紅外熱成像技術(shù)在玻璃幕墻建筑檢查中的應(yīng)用

王建勇

（墻管家建筑科技(上海)有限公司，上海 200241）

0 引言

近年來，因玻璃幕墻引起的高墜事故常有發(fā)生，玻璃幕墻使用量較大的大型城市紛紛加強(qiáng)了安全管理。根據(jù)上海市2012 年出臺(tái)的《上海市建筑玻璃幕墻管理辦法》（滬府令77 號(hào)）的第二十條（定期檢查）要求，業(yè)主應(yīng)當(dāng)委托原施工單位或者其他有玻璃幕墻施工資質(zhì)的單位按照其要求定期進(jìn)行幕墻檢查。但基于幕墻檢查技術(shù)的局限性，大部分幕墻檢查都以人工表面目測和觸碰為主、少量簡單的儀器檢測為輔，對(duì)一些無損檢查技術(shù)的應(yīng)用很有限。本文以既有玻璃幕墻實(shí)際應(yīng)用案例為研究對(duì)象，分析和論證紅外熱成像技術(shù)在既有玻璃幕墻檢查中的應(yīng)用可行性，為既有玻璃幕墻的無損檢查提供相應(yīng)的技術(shù)措施。

1 既有玻璃幕墻無損檢查存在的問題和內(nèi)容

1.1 玻璃幕墻檢查的現(xiàn)狀和問題

因玻璃幕墻是建筑類中一個(gè)專業(yè)類型，在國內(nèi)的一、二線城市最為集中。早些年物業(yè)管理單位對(duì)既有玻璃幕墻的安全管理不太重視，但前些年頻頻發(fā)生因既有建筑玻璃幕墻玻璃自爆、裝飾構(gòu)件及開啟窗脫落等引發(fā)的高墜安全事故，造成了一定的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，故逐漸引起各管理部門和業(yè)主、物業(yè)管理單位的重視，并出臺(tái)了相應(yīng)的管理?xiàng)l例和行業(yè)規(guī)范，使既有玻璃幕墻檢查也有了一定的市場需求。但既有玻璃幕墻構(gòu)造類型較多，關(guān)鍵結(jié)構(gòu)連接構(gòu)造又是隱蔽工程，檢查作業(yè)時(shí)，也不可能盡數(shù)拆除幕墻面板去檢查結(jié)構(gòu)連接件及內(nèi)部存在的安全隱患，加上行業(yè)內(nèi)相應(yīng)的無損檢查儀器也較少，故對(duì)既有玻璃幕墻的檢查不夠全面，因此大部分的檢查工作以人工目測觀察為主，效率低，準(zhǔn)確率不高。

1.2 幕墻隱患檢查內(nèi)容

根據(jù)幕墻檢查相應(yīng)規(guī)范要求，對(duì)幕墻面板、外露裝飾構(gòu)件、結(jié)構(gòu)連接件、結(jié)構(gòu)膠、密封膠、開啟窗五金件、滲漏水部分還有節(jié)能、防火等方面進(jìn)行檢查。目前，對(duì)幕墻面板、外露裝飾構(gòu)件、密封膠等可見隱患都以人工目測為主。經(jīng)過多年的發(fā)展，行業(yè)內(nèi)也陸續(xù)應(yīng)用光彈掃描、應(yīng)力檢測和紅外熱成像技術(shù)等進(jìn)行無損檢查，且取得了一定的效果。本文對(duì)紅外熱成像儀應(yīng)用于玻璃幕墻無損檢查進(jìn)行了研究和探索。

2 紅外熱成像技術(shù)

紅外熱成像是基于溫度高于絕對(duì)零度（-273.15 ℃）時(shí)任何物體都依據(jù)溫度的不同對(duì)外發(fā)射電磁波輻射的物理現(xiàn)象而產(chǎn)生的。物體表面與其輻射強(qiáng)度和光譜之間存在明顯相關(guān)性，紅外光被分為近紅外、中紅外和遠(yuǎn)紅外3 個(gè)波段，近紅外、中紅外和遠(yuǎn)紅外的波長范圍分別為2.5～0.7 μm、25～2.5 μm 和500～25 μm。紅外熱成像能通過紅外敏感電荷耦合元件（charge-coupled device,CCD，可以稱為CCD 圖像傳感器）采集。CCD 是一種半導(dǎo)體器件，能夠把光學(xué)影像轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。對(duì)物體進(jìn)行紅外熱成像，可反映出物體表面的溫度場。物體間的熱傳遞模式有傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射3 種方式，而熱傳導(dǎo)就是通過分子與分子間相互碰撞而引起的將熱能從一個(gè)分子轉(zhuǎn)移到另一個(gè)分子的直接傳遞形式，它是固體內(nèi)發(fā)生熱傳遞的唯一形式。紅外熱成像技術(shù)優(yōu)勢如下：一是非接觸性，可以在較遠(yuǎn)的距離上實(shí)施；二是響應(yīng)速度快；三是測量實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)化；四是溫度的取值領(lǐng)域較寬，精確度高。紅外熱成像的依據(jù)是物體的熱傳導(dǎo)物理特性[1]，熱傳導(dǎo)率公式如下：

根據(jù)各種材料導(dǎo)熱系數(shù)的不同，在外部同樣環(huán)境下，通過紅外熱成像能探測到不同材質(zhì)在熱傳導(dǎo)過程中溫度差的二維影像，根據(jù)其物理特性，可對(duì)采集到的紅外熱成像數(shù)據(jù)通過一些專業(yè)軟件進(jìn)行分析。紅外線熱成像技術(shù)在軍事、醫(yī)療、航天科技、建筑、科學(xué)研究和日常生活等各個(gè)領(lǐng)域都得到了非常廣泛的應(yīng)用[2]。

3 紅外熱成像技術(shù)在玻璃幕墻檢查中的應(yīng)用

3.1 項(xiàng)目概況

根據(jù)滬府令77 號(hào)的相關(guān)要求，上海市某玻璃幕墻檢查項(xiàng)目委托具有相關(guān)資質(zhì)的幕墻單位墻管家進(jìn)行既有玻璃幕墻檢查。該項(xiàng)目建筑竣工于2004 年，建成使用已近20 年，建筑面積約8 800 m2，采用了隱框構(gòu)造式玻璃幕墻，面板為6 mm+1.14 mmPVB+6 mm（第一塊玻璃面板厚度+聚乙烯醇縮丁醛膠片（polyvinyl butyral，PVB）厚度+第二塊玻璃面板厚度）的夾層玻璃。本次檢查采用了紅外熱成像技術(shù)，并根據(jù)其特性在節(jié)能、滲漏水、防火和構(gòu)造等方面進(jìn)行了應(yīng)用，分析總結(jié)了該技術(shù)在玻璃幕墻無損檢查中的應(yīng)用。

3.2 紅外熱成像在玻璃幕墻滲漏水檢查中的應(yīng)用

3.2.1 既有玻璃幕墻檢查滲漏水條件

既有玻璃幕墻在滲漏水方面的缺陷十分普遍，大部分建筑或多或少都存在滲漏水的現(xiàn)象，一部分是建筑結(jié)構(gòu)缺陷造成的滲漏水，另一部分是因幕墻面板密封膠破損開裂造成的滲漏水。建筑滲漏水一般滿足3個(gè)條件：一要有積水；二要有孔隙；三要有壓力差。按照熱傳導(dǎo)原理，有積水的地方就會(huì)與周圍材質(zhì)產(chǎn)生熱梯度差。如果積水在鋁型材內(nèi)部，肉眼是看不見的，用常規(guī)的檢查方法顯然無法檢查，但是通過紅外熱成像儀可以采集到材質(zhì)的紅外輻射溫差信息，就能清晰檢測出積水的分布區(qū)域。這種無損探測技術(shù)方便實(shí)用，而且能準(zhǔn)確顯示積水的分布情況。但想要讓紅外熱成像檢查達(dá)到最佳效果，也需要一定的條件。實(shí)際經(jīng)驗(yàn)表明，一般雨后24 h 的晴天最佳，因雨水在漏水位置形成一定的積水后，積壓在構(gòu)件內(nèi)部，雨停后溫度升高，無積水區(qū)域材質(zhì)吸收太陽光及環(huán)境熱量，與積水區(qū)的溫差較大，這時(shí)通過紅外熱成像儀進(jìn)行檢測，溫度成像反差明顯，極易分辨和確認(rèn)積水位置，見圖1。如果雨后天晴時(shí)間太長，積壓的水分被全部蒸發(fā)掉，則無法與周圍構(gòu)件形成溫差，此時(shí)再用紅外熱成像儀去檢查則無任何效果。

圖1 雨棚頂滲漏水紅外照片及雨棚頂可見光照片（Fig.1 Infrared and visible light comparison diagram of water leakage on the roof of rain shed）

3.2.2 幕墻頂部滲漏紅外檢查

幕墻頂部結(jié)構(gòu)密封不好或清洗維修時(shí)放作業(yè)繩索壓壞鋁板間密封膠也是造成幕墻滲漏水的常見原因之一。一般在雨過天晴后1 d 進(jìn)行紅外熱成像檢查可明顯發(fā)現(xiàn)積水位置?？梢暪庹掌伾床钶^小，不易發(fā)現(xiàn)積水區(qū)域，如圖2 所示。而在紅外熱成像儀的紅外照片下則通過高反差顏色標(biāo)識(shí)，積水區(qū)域一覽無遺，如圖3 所示。在積水區(qū)與幕墻的滲漏處找滲水孔隙位置，就能找到缺陷源頭，以便采取針對(duì)性的措施解決源頭問題。

圖2 幕墻封頂處滲漏水可見光照片（Fig.2 Visible light diagram of leakage at the top of curtain wall）

圖3 幕墻封頂處滲漏水紅外熱成像照片（Fig.3 Infrared thermal imaging diagram of water leakage at the top of curtain wall）

3.2.3 幕墻立面室內(nèi)頂部滲漏紅外檢查

本項(xiàng)目對(duì)玻璃幕墻的立面也進(jìn)行了滲漏檢查。因立面的滲水往往順著面板和構(gòu)件破損開裂的密封膠滲漏進(jìn)室內(nèi)，雨水通過豎向構(gòu)件會(huì)瞬間向低處和內(nèi)部擴(kuò)散，不能形成積水條件，并且紅外光波也不能穿透玻璃和鋁型材等材質(zhì)，因此紅外熱成像儀無法探測到內(nèi)部積水形成的溫差，在立面上用紅外檢查基本上沒有任何效果。但如果雨水滲漏進(jìn)室內(nèi)側(cè)，浸入石膏板吊頂和墻面涂料等材質(zhì)內(nèi)部，浸了水的石膏板與未浸水的石膏板形成一定的溫差，浸水處的溫度相對(duì)低，因此在室內(nèi)用手持紅外熱成像儀也很容易發(fā)現(xiàn)滲水點(diǎn)，而可見光看不到任何水漬，如圖4 所示。從室內(nèi)反向找滲漏點(diǎn)，采取相應(yīng)的補(bǔ)漏措施，效果也非常好。

圖4 幕墻室內(nèi)側(cè)吊頂部位滲漏水紅外熱成像及可見光照片（Fig.4 Infrared thermal imaging photo&visible light photo of water leakage at the indoor side ceiling of the curtain wall）

以上案例中紅外熱成像儀的搭載為手持式或無人機(jī)搭載，無人機(jī)搭載具有靈活方便，可隨時(shí)調(diào)整合適角度的優(yōu)點(diǎn)，而手持式搭載在掃描高度較大的建筑時(shí)，由于俯仰角過大，不易達(dá)到最好成像效果，因此應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場情況采取不同檢查方式。通過以上項(xiàng)目的應(yīng)用分析可知，紅外熱成像儀用于幕墻滲漏的檢查有一定效果，但受局限性也較大，只適用于積水明顯的地方，對(duì)于整體幕墻立面不能達(dá)到預(yù)期目的。

3.3 紅外熱成像在既有幕墻節(jié)能方面的應(yīng)用

項(xiàng)目幕墻面板采用的是6 mm+1.14 mmPVB+6 mm的夾層玻璃，不具有節(jié)能保溫性能。本次檢查正好是7月份，室外溫度約為35 ℃，室內(nèi)開中央空調(diào)，溫度約為25 ℃，室內(nèi)外溫差約為10 ℃。因?yàn)閵A層玻璃不具備保溫性能，根據(jù)固體熱傳導(dǎo)原理，室內(nèi)的冷氣直接通過夾層玻璃面板傳出室外，利用紅外熱成像儀檢查時(shí)，圖像呈現(xiàn)出不同顏色，橙色代表溫度高，藍(lán)色則代表溫度低，其紅外熱成像照片見圖5。由圖5 可以明顯看到玻璃幕墻面板呈藍(lán)色，由此可判斷室內(nèi)的冷氣溫度直接通過玻璃面板傳導(dǎo)至表面，從而可以得出其熱傳導(dǎo)性較好，保溫節(jié)能性較差。

圖5 玻璃面板節(jié)能性能紅外熱成像照片（Fig.5 Infrared thermal imaging photos of energy-saving performance of glass panels）

3.4 紅外熱成像在既有玻璃幕墻層間防火檢查方面的應(yīng)用

根據(jù)DG/TJ 08-56—2019 《建筑幕墻工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》第7.2.1 節(jié)要求：玻璃幕墻與樓層邊沿實(shí)體墻上、下縫隙的防火封堵應(yīng)采用厚度不小于200 mm 的巖棉、礦棉等耐高溫、不燃材料填充密實(shí)，以厚度不小于1.5 mm的鍍鋅鋼板為承托板并與相對(duì)應(yīng)的幕墻橫梁連接封堵，封堵材料不得與玻璃接觸。而本項(xiàng)目在層間部位的紅外熱成像圖片上呈明顯橙色，說明其溫度較其他部分高很多，這是因?yàn)閵A層玻璃不保溫，使室外面較高的溫度通過玻璃材質(zhì)的熱傳導(dǎo)直接傳至混凝土梁上而被吸收，呈現(xiàn)圖6 玻璃面板上半部分所示橙色，表明上半部分溫度較高，因此可以判斷層間部分沒有保溫層或防火巖棉，不符合現(xiàn)行規(guī)范要求。

圖6 玻璃面板層間防火性能紅外熱成像示意圖（Fig.6 Infrared thermal imaging photo of energy-saving performance of glass panel interlayer fire resistance diagram of infrared thermal imaging）

3.5 紅外熱成像在既有玻璃幕墻構(gòu)造檢查方面的應(yīng)用

根據(jù)DG/TJ 08-56—2019 《建筑幕墻工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》第10.6.6 節(jié)要求：隱框或橫隱豎明半隱框玻璃幕墻每塊玻璃的下端應(yīng)設(shè)置不少于2 個(gè)鋁合金或不銹鋼承托條，托條與幕墻支承構(gòu)件應(yīng)采用機(jī)械連接。在本次無人機(jī)載紅外熱成像云臺(tái)對(duì)幕墻的檢查中，通過紅外熱成像照片能清晰看到每個(gè)玻璃板塊橫隱密封膠部位設(shè)置的金屬托塊。因金屬托塊被密封膠遮蓋，從現(xiàn)場人工目測檢查和可視照片上基本看不出有無，但通過紅外熱成像的原理，硅酮密封膠與鋁質(zhì)金屬托塊的熱傳導(dǎo)性能不同，鋁材的導(dǎo)熱系數(shù)為160 W/（m·K），硅酮密封膠的導(dǎo)熱系數(shù)為0.35 W/（m·K），室外的熱量分別被2 種材質(zhì)吸收，導(dǎo)熱系數(shù)大的鋁材吸收的熱量比密封膠大得多，二者之間形成了對(duì)比強(qiáng)烈的溫差，因此在紅外熱成像的照片中，顏色反差非常明顯（見圖7），說明紅外熱成像技術(shù)是效果較好的非接觸式無損檢測方法。

圖7 幕墻構(gòu)造紅外熱成像檢查示意圖（Fig.7 Curtain wall structure infrared thermal imaging inspection diagram）

4 結(jié)語

本次既有幕墻檢查項(xiàng)目驗(yàn)證了紅外熱成像儀具有效率高、效果好、距探測目標(biāo)距離遠(yuǎn)、搭載平臺(tái)靈活、對(duì)幕墻非接觸無損等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過項(xiàng)目現(xiàn)場測試得出，紅外熱成像儀對(duì)既有玻璃幕墻的部分構(gòu)件滲漏水、面板的節(jié)能性能、層間防火及節(jié)能、隱框及橫隱的半隱框構(gòu)造等項(xiàng)目的隱患檢查具有較明顯的效果。

在檢查過程中要取得較高的測量精度，還需要注意如下幾點(diǎn)：

（1） 使用紅外熱成像探測時(shí)要進(jìn)行光學(xué)調(diào)焦，只有對(duì)焦準(zhǔn)確，圖像才足夠清晰，測量的溫度才較為準(zhǔn)確。

（2） 被測目標(biāo)要明顯置于紅外熱成像儀的視場內(nèi)，離探測的目標(biāo)點(diǎn)距離要合適，如距離太遠(yuǎn)，測溫準(zhǔn)確性會(huì)受到影響。

（3） 要設(shè)定好合適的溫度區(qū)間，溫度區(qū)間設(shè)置太寬，測量精度會(huì)降低。

（4） 注意紅外探測角度，最佳掃描角約為300°～800°。

（5） 注意區(qū)分被測目標(biāo)物體受環(huán)境、反射和輻射等各種因素的影響。

由測試案例可見，利用紅外熱成像技術(shù)進(jìn)行既有玻璃幕墻隱患檢查確實(shí)是一種高效率的無損檢查方法，雖然需滿足一定條件，具有局限性，但是作為一種非接觸式的無損檢查方法，能采用手持或搭載無人機(jī)等機(jī)動(dòng)方式，對(duì)一些達(dá)到條件的檢查項(xiàng)目具有不可替代的效果，值得深入研究和推廣。