物，這些飛射物來源包括廣告牌、樹枝、玻璃碎片、竹質(zhì)腳手架等。破損的建筑幕墻也產(chǎn)生了大量碎片，經(jīng)過臺風(fēng)加速后成為次生風(fēng)致飛射物，圖3為中環(huán)廣場及入境事務(wù)大樓破壞情況，圖4為香港稅務(wù)大廈東立面破壞情況。

造成臺風(fēng)中建筑玻璃幕墻大面積破壞的因素有很多，包括玻璃幕墻設(shè)計(jì)欠考慮、材料質(zhì)量不達(dá)標(biāo)、玻璃幕墻性能退化、建筑附屬結(jié)構(gòu)不牢靠，等等。

圖3 中環(huán)廣場及入境事務(wù)大樓玻璃幕墻破壞情況

圖4 香港稅務(wù)大廈東立面破壞情況

玻璃幕墻所產(chǎn)生的城市安全問題已經(jīng)不能忽視，為保證城市的安全有序，不但需要專業(yè)技術(shù)人員研究有效可靠的檢測監(jiān)測手段，提供相關(guān)的安全保障服務(wù)，還需要廣大的業(yè)主和用戶重視建筑玻璃幕墻的安全管理，這樣才能讓我們的城市既美觀又安全。

（作者楊健就職于上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院、海洋工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，作者余小寅就職于上海建材（集團(tuán)）有限公司產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院節(jié)能環(huán)保分院、上海建材集團(tuán)節(jié)能環(huán)?？萍加邢薰?。）