幕墻玻璃破裂與墜落防治探討

方明星，胡紅霞，劉立鼎，徐亞男，崔 洋

(中國建筑第七工程局有限公司，河南 鄭州 450000)

隨著新科技、新技術(shù)在建筑工程中的逐步應(yīng)用，使得我國的高層建筑有了更廣闊的發(fā)展空間。幕墻，作為建筑的表皮，已逐漸成為展示城市繁榮的窗口。建筑幕墻的應(yīng)用始于20世紀(jì)初，自1981年廣州交會(huì)流花展館建成我國的第一個(gè)玻璃幕墻起，玻璃幕墻開始逐步在我國的各大建筑中得到應(yīng)用。

據(jù)估計(jì)，目前我國玻璃幕墻面積超過12億m2，已成為世界第一的玻璃幕墻生產(chǎn)和使用大國。巨大的玻璃幕墻存量以及日趨老化的趨勢(shì)，使得近年來鋼化玻璃破裂并墜落傷人的事件頻發(fā)，玻璃幕墻的安全問題開始備受人們的重視和關(guān)注。

然而，通常所見的玻璃幕墻安全問題，并不代表是由于玻璃幕墻而存在的問題。例如，鋼化玻璃自爆的問題，它更多反映的是鋼化玻璃自身存在的缺陷，并不能完全代表現(xiàn)有幕墻的安全問題。除此之外，低價(jià)中標(biāo)，原材料采購質(zhì)量問題，設(shè)計(jì)施工因素，隨意壓縮工期，對(duì)既有幕墻維護(hù)管理不當(dāng)?shù)仍?，也是玻璃幕墻出現(xiàn)安全問題的潛在影響因素。

1 幕墻玻璃破裂與墜落的原因分析

1.1 硫化鎳雜質(zhì)導(dǎo)致幕墻玻璃破裂

建筑幕墻玻璃要求使用鋼化玻璃。鋼化玻璃是一種安全玻璃，具有質(zhì)量輕、機(jī)械性能好的特點(diǎn)，但玻璃內(nèi)部含有一種叫做硫化鎳的雜質(zhì)，會(huì)造成鋼化玻璃的自爆。多年來，國內(nèi)外研究表明，鎳元素主要由原料石英砂或者砂巖帶入，硫元素由燃料及輔料帶入。在1400～1500 ℃ 高溫熔窯中,鎳和硫元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成硫化鎳。當(dāng)溫度超過 1000 ℃ 時(shí)，硫化鎳以液滴形式隨機(jī)分布于熔融狀態(tài)下的玻璃液體中;當(dāng)溫度下降至 797 ℃ 時(shí)，液態(tài)硫化鎳發(fā)生結(jié)晶并固化，形成高溫態(tài)的α硫化鎳晶相，即六方晶體;當(dāng)溫度繼續(xù)降至 379 ℃ 時(shí)，進(jìn)一步轉(zhuǎn)變成為低溫狀態(tài)的β硫化鎳，即三方晶系，同時(shí)體積膨脹2.38%[1]。此時(shí)，玻璃內(nèi)部存在巨大的相變張應(yīng)力，這是使玻璃出現(xiàn)自爆破裂現(xiàn)象的內(nèi)在原因。

1.2 二次加工制作導(dǎo)致幕墻玻璃破裂

玻璃表面和邊部在二次加工、運(yùn)輸、儲(chǔ)存和施工過程中，會(huì)留下微裂紋、劃痕、裂口、毛刺等缺陷，這些缺陷均會(huì)形成應(yīng)力集中，導(dǎo)致鋼化玻璃發(fā)生自爆破裂風(fēng)險(xiǎn)。在熱應(yīng)力和荷載的作用下，一旦達(dá)到或者接近玻璃損傷應(yīng)力臨界值時(shí)，裂紋快速擴(kuò)張最終導(dǎo)致玻璃破裂。

1.3 熱應(yīng)力導(dǎo)致幕墻玻璃破裂

熱應(yīng)力是指加熱或冷卻時(shí)，材料不同部位出現(xiàn)溫差，導(dǎo)致熱脹或冷縮不均所產(chǎn)生的應(yīng)力。幕墻玻璃中常見應(yīng)力有暫時(shí)應(yīng)力和永久應(yīng)力兩種。暫時(shí)應(yīng)力是由于玻璃導(dǎo)熱性較差而產(chǎn)生的，玻璃在應(yīng)變點(diǎn)溫度以下加熱或冷卻時(shí)，各部位將形成溫度梯度，從而產(chǎn)生熱應(yīng)力。暫時(shí)應(yīng)力與溫差相關(guān)，溫差越大，暫時(shí)應(yīng)力也越大。當(dāng)暫時(shí)應(yīng)力值超過玻璃的破裂極限強(qiáng)度時(shí)，玻璃就會(huì)自爆破裂。永久應(yīng)力即鋼化應(yīng)力，是由于玻璃局部溫差產(chǎn)生的應(yīng)力，它的大小取決于成品在應(yīng)變點(diǎn)溫度以上時(shí)的冷卻速率、玻璃的黏度及玻璃的厚度等因素。幕墻玻璃因熱應(yīng)力自爆主要是由暫時(shí)應(yīng)力造成的。

1.4 設(shè)計(jì)施工不當(dāng)導(dǎo)致幕墻玻璃破裂

設(shè)計(jì)施工不當(dāng)導(dǎo)致的玻璃破裂與墜落主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1)玻璃與金屬固定件之間的間距及接觸面處理不當(dāng)。玻璃幕墻規(guī)范對(duì)嵌入尺寸、空隙空間和接觸面處理都有明確的要求。要確保玻璃在溫度變化和其他因素影響下具有自由伸縮的空間，避免硬性接觸，一旦出現(xiàn)阻礙玻璃自由伸縮的因素，玻璃就會(huì)有破裂風(fēng)險(xiǎn)[2]。同時(shí)，玻璃的槽口兩側(cè)和底部不能用硬性的材料填塞，這些材料的體積變化會(huì)對(duì)玻璃產(chǎn)生擠壓使得玻璃破裂。建筑幕墻玻璃的安裝有嚴(yán)格的技術(shù)要求，在安裝的過程中必須遵循《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》。在此規(guī)范中，對(duì)幕墻玻璃的承托構(gòu)件的長(zhǎng)度、厚度等都有明確規(guī)定，要求每塊玻璃必須在下端設(shè)置兩個(gè)長(zhǎng)度大于 100 mm、厚度大于 2 mm 的鋁合金或者不銹鋼的托條，用來承受玻璃的重荷載，玻璃與托條接觸面必須要使用壓膜成型的氯丁橡膠墊塊隔開，避免硬性接觸。

2)因龍骨安裝尺寸控制不當(dāng)、玻璃加工誤差等原因造成玻璃與龍骨或固定框貼合不夠。玻璃在平面外力作用下會(huì)產(chǎn)生翹曲，當(dāng)固定件阻礙玻璃的翹曲變化時(shí)，造成局部應(yīng)力過大，從而使玻璃發(fā)生破裂。

3)對(duì)于玻璃幕墻的層間，通常做法是在玻璃后襯鋁單板。在設(shè)計(jì)時(shí)，若后襯板和玻璃的距離太少且兩者中間的空氣層沒有留通氣孔，在太陽的直射下，中間的空氣層溫度急劇升高，由此造成的玻璃溫度過高和氣體的膨脹使得玻璃炸裂。

4)玻璃的厚度、類型和平面尺寸設(shè)計(jì)不合理，無法承受所受風(fēng)荷載，導(dǎo)致玻璃窗框整體墜落或者玻璃破裂。

5)沉降縫和變形縫處的幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，因主體變形而導(dǎo)致玻璃破裂[3]。

6)隨著建筑幕墻應(yīng)用的推廣，幕墻生產(chǎn)企業(yè)大量出現(xiàn)，實(shí)力良莠不濟(jì)。市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)不規(guī)范，施工監(jiān)管不到位，導(dǎo)致材料和施工質(zhì)量不符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和設(shè)計(jì)要求，這是當(dāng)前玻璃幕墻墜落和破裂最根本的原因。

幕墻玻璃破裂與墜落的原因不僅僅是單因素，通常是由多個(gè)因素綜合造成的。玻璃夾渣、氣泡等自身缺陷導(dǎo)致的破裂只能控制降低，不可避免，危害相對(duì)較小。而設(shè)計(jì)不合理，二次加工制作處理不當(dāng)，運(yùn)輸和施工監(jiān)管不到位等是幕墻玻璃發(fā)生破裂與墜落的重要原因。太陽輻射、風(fēng)荷載、地震荷載等外加荷載也是幕墻玻璃墜落和破裂的直接誘因。

2 幕墻玻璃破裂與墜落的防治對(duì)策2.1 鋼化玻璃二次熱處理

鋼化玻璃二次熱處理，即玻璃鋼化后，工廠出廠前對(duì)其進(jìn)行二次的熱浸處理。通過鋼化玻璃回爐，經(jīng)過升溫到恒溫再到冷卻的一系列步驟，促使鋼化玻璃內(nèi)部的不穩(wěn)定晶態(tài)的硫化鎳發(fā)生引爆或者轉(zhuǎn)化和消除。經(jīng)過這樣的處理，可以把鋼化玻璃自爆率控制在0.1%以內(nèi)。二次熱處理玻璃所需保溫時(shí)間長(zhǎng)，規(guī)范未進(jìn)行強(qiáng)制要求，所以很多工程因?yàn)橼s工期或考慮成本而放棄這個(gè)降低玻璃自爆率的再加工過程。為玻璃幕墻安裝后，埋下安全隱患。

2.2 加工制作缺陷的預(yù)防措施

玻璃邊緣拉應(yīng)力最大，加工缺陷也最嚴(yán)重，改善玻璃邊緣的加工質(zhì)量是降低玻璃破裂的關(guān)鍵。首先在玻璃加工過程中要做好玻璃的防護(hù)，避免劃傷，玻璃邊緣進(jìn)行細(xì)磨倒角處理，倒角面要平整，倒角大小、砂輪轉(zhuǎn)速等要符合規(guī)范的規(guī)定[4]。其次玻璃運(yùn)輸過程中要注意做好玻璃的包裝，進(jìn)行軟隔離，異形玻璃對(duì)尖角部位要著重保護(hù)。二次加工制作導(dǎo)致的缺陷主要是人為原因，所以加強(qiáng)對(duì)工人的培訓(xùn)，規(guī)范加工工藝及程序，能夠有效減少由于玻璃加工缺陷而產(chǎn)生的玻璃自爆。

2.3 對(duì)設(shè)計(jì)施工過程的質(zhì)量加強(qiáng)管理

1)嚴(yán)格新建幕墻設(shè)計(jì)方案審查。為確保幕墻安全可靠，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)幕墻設(shè)計(jì)的管理，建立健全新建建筑幕墻設(shè)計(jì)方案審查制度，將建筑幕墻可能存在的安全風(fēng)險(xiǎn)消除在方案設(shè)計(jì)階段，以提升既有幕墻的安全性和可靠性。另外，現(xiàn)在的建筑設(shè)計(jì)在建筑外觀的設(shè)計(jì)上，如新穎復(fù)雜的立面造型、超大面板板塊的設(shè)計(jì)、新型建筑材料的出現(xiàn)等設(shè)計(jì)，很多都突破了現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范和規(guī)定，給建筑幕墻在設(shè)計(jì)上提出了新的挑戰(zhàn)，我國現(xiàn)行的《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》，已難以適應(yīng)日益增加的安全要求。依據(jù)現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范，按照不同區(qū)域的條件制定和實(shí)施更嚴(yán)格的地方性標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，并以此對(duì)建筑幕墻的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行審查，合理的總體布置安排減小溫度梯度，減小玻璃分格尺寸，合理的玻璃固定構(gòu)造，采用夾膠玻璃等措施將大大地降低新建建筑幕墻的安全風(fēng)險(xiǎn)。

2)施工過程中加強(qiáng)質(zhì)量管理。幕墻玻璃安裝工藝和施工程序控制不到位是幕墻玻璃破裂與墜落的重要原因之一。所以，要規(guī)避幕墻玻璃破裂墜落風(fēng)險(xiǎn)就要對(duì)其安裝過程中的質(zhì)量進(jìn)行控制，對(duì)各項(xiàng)工序進(jìn)行細(xì)致的檢查和監(jiān)管。幕墻施工企業(yè)要對(duì)操作人員進(jìn)行培訓(xùn)與考核，保證其專業(yè)技術(shù)水平。

3)健全現(xiàn)有幕墻檢查機(jī)制和研發(fā)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)新技術(shù)?，F(xiàn)有幕墻的安全檢查和鑒定工作，不同于一般的幕墻性能檢測(cè)，既有幕墻的檢查需要有較高專業(yè)水平和經(jīng)驗(yàn)的建筑幕墻從業(yè)人員，包括長(zhǎng)期從事幕墻設(shè)計(jì)、施工和管理，且能全面掌握和熟悉幕墻規(guī)范和檢測(cè)方法的高級(jí)專業(yè)人員來擔(dān)任，并按照檢查程序和檢查內(nèi)容逐項(xiàng)對(duì)既有幕墻進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢查和工程檔案的核對(duì)。根據(jù)檢查結(jié)果，若有必要可提出進(jìn)一步的幕墻性能檢測(cè)要求，包括檢測(cè)項(xiàng)目、檢測(cè)方案和檢測(cè)方法等。嚴(yán)格執(zhí)行既有幕墻的日常安全檢查，通過專項(xiàng)的檢測(cè)，依據(jù)檢測(cè)結(jié)果判定既有幕墻是否存在風(fēng)險(xiǎn)，并出具可靠性鑒定報(bào)告和相應(yīng)的維修或改造方案。由于既有幕墻的安全檢查基本都在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行，特別是對(duì)于隱蔽工程和結(jié)構(gòu)密封膠的現(xiàn)場(chǎng)檢查，目前尚無較好的檢測(cè)方法。為適應(yīng)既有幕墻檢測(cè)的特點(diǎn)，我們必須進(jìn)一步研究和開發(fā)出一些新的檢測(cè)技術(shù)，如現(xiàn)場(chǎng)無損檢測(cè)技術(shù)，既能發(fā)現(xiàn)既有幕墻存在的問題，又能保持既有幕墻的完整。

3 結(jié)語

為改善既有幕墻陸續(xù)發(fā)生破裂和墜落的現(xiàn)狀，提高我國既有幕墻的安全，應(yīng)從強(qiáng)化安全監(jiān)管入手，建立規(guī)范化和法制化的建筑幕墻市場(chǎng)秩序和意識(shí)，嚴(yán)格落實(shí)既有幕墻安全管理責(zé)任人制度和安全檢查制度。特別是加強(qiáng)建筑幕墻設(shè)計(jì)、采購、施工和運(yùn)營(yíng)全過程的質(zhì)量控制和安全管理，盡快地完成既有幕墻相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的制定和實(shí)施。同時(shí)，相關(guān)部門應(yīng)加強(qiáng)專業(yè)人才隊(duì)伍建設(shè)，讓具有較高水平專業(yè)知識(shí)的人員來監(jiān)管全過程的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，有效提升監(jiān)管水平。在對(duì)既有幕墻的安全改造過程中，我們尚需結(jié)合我國綠色建筑發(fā)展的需要，大力研發(fā)既有幕墻的建筑節(jié)能和室內(nèi)環(huán)境改造技術(shù)，全面提升我國既有幕墻的各項(xiàng)性能。