徐萌新 嚴(yán)勇

【摘? 要】論文針對北京某科研單位試驗樓幕墻玻璃破損問題進行探討，通過對近幾年幕墻玻璃破損情況的統(tǒng)計及有效的破損機理分析和改進實踐，經(jīng)過了兩年的試用、觀察，有效地降低了幕墻玻璃破損現(xiàn)象的發(fā)生概率，避免了建筑物幕墻玻璃破損后帶來的安全性問題。論文的研究對降低未來建筑物使用玻璃幕墻作為外墻裝飾可能引起的安全隱患具有推廣和借鑒意義。

【Abstract】This paper discusses the damage problem of curtain wall glass of the scientific research experimental building of a unit in Beijing. Through the statistics of the damage situation of the curtain wall glass in recent years and the effective analysis of the damage mechanism and improvement practice， after two years of trial and observation， it effectively reduces the occurrence probability of the damage phenomenon of curtain wall glass， and avoids the safety problems caused by the damage of building curtain wall glass. The research in this paper has the promotion and reference significance to reduce the potential safety risks caused by the use of glass curtain wall as exterior wall decoration of buildings in the future.

【關(guān)鍵詞】幕墻玻璃;機理分析;防范措施

【Keywords】curtain wall glass; mechanism analysis; preventive measures

【中圖分類號】TU228? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2020）08-0194-03

1 玻璃幕墻概述

玻璃幕墻是大樓建筑的常見材料。自從我國改革開放以來，20多年的時間里玻璃幕墻建筑呈現(xiàn)出大規(guī)模、高速發(fā)展的態(tài)勢。玻璃幕墻是由金屬框架構(gòu)建，由使用特殊方法處理的玻璃制品安裝在金屬框架上拼接而成。北京某科研單位試驗樓建筑就是采用玻璃幕墻作為建筑的外觀形式。

該單位科研試驗樓外立面為玻璃幕墻結(jié)構(gòu)，由鋼化玻璃組裝而成。全樓總共2954塊玻璃，其中，東側(cè)玻璃268塊，南側(cè)玻璃1171塊，西側(cè)玻璃268塊，北側(cè)玻璃1352塊。該試驗樓的玻璃幕墻屬于全隱框幕墻，通過硅酮結(jié)構(gòu)密封膠將6（Low-E）+12A+6的中空Low-E鋼化玻璃與鋁合金框架粘結(jié)在一起，幕墻所受載荷主要是由密封膠承受。

2 幕墻玻璃破損的統(tǒng)計情況

該試驗樓于2014年底正式投入使用，在近年來的使用過程中，每年都會發(fā)生幕墻玻璃破損的情況。截至2020年上半年，幕墻玻璃總共破損了101塊，其中，2015年破損11塊（東側(cè)破損1塊，南側(cè)破損6塊，西側(cè)破損1塊，北側(cè)破損3塊），2016年破損18塊（東側(cè)破損2塊，南側(cè)破損10塊，西側(cè)破損2塊，北側(cè)破損4塊），2017年破損23塊（東側(cè)破損2塊，南側(cè)破損15塊，西側(cè)破損2塊，北側(cè)破損4塊），2018年破損27塊（東側(cè)破損2塊，南側(cè)破損11塊，北側(cè)破損13塊，試驗樓與旁側(cè)副樓之間的連廊東側(cè)玻璃破損1塊）。2019年破損19塊（東側(cè)破損2塊，南側(cè)破損13塊，北側(cè)破損4塊），2020年上半年破損3塊（南側(cè)破損3塊），各年份幕墻玻璃破損情況統(tǒng)計見圖1。

破損的玻璃分布較為分散，各樓層、各方位均有玻璃破損的情況發(fā)生。按照樓層及方位劃分統(tǒng)計的情況見圖2和圖3。

通過圖2可以看出，各層均有幕墻玻璃破損的情況發(fā)生，六層至八層玻璃破損較多，尤其是八層最為突出。根據(jù)各層發(fā)生玻璃破損的趨勢可以看出，除五層外，基本上樓層越高破損的塊數(shù)越多。

通過圖3可以看出，樓南側(cè)和北側(cè)玻璃破損的數(shù)量較多，這與南北兩側(cè)幕墻玻璃的數(shù)量較多有關(guān)。按照破損比例計算，東側(cè)為3.7%，南側(cè)為5%，西側(cè)為1.9%，北側(cè)為2%，全樓的破損率達(dá)到了3.4%。

3 幕墻玻璃破損的原因分析

據(jù)查閱相關(guān)資料及標(biāo)準(zhǔn)，鋼化玻璃也稱安全玻璃，該試驗樓的幕墻玻璃就是由物理鋼化方法制作完成。此方法由普通玻璃先切割成指定尺寸，經(jīng)加熱爐加熱至接近軟化溫度（700℃），保溫一段時間后迅速冷卻而得到。這種生產(chǎn)工藝使得玻璃外表面產(chǎn)生壓應(yīng)力，內(nèi)層產(chǎn)生張應(yīng)力，因而具有較好的機械強度，表現(xiàn)為抗沖擊強度和抗彎強度均為普通玻璃的3～5倍，但邊角處的硬度較差。同時，其還具有良好的熱穩(wěn)定性，并且在破碎時碎片成蜂窩狀鈍角小顆粒，不易傷人。不過鋼化玻璃還有一個不可避免的特性，即自爆現(xiàn)象，由于受到國內(nèi)生產(chǎn)加工水平的限制，國家規(guī)定允許的鋼化玻璃的批次自爆率不能超過3‰。

該科研單位試驗樓由于其功能用途的特殊性，同時，其地理位置位于市政地鐵通道的斜上方，受外界環(huán)境因素影響，地基沉降引起建筑物幕墻金屬框架變形，試驗過程中產(chǎn)生的機械振動、高低溫試驗與室內(nèi)外環(huán)境溫度產(chǎn)生的反差、地鐵通行時產(chǎn)生的振動等因素，對試驗樓建筑幕墻玻璃破損都會帶來不同程度的影響。

經(jīng)過上述近幾年幕墻玻璃破損的統(tǒng)計情況，幕墻玻璃破損率（3.4%）已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了國家規(guī)定允許的批次自爆率（3‰）。幕墻玻璃的破損不僅僅是因自爆而發(fā)生，其原因也是多方面的，為了有效進行玻璃幕墻破損的機理分析，以該試驗樓幕墻鋼化玻璃碎裂為頂事件進行故障分析，見表1。

3.1 鋁合金框架結(jié)構(gòu)變形（X1）

因為中空鋼化玻璃是通過硅酮結(jié)構(gòu)密封膠與鋁合金框架粘結(jié)在一起，在樓宇發(fā)生沉降時，鋁合金框架發(fā)生的變形會間接引起鋼化玻璃扭曲變形，進而破壞了鋼化玻璃內(nèi)部應(yīng)力的平衡，引起破損。此情況為玻璃破損因素之一。

3.2 環(huán)境振動（X2）

試驗樓廠房開展大功率試驗系統(tǒng)發(fā)動機驅(qū)動的試驗項目和道路模擬試驗系統(tǒng)試驗過程中均有振動產(chǎn)生，其地理位置位于地鐵的斜上方，地鐵經(jīng)過時也會產(chǎn)生一定的振動。振動通過地面經(jīng)鋁合金框架作用于鋼化玻璃上，經(jīng)過長期振動作用，鋼化玻璃產(chǎn)生疲勞碎裂。此情況為玻璃破損因素之一。

3.3 溫度變化（X3）

時值夏季，由于天氣較熱，辦公區(qū)域均開啟空調(diào)，樓內(nèi)外溫差較大。同時，樓內(nèi)開展高低溫試驗時，樓內(nèi)溫度與外界環(huán)境溫度也會產(chǎn)生較大的溫差。這就會致使玻璃沿厚度方向產(chǎn)生不均勻、不對稱溫度梯度，應(yīng)力增大而趨向自爆，甚至有些會在激冷時產(chǎn)生“風(fēng)爆”。此情況為玻璃破損因素之一。

3.4 壓差變化（X4）

長時間處于密閉狀態(tài)的房間，在外界溫差影響及外力影響的情況下，會導(dǎo)致房間內(nèi)外存在壓力差，進而影響鋼化玻璃內(nèi)外應(yīng)力分布，形成自爆。通過破損情況，可以排除因素X4。

3.5 玻璃內(nèi)部有結(jié)石、雜質(zhì)（X5）

結(jié)石、雜質(zhì)存在于玻璃中，與玻璃體有著不同的膨脹系數(shù)，鋼化處理后結(jié)石周圍裂紋區(qū)域的應(yīng)力集中會成倍地增加。當(dāng)結(jié)石膨脹系數(shù)小于玻璃，結(jié)石周圍的切向應(yīng)力處于受拉狀態(tài)，因結(jié)石而存在的裂紋擴展極易發(fā)生，特別是處在張應(yīng)力區(qū)更易導(dǎo)致炸裂伴隨。此情況為玻璃破損因素之一。

3.6 玻璃中含有硫化鎳結(jié)晶物（X6）

硫化鎳在幕墻行業(yè)被稱為“玻璃幕墻的癌癥”，硫化鎳呈小水晶狀，一般不會破損，但加熱會改變硫化鎳的相態(tài)，高溫下的α態(tài)體積較小，常溫或低溫的β態(tài)體積較大，在玻璃原片制作過程中有可能引入硫化鎳，溫度變化引起的硫化鎳體積變化會導(dǎo)致玻璃內(nèi)部局部應(yīng)力集中，最終形成自爆。

因硫化鎳結(jié)晶物相變而自爆的鋼化玻璃在爆裂點處會形成蝴蝶狀裂痕，且通過角度變化觀察爆裂點處會有黑色顆粒存在。此情況為玻璃破損因素之一。

3.7 邊部加工缺陷（X7）

由于鋼化玻璃的生產(chǎn)工藝流程為切片、預(yù)處理、印刷、鋼化、包裝，在切片和預(yù)處理過程中有可能對鋼化玻璃邊角形成刮痕或損傷，從而導(dǎo)致鋼化后的玻璃應(yīng)力分布不均衡而引起自爆。此情況為玻璃破損因素之一。

3.8 內(nèi)應(yīng)力過大（X8）

在鋼化玻璃的鋼化過程中，玻璃的內(nèi)應(yīng)力大小取決于鋼化過程中對加熱冷卻的時間和速度的控制，加熱過快，玻璃內(nèi)外溫差太大，玻璃表面已軟化，中心層還處于固化狀態(tài)應(yīng)力未消除，出爐后玻璃會因中心層張應(yīng)力過大而碎裂。由于該因素是在加工過程就可能會導(dǎo)致碎裂，且經(jīng)過近幾年的應(yīng)用，未發(fā)生批次性大量玻璃碎裂問題，因此，可以排除因素X8。

3.9 銳器重?fù)簦╔9）

鋼化玻璃雖然具有較強的抗沖擊強度（170MPa），但當(dāng)銳器重?fù)舻牧α砍^該強度時，鋼化玻璃將會以重?fù)酎c成不規(guī)則放射性碎裂，且碎片會布滿整塊玻璃。可以排除因素X9。

3.10 運輸過程邊角磕碰（X10）

在運輸過程中，由于包裝、放置、搬運方式不當(dāng)，都有可能對鋼化玻璃邊角造成磕碰、劃傷，導(dǎo)致應(yīng)力分布不均衡而碎裂。可以排除因素X10。

3.11 安裝間隙控制不當(dāng)（X11）

在中空鋼化玻璃安裝過程中，通過硅酮結(jié)構(gòu)密封膠將其與鋁合金框架粘結(jié)在一起，若玻璃間的間隙控制不當(dāng)，在使用過程中環(huán)境因素、自然因素影響下，有可能導(dǎo)致玻璃擠壓變形，引起應(yīng)力分布不均衡而碎裂。根據(jù)鋼化玻璃碎裂狀態(tài)描述，均為單片玻璃碎裂，若由間隙控制不當(dāng)應(yīng)該是內(nèi)外層均會碎裂，因此，可以排除故障因素X11。

綜合以上的分析可以看出，針對該試驗樓幕墻玻璃破損的因素主要有：鋁合金框架結(jié)構(gòu)變形;環(huán)境振動;溫度變化;玻璃內(nèi)部有結(jié)石、雜質(zhì);玻璃中含有硫化鎳結(jié)晶物;邊部加工缺陷以及安裝間隙控制不當(dāng)這7種。多種因素致使該試驗樓出現(xiàn)了幕墻玻璃破損情況。

4 幕墻玻璃破損的防范措施

針對該試驗樓已經(jīng)建設(shè)完成的實際情況，通過以上幕墻玻璃破損的機理分析，規(guī)范后續(xù)維修更換安裝施工的具體細(xì)則，是降低幕墻玻璃破損率以及解決此類問題最好的方式。具體措施如下。

4.1 加強幕墻玻璃制造加工時的工藝管控

玻璃在生產(chǎn)制作過程中會出現(xiàn)結(jié)石、雜質(zhì)，甚至是硫化鎳結(jié)晶物，這些物質(zhì)在玻璃內(nèi)殘留非常容易造成鋼化玻璃的自爆。玻璃在加工切割時產(chǎn)生的微小裂口也可能造成玻璃的破裂。綜合以上原因，對于玻璃生產(chǎn)制造過程中工藝的管控尤為重要。該科研單位對幕墻玻璃的制造全過程加強了監(jiān)督管控，從材料的制作方面減少玻璃自爆現(xiàn)象的發(fā)生。

4.2 降低建筑物外環(huán)境的影響

對于大功率試驗系統(tǒng)發(fā)動機驅(qū)動試驗和道路模擬系統(tǒng)試驗的試驗地基進行了條件改善，對于高低溫環(huán)境試驗也進行了改造，將高低溫試驗整體改造成固定的封閉空間。通過對試驗環(huán)境的改造，降低試驗振動以及高低溫環(huán)境對樓宇幕墻玻璃帶來的影響。

4.3 加強對建筑物地基沉降的監(jiān)測

市政地鐵已經(jīng)開通一年多的時間，該試驗樓建筑也已投入使用五年多的時間，通過近兩年時間的監(jiān)測，建筑物沉降現(xiàn)象已微乎其微，對建筑物的整體影響非常小。

4.4 加強室內(nèi)外溫度變化的適應(yīng)能力

加強對建筑物室內(nèi)外溫度變化的適應(yīng)能力，盡可能地將室內(nèi)外溫差控制在10℃以內(nèi)，減小幕墻玻璃因溫度的驟變而產(chǎn)生破裂的情況。

4.5 規(guī)范幕墻玻璃維修更換施工步驟

2018年初，該單位組織維修更換幕墻玻璃的廠家進行了施工實施方案的討論，制定了相應(yīng)的維修更換施工方案，嚴(yán)格把控更換過程中的每一處細(xì)節(jié)。截至目前，更換過的玻璃未再次發(fā)生破損的情況，有效地降低幕墻玻璃破損的概率。

5 結(jié)語

從2018年開始針對北京某科研單位試驗樓幕墻玻璃破損情況實施一系列改善措施以來，均未發(fā)現(xiàn)有再次破損的情況發(fā)生。截至2020年7月底，幕墻玻璃只破損了3塊，防范措施的實施取得了很好的效果。所有防范措施的實施針對的維修范圍只是此試驗樓的維修，但也是經(jīng)歷了摸索和實踐，在逐步完善過程中使之得到有效實施。防范措施的實施不僅能夠改善建筑物的使用環(huán)境，同時，還強化了維修過程中的施工步驟，使之程序化、規(guī)范化，降低維修更換后幕墻玻璃的破損率，減少因幕墻玻璃破損帶來的安全隱患。

【參考文獻】

【1】王君.論玻璃幕墻破損原因分析[J].科學(xué)之友，2010（09）：1-2.

【2】佟渤.幕墻玻璃破裂的原因及預(yù)防措施[J].上海建筑科技，2011（2）：68-69.

【3】胡濟麟.淺談幕墻玻璃破裂的原因[J].城市建設(shè)理論研究：電子版，2014（24）：1294.

【4】蕭愉，朱齊飛，盧少龍.幕墻玻璃破損概率的估算探討[J].上海建材，2015（04）：27-31.

【5】韓兵康，張嫣姹.某高層建筑幕墻玻璃破壞原因分析[J].結(jié)構(gòu)工程師，2011（3）：51-56.