許曙光 王文歡 王紅宇

(廣州安德信幕墻有限公司)

建筑幕墻的雛形誕生在19 世紀中期。1851 年，萬國工業(yè)博覽會于英國倫敦舉辦，而為博覽會建造的“水晶宮”，則成為了世界上最早的用玻璃和金屬建造而成的建筑，但彼時的“水晶宮”，還僅僅是現(xiàn)代幕墻建筑的前身之一。到20世紀初，現(xiàn)代主義大師康定斯基基于提升文化審美的需求，提出了“玻璃界域”概念，即用玻璃擴大建筑空間界域，營造無阻擋感。他的理論對建筑設計行業(yè)產(chǎn)生了深遠的影響。1917 年，歷史上首個玻璃幕墻建筑在美國建成：位于舊金山的哈里德大廈。盡管當時的技術與今天常見的現(xiàn)代幕墻玻璃技術有差距，哈里德大廈仍然標志著建筑幕墻的發(fā)展往前邁出了一大步。直到1952 年美國利華大廈的誕生，真正意義上的現(xiàn)代玻璃幕墻才正式問世。此后，大開間、透明、整潔美觀的玻璃幕墻迅速征服了世界大大小小城市的人們，玻璃幕墻開始被大規(guī)模用作各類建筑外裝飾、圍護結構，建筑幕墻時代拉開帷幕。20 世紀末，基于工程技術的發(fā)展和玻璃生產(chǎn)、加工工藝的進步，玻璃幕墻在建筑行業(yè)應用得更加廣泛。隨著40 多年來改革開放不斷深入，我國經(jīng)濟實力不斷增強、城市化進程不斷推進，建筑幕墻行業(yè)從無到有：從前外資一統(tǒng)天下，現(xiàn)今國內(nèi)企業(yè)主導；從前模仿引進，現(xiàn)今自主創(chuàng)新，實現(xiàn)了跨越式發(fā)展[1]。建筑幕墻與傳統(tǒng)墻體相比，具有輕質、高性能、豐富的表現(xiàn)力等優(yōu)點[2]，使其成為現(xiàn)代城市建筑的標配，據(jù)統(tǒng)計，截止至2010 年，中國已建成的玻璃幕墻面積達8×108m2，超過世界總量的90%[3]。本世紀初，中國已經(jīng)超越歐美日，成為世界建筑幕墻生產(chǎn)和存量第一大國[4-5]。

從2006 年至今，住房和城鄉(xiāng)建設部、國家安監(jiān)管理總局發(fā)布了系列文件，包括《關于進一步加強玻璃幕墻安全防護工作的通知》《既有建筑幕墻安全維護管理辦法》和《全國既有幕墻排查通知》等，對“加強玻璃幕墻安全防護工作，保護人民生命和財產(chǎn)安全，充分認識玻璃幕墻安全防護工作的重要性，進一步強化新建玻璃幕墻安全防護措施，嚴格落實既有玻璃幕墻安全維護各方責任，切實加強玻璃幕墻安全防護監(jiān)管工作[6]”提出了具體要求和工作原則。

各地住建相關單位也陸續(xù)制定發(fā)布建筑幕墻安全評估、檢測、鑒定的規(guī)范標準、管理辦法等法規(guī)文件[7-8]，明確了實施既有幕墻安全監(jiān)管的部門及職責，使得政府對幕墻安全的監(jiān)管工作常態(tài)化制度化。相關部門對既有幕墻安全監(jiān)管能有法可依、依法行政，取得了良好的效果。

目前，國內(nèi)對于幕墻健康及安全狀態(tài)的評價，主要采用定期檢查的方式。由于評估周期不能準確對應幕墻出現(xiàn)狀況的時間和評價技術尚不夠先進，定期檢查的結論不能及時或實時反映幕墻的運行狀態(tài)，總滯后于實際情況[9]。如何對幕墻工作狀態(tài)實時監(jiān)控，提供有效全面的安全預警，正被眾多高校、企業(yè)和研究機構列為重點研究課題。

1.幕墻安全隱患分類及失效形式

幕墻體系通常由幕墻面板系統(tǒng)、連接錨固系統(tǒng)、幕墻支撐系統(tǒng)、膠粘密封材料、功能五金系統(tǒng)組成。上述五大系統(tǒng)中的安全隱患均會導致幕墻體系險情的發(fā)生。

1.1 建筑幕墻產(chǎn)生安全隱患主要原因

建筑幕墻產(chǎn)生安全隱患主要原因可分為材料失效、結構失效和功能失效三大類。其中，材料失效指構建整個幕墻系統(tǒng)所選用的建筑材料物理性能或化學性能的變化而導致建筑幕墻外觀質量、支承結構和使用功能的質量的降低。如膠條、結構膠、密封膠老化，玻璃、石材面板的破損，金屬連接件、五金件的腐蝕、疲勞等。結構失效指由于幕墻結構構件的異常變形、偏移、扭曲、開裂、損傷或過載而產(chǎn)生的結構性缺陷。如龍骨變形異常、拉索等預應力構件的異常松弛或張緊，玻璃肋開裂、鋼結構異常變形，連接件五金件連接松脫等。功能失效指由于材料失效或結構缺陷而引起的幕墻性能的降低及使用性障礙。如滲漏、保溫隔聲性能下降，開啟扇、門不能正常關閉開啟，防火構造缺失等。

1.2 失效的表現(xiàn)形式

幕墻失效主要有五種表現(xiàn)形式：（1）位置的變化，指構成幕墻的部件、構件、板塊發(fā)生位移、撓曲變形、相對位置的改變、角度的改變等；（2）外觀的改變，如幕墻板塊面板平整度的變化、形狀的變化、玻璃透明度、顏色的變化、金屬表面有腐蝕、老化導致的粗糙度的變化；（3）性能的變化，指膠條、密封膠彈性降低，把手、鎖具、鉸鏈合頁等卡頓等，以及螺栓、螺絲、錨栓的承載力降低；（4）內(nèi)力的變化；玻璃內(nèi)部產(chǎn)生應力的原因有很多，如玻璃邊緣的加工缺陷，玻璃內(nèi)部氣泡、缺口以及玻璃受熱不均勻，這些現(xiàn)象產(chǎn)生的內(nèi)力均會導致玻璃開裂。在玻璃服役過程中，若不能及時發(fā)現(xiàn)破損情況和更換，裂紋不斷發(fā)展，則最終造成玻璃破碎[10]。此外，還有拉索預應力的變化；（5）物理特性的變化，如力學特性、聲學特性、電阻、熱工性能，溫度、濕度的變化等。

2.幕墻多發(fā)安全事故類型及成因

幕墻常見安全事故可列為如下幾種：（1）面板墜落，包括玻璃、金屬面板、石材、陶板以及其他非金屬板的墜落。面板與鋁合金龍骨框架、鋼柱、夾具等支承結構間通常采用螺栓、螺釘類緊固件或結構粘接等方式連接組裝，面板將風、自重、地震等荷載力傳遞給支撐系統(tǒng)。當緊固件或結構粘結材料出現(xiàn)腐蝕、松動、老化、斷裂喪失緊固功能后，面板在自重、風等外力作用下發(fā)生墜落。早期的表現(xiàn)通常表現(xiàn)為面板與支撐系統(tǒng)間裝配位置關系發(fā)生異常變化；（2）支承結構垮塌，幕墻的支承體系如鋁合金龍骨、鋼結構、拉索拉桿預應力結構等發(fā)生破壞引起幕墻系統(tǒng)的崩潰垮塌。此類事故尤其以全玻幕墻垮塌的后果最為嚴重。引起垮塌的主要原因可分為支承結構破壞和連接構造破壞兩種類型。支承結構破壞指支承結構的桿件變形或受力超出其承載能力。連接構造破壞指預埋件銹蝕、焊縫開裂、錨栓拔出、螺栓銹蝕、斷裂等導致的構造承載能力不能滿足使用需求；（3）組件構件墜落，指開啟扇、門扇等功能組件、幕墻板塊墜落、裝飾線、遮陽板等外部構件墜落等。開啟扇作為幕墻重要的功能組件之一，出現(xiàn)的安全事故包括玻璃面板墜落和組件整體墜落兩類。而開啟扇鎖閉機構五金安裝和使用不當，以及鎖點不能閉合是導致開啟扇組件被風吹開發(fā)生墜落的重要原因。門扇等功能組件、幕墻板塊墜落、裝飾線、遮陽板等外部構件墜落的主要原因與面板類似；（4）玻璃爆裂墜落，鋼化玻璃爆裂墜落俗稱玻璃雨，是最常見也是目前發(fā)生幾率最高的幕墻安全事故之一，除玻璃本身的質量因素導致的自爆，裝配質量、環(huán)境因素、玻璃面板固定約束方式等也會引發(fā)玻璃爆裂墜落。無論是哪一種情況，都可以歸結為玻璃受力不均衡造成的局部應力超過玻璃破壞限值導致玻璃破裂而墜落；（5）滲漏以及材料腐蝕，滲漏現(xiàn)象是幕墻最常見的質量或維護問題之一，雖然不屬于安全事故，但由于滲漏導致隱蔽部位、連接構造等關鍵點材料腐蝕，使得材料機械性能降低，是引發(fā)安全事故的重要誘因。

3.幕墻狀態(tài)的量化評價方法

現(xiàn)代科學技術通常采用傳感器實現(xiàn)將各種變化量轉換為可測量的電信號或信息輸出。傳感器是一種技術十分成熟的測量裝置，借助豐富多樣的各類傳感器，能夠實現(xiàn)對幕墻運行狀態(tài)和變化數(shù)據(jù)的采集和處理。對幕墻失效進行量化評價，是實現(xiàn)幕墻運行實時監(jiān)測及安全評價的基礎。敏感元件和轉換元件為常見的傳感器組成元件，這兩種元件可以獲取信息，對其進行處理，并最終輸出需要被測量的信息[11]，這些信息將進一步服務于人們生活生產(chǎn)上對數(shù)據(jù)的需求。

圖1 傳感器評價的對象

作為實現(xiàn)自動檢測、控制的基礎儀器，傳感器具有幾項顯著的優(yōu)點，分別是網(wǎng)絡化、微型化、數(shù)字化等。傳感器的存在和發(fā)展，讓被測量物的狀態(tài)信息可以為人所獲取，好比有了“觸覺、味覺、嗅覺”等“感官”，能與人“交流”。

根據(jù)傳感器的用途，可以將其應用分為五類[12]：（1）位置感知類，該類傳感器可用于感知可調角度構件的角度和位置，如窗簾、百葉、門、窗、開啟扇的開閉狀態(tài)、開啟的角度。此外還可以獲取支撐系統(tǒng)的形變及位移變化信息，如撓度、間隙的變化；（2）壓力感知類，力敏傳感器能測得拉桿、拉索等受力桿件的內(nèi)力變化，以及風荷載、自重荷載等荷載值；（3）溫濕度感知類，此類傳感器可以感知防火、保溫構件，面板和隱蔽位置等的溫濕度變化，有助于評價各部位的腐蝕和滲漏情況；（4）光學感知類，該類傳感器可以感知光線照射角度的變化、幕墻內(nèi)外自然光和人造光的強度，這些信息將有助于測量和評估玻璃的熱工性能和光學性能。此外，還可以利用激光雷達感知玻璃外部沖擊、表面涂層顏色變化，監(jiān)測高空拋物現(xiàn)象；（5）其他類，如金屬構件腐蝕程度監(jiān)測傳感器，可以識別、監(jiān)測金屬構件銹蝕及其程度。

4.傳統(tǒng)幕墻狀態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)的構成

傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)的構成如圖2 所示。底層傳感器接入數(shù)據(jù)采集箱組成數(shù)據(jù)采集基本模塊，模塊通過有線或無線傳輸網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)傳遞至系統(tǒng)服務器，由中心計算機進行解算分析，計算結果按預設規(guī)則向用戶提供預警、狀態(tài)、指標報告。

圖2 傳統(tǒng)幕墻狀態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)

圖3 自組網(wǎng)節(jié)點

圖4 基于自組網(wǎng)技術的幕墻狀態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)

4.1 幕墻實時監(jiān)測系統(tǒng)功能設置

幕墻實時監(jiān)測系統(tǒng)功能有以下六種：（1）環(huán)境參數(shù)實時顯示，包括不同位置、立面、區(qū)域的溫度、可見光光線強度、紫外線強度、風速風壓，濕度、降雨、氣壓等；（2）開啟部件的實時狀態(tài)，如開啟扇、門、窗等是否開啟或鎖閉，開啟扇開啟角度、是否滲漏等；（3）結構構件受力情況，如拉索拉桿的實時內(nèi)力、撓度等，支撐構件（龍骨等）的應力應變，玻璃、石材、鋁板的應力應變，構件的變位、位移情況等；（4）隱蔽部位的狀態(tài)，包括溫度、濕度、滲漏等；（5）關鍵部位腐蝕程度；（6）預警報警，如幕墻狀態(tài)指標超過預警、報警設定值后多平臺告警。

4.2 傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)的弊端

傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)采用系統(tǒng)集成技術，中心化管理，這種管理辦法具有以下缺點：首先是系統(tǒng)復雜，設備多，部署受空間限制。如開啟扇、門、窗狀態(tài)系統(tǒng)模塊，面板監(jiān)測系統(tǒng)模塊，環(huán)境監(jiān)測模塊，荷載及應力應變模塊，均需單獨部署所需要的設備和線纜。此外，各大系統(tǒng)下的子系統(tǒng)需依賴于上位計算機系統(tǒng)或中心化系統(tǒng)，才能運行、共用設備或進行信息交互，響應速度慢，很容易出現(xiàn)管控失效的故障。最后，中心化系統(tǒng)的軟件升級、集成均比較困難。不同用途的子系統(tǒng)接口不同，同一個子系統(tǒng)但不同品牌產(chǎn)品的接口亦不相同，均需要升級開發(fā)軟件系統(tǒng)以匹配接口。

5.基于自組網(wǎng)技術的幕墻狀態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)

5.1 自組網(wǎng)技術簡介

自組網(wǎng)技術以廣域物聯(lián)網(wǎng)技術為基礎，以國產(chǎn)自主的超低功耗物聯(lián)網(wǎng)芯片為核心，是世界領先的物聯(lián)網(wǎng)技術系統(tǒng)[13]，能夠實現(xiàn)智能自組網(wǎng)、分布計算、實時定位、射頻識別等功能，具有容量大、距離遠、速度快、功耗低等優(yōu)點。

5.2 自組網(wǎng)技術的優(yōu)勢

自組網(wǎng)技術主要的優(yōu)勢如下所述：（1）采用無線控制，因此無需布線施工，不受線纜羈絆；（2）采用網(wǎng)格拓撲，自由組網(wǎng)，可隨意添加和移除節(jié)點，因此各業(yè)務功能模塊與各數(shù)據(jù)模塊實現(xiàn)便捷互通，提升了共享數(shù)據(jù)和組合業(yè)務功能的靈活度；（3）系統(tǒng)為完全分布式，實現(xiàn)了去中心化運行[14]；（4）聯(lián)動管控建筑設備設施及多設備協(xié)作處理，可以同時實現(xiàn)幕墻狀態(tài)實時監(jiān)測、智能照明、室內(nèi)外高精度定位、智能安保、樓宇智控等多種用途，一張網(wǎng)勾連萬物，整體應用成本極大降低；（5）自組網(wǎng)不依賴于IP 網(wǎng)絡獨立運行，不依賴樓宇有線及無線網(wǎng)絡獨立組網(wǎng)，單個網(wǎng)關可接入超過約7萬個節(jié)點。

5.3 基于自組網(wǎng)技術的幕墻狀態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)的構成

分布于幕墻各系統(tǒng)的專用自組網(wǎng)傳感器構成網(wǎng)格化網(wǎng)絡，傳感器之間自動智能互聯(lián)組網(wǎng)，使得幕墻安全實時監(jiān)測傳感系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸不再依賴樓宇的網(wǎng)絡系統(tǒng)。超低功耗技術也不再需要設置專門的供電線路，傳感器可實現(xiàn)小型微型化，大大簡化傳感器和感知系統(tǒng)的布置。

板載計算單元（MCU）對數(shù)據(jù)進行運算分析篩選，過濾無效或正常狀態(tài)數(shù)據(jù)信息，大大降低傳輸數(shù)據(jù)量。篩選后數(shù)據(jù)經(jīng)網(wǎng)關接入管理服務器，管理系統(tǒng)按照幕墻安全評價算法對數(shù)據(jù)進行評估，實時提供幕墻系統(tǒng)的運行狀態(tài)報告。由服務器接入公共網(wǎng)絡或發(fā)送給用戶。

傳感器自組物聯(lián)網(wǎng)絡可以在任意節(jié)點設置專用網(wǎng)關接入樓宇有線網(wǎng)絡，也可使用5G 技術將數(shù)據(jù)傳輸至遠程。樓宇的其他設備狀態(tài)也可采用本技術接入自組物聯(lián)網(wǎng)絡。

網(wǎng)格化幕墻自組網(wǎng)絡提供高精度實時定位功能，能夠對物管、安保人員、設備位置實時定位，實現(xiàn)可視化巡更管理。

6.結語

幕墻安全是城市安全中重要的構成要素，幕墻系統(tǒng)涉及結構、材料、機械、環(huán)境等專業(yè)，建立幕墻狀態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)，積累幕墻動態(tài)運行數(shù)據(jù)，研究幕墻安全核心算法，對提高幕墻安全管理水平，完善玻璃幕墻監(jiān)測檢測技術，提高幕墻設計施工水平，能夠提供強有力支撐。城市安全需要各界有識之士共同努力。