抗震設防烈度9度及以上地區的建筑幕墻設計

董 彪

(中國建筑西南設計研究院有限公司，四川成都 610042)

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抗震設防烈度9度及以上地區的建筑幕墻設計

董 彪

(中國建筑西南設計研究院有限公司，四川成都 610042)

針對國內抗震設防烈度9度及以上地區的建筑幕墻設計提出不宜盲目放開抗震設防烈度規范適用范圍的觀點，指出此類地區幕墻發展現狀及未來可能面臨的情況，并對9度及以上地區建筑幕墻設計須重點關注的技術要點、設計方法及措施進行了分析和闡述。

抗震； 9度； 幕墻； 設計

1 建筑幕墻在地震中的表現

我國地震多發，是地震災害最嚴重的國家之一，特點是分布廣、成災比例高。近代中國的幾次大地震，如唐山地震、汶川地震、玉樹地震、蘆山地震等，都給人民生命及財產造成了嚴重的損失。在這些生命及財產損失中，因建筑物倒塌、破壞、墜落等造成的損害占了很大的比例。因此建筑房屋抗震設計的重要性越來越受到國家、社會及行業的重視，在房屋抗震性能及措施的研究、抗震規范的完善與修訂等方面也取得了重大的進步。

建筑幕墻在我國應用與實踐已經有30多年的時間。作為現代城市建筑的標志性外裝形式，幕墻已經廣泛地應用在建筑工程中，且技術發展很快。我國已經成為世界第一的建筑幕墻使用大國。在現行頒布的幕墻相關國家規范、標準中，玻璃幕墻、石材幕墻、采光頂等幕墻形式的抗震設防烈度的適用范圍均是不大于8度。

從2008年汶川地震及以后的幾次地震進行分析來看，地震以后，玻璃幕墻、鋁板幕墻、石材幕墻的完整度非常好，一般只有個別局部破損，在主體結構沒有倒塌的情況下，幕墻整體垮塌現象極其罕見。地震后經過調研，幕墻行業內部認為，現有的幕墻設計方法及構造具備了優良的抗震性能，在高抗震設防烈度地區，幕墻的結構抗震性能完全可以滿足幕墻本身的安全要求。所以一種觀點開始在建筑行業內頻繁出現，那就是幕墻相關的國家規范和標準應該把幕墻的抗震設防烈度適用范圍提高到9度及以上地區。但筆者認為，對抗震設防烈度9度及以上地區幕墻使用的必要性、設計方法、計算分析及構造設計，須進一步研究和探討。盲目放開抗震設防烈度適用范圍的做法不可取，是盲目樂觀的表現，具有很大的隱患，甚至是危險的，須幕墻行業從業者慎重對待。

2 在當前情況下，幕墻相關規范不應該放開抗震設防烈度9度及以上地區使用幕墻的限制

為什么不應該放開抗震設防烈度9度及以上地區使用幕墻的限制呢？我們首先要問：放開的目的及意義是什么、在抗震設防烈度9度及以上地區使用幕墻是否具備了理論及實踐的基礎、是否全面考慮了由此所帶來的后果、制定政策時是否把人民生命財產的安全放到第一位，這些都需要建筑行業從業者慎重思考。

2.1 區域分析

GB 50011-2010《建筑抗震設計規范》規定，我國“抗震設防烈度不低于9度，設計基本地震加速度不下于0.4g”的地區，包括：四川省康定、西昌；云南省尋甸、昆明(東川)、瀾滄；西藏自治區當雄、墨脫；甘肅省古浪；新疆維吾爾自治區烏恰、塔什庫爾干；臺灣臺中、苗栗、云林、嘉義、花蓮。

從以上地區可以看出，絕大部分地區處于邊遠地區、經濟發展相對滯后、建筑市場相對不發達，以前建筑幕墻在這些地區應用較少。僅從汶川地震現場勘查來看，也可發現在汶川及周邊地區幕墻也只是在建筑局部使用情況較多，大面積采用情況較少。那么幕墻在9度及以上地區建筑物上使用的可靠經驗也就談不上有多豐富，僅從這些少量的應用案例，就斷定幕墻在高抗震設防烈度地區能夠安全使用，未免有些武斷。

2.2 規范規定分析

從《建筑抗震設計規范》中有關我國主要城鎮抗震設防烈度的規定可以看出，沒有抗震設防烈度9度這個概念，只有“不低于9度”。就是說在設計這些地區建筑物時，9度的抗震設防只是最低標準，只按9度的抗震設防來設計是不能保證建筑物安全的。行業內的很多設計思維恰恰忽略了此概念，往往只以9度抗震設防的參數進行計算分析，這種做法從根本上是錯誤的，是不能在技術源頭上解決抗震設防烈度9度及以上地區幕墻使用的安全的，會帶來極大的安全隱患。

2.3 未來發展分析

《建筑抗震設計規范》規定的“抗震設防烈度不低于9度”的絕大部分地區以前經濟不發達，建筑業關注較少。但隨著社會的發展，人們生活意識的改變，有一個因素使這種情況產生了翻天覆地的變化，那就是旅游業。這些地區雖然偏遠，但恰恰風景優美、氣候宜人，是現代都市人度假的好場所。就以四川省西昌市為例，近些年，來西昌度假的人群趨之若鶩，年年假期西昌人滿為患。這就催生了度假酒店、旅游設施、療養場所的快速建設。因為旅游的發展還帶動了金融服務、行政辦公、商務接待等相關建筑的建設。而現代建筑幕墻獨有的魅力，使項目建設方、建筑師會優先考慮在建筑上使用幕墻來實現建筑效果和提高建筑檔次的定位，因此今后建筑幕墻在抗震設防烈度不低于9度的地區的使用將不再是個案，會迅速發展。

2.4 地震危害分析

有些幕墻從業者關于幕墻在地震中的危害還有一個誤區，認為在大地震情況下，幕墻主支承系統不脫落就是保證了安全，這種思想從建筑安全角度來看也是錯誤的。因為建筑幕墻所使用的玻璃、石材等面材，都是脆性材料。在發生大地震的情況下，主體結構變形會非常大，有可能會發生嚴重破壞。脆性的幕墻面材在復雜作用力的影響下，會不同程度發生破壞。當尖銳的破碎飛濺物向馬路及周邊傾瀉時，會對周邊的人民群眾的生命和財產造成嚴重威脅。極端情況下會影響逃生通道，從而造成更嚴重后果。特別是周邊建筑都是玻璃或石材幕墻等脆性材料的情況下，大地震發生時，即使沒有出現房屋倒塌的情況，幕墻的碎片也會對室內外的人群造成致命的傷害，這也是不可接受的。

2.5 后果分析

隨著經濟的發展，城市建設及規劃的需要，幕墻在高抗震設防烈度地區的使用迅速增多。僅從西昌地區來看，筆者參與審查的超限設計幕墻工程，在2012～2014年3年間，合計12項工程，而2015年，達到了13項，2016年前6個月已經有8項。而且幕墻使用范圍也發生了變化，以前幕墻在西昌地區工程項目上僅是局部、小范圍的采用，而近兩年建筑外表皮全部采用幕墻的建筑工程也開始出現了。幕墻在抗震設防烈度9度及以上地區的使用正迅猛的發展，必須認識到局面的嚴重性及緊迫感。正因為這些可以預見的未來，在沒有充分的實踐經驗、完善的設計方法、完備的施工技術保障措施之前，堅決不能放開幕墻相關規范關于抗震設計適用范圍的限制。否則缺少了規范的限制，也就缺少了有效的專門研究和監督。在利益的驅使下，必要或不必要的幕墻項目將在這些地區會大量的涌現。且由于地區偏遠，設計施工水平不能充分保障，有效的監督又不能實施的情況下，帶來的社會安全隱患將是災難性的。

通過以上分析可以看出，放寬在抗震設防烈度不低于9度地區的幕墻使用限制，在現有的實際條件下，是冒險行為，無實際意義，也無必要。因此建議行業相關研究部門謹慎對待。

3 因需要，在抗震設防烈度不低于9度地區使用幕墻時，設計需注意的要點

3.1 建筑工程采用幕墻的必要性問題

在高抗震設防烈度地區的一些建筑有無必要一定要使用幕墻呢？這就牽涉到項目論證中的必要性問題。有些幕墻設計師往往會說，是否使用幕墻是業主、建筑師定的，我們只是把幕墻設計出來。這就道出了管理中的一個問題：在高抗震設防烈度地區幕墻的使用必要性和可行性需在哪一個設計階段引起重視并確定？現實情況是：幕墻的使用在前期規劃、建筑設計階段很少有人重視，往往直到幕墻設計階段才暴露出來，甚至有些建筑結構的主體都施工了，才想起幕墻設計來。就是使幕墻是否使用及怎么使用問題變得選項較少，在工程中后期來變更外裝飾形式，所產生的影響及成本較大，各方都不易承受。所以說傳統的事后管理，不利于管理的有效性及規范性。因此從設計角度考慮，至少應在建筑初步設計階段，提前將幕墻在項目上使用的必要性做出論證，做到事前管理，才能解決根本性問題。

3.2 荷載取值及作用效應組合問題

《建筑抗震設計規范》第5.4.1條有這樣一個規定：“結構構件的地震作用效應和其他荷載效應的基本組合……ψw——風荷載組合值系數，一般結構取0.0，風荷載起控制作用的建筑應采用0.2。”。因此幕墻行業內出現了一種思路：在風荷載起控制作用的幕墻設計里，地震作用不參與組合；而在抗震設計時，風荷載組合值系數以上述條款為依據取0.2即可。這種幕墻設計荷載組合的設計方法可以說根本上改變傳統的幕墻設計計算荷載取值方式，會在一定程度上減小了幕墻設計時的荷載組合值，弱化了抗震設計在幕墻設計中的重要性。先不論這種荷載組合方法是否科學，是否能充分保證地震中幕墻結構的安全，但筆者認為這種荷載組合的設計方法在高抗震設防烈度地區是不適宜的。

幕墻設計與主體結構設計是不同的。《建筑抗震設計規范》更關注于主體結構的設計與安全。由于主體結構的質量很大，在地震設計情況下所產生的破壞力是非常巨大的，因此風荷載的重要性就沒有地震力嚴重，往往不起控制作用。但幕墻的特點與主體結構完全不一樣。一般情況下幕墻的質量相對較小，地震作用常常不起控制作用，且幕墻是建筑物首先承受風荷載的構件，因此風荷載的破壞情況及程度會更加突出，所以幕墻設計更重視風荷載對幕墻結構的影響，風荷載作用在幕墻抗震設計中不應該被弱化。

一般情況下，地震發生前后及余震過程中常伴隨大風降雨天氣，不能排除地震作用與風荷載作用同時發生的情況。若生硬性為符合《建筑抗震設計規范》中的內容，在抗震設計情況下大幅度減弱風荷載對幕墻的影響，筆者覺得荷載組合值偏小，在高抗震設防烈度地區是不安全的，不利于建筑在地震周期內的安全，極可能造成二次災害的發生。且抗震設防9度及以上地區的幕墻結構分析往往采用烈度9度的相關數據，本身標準就很低，再將風荷載的組合系數降低，建筑的安全保障能力就更不足了。

所以筆者認為，在抗震設防烈度9度及以上地區，抗震設計時，風荷載作為第二可變荷載，組合值系數采用《建筑結構荷載規范》規定的0.6為宜。

3.3 建筑體型是否有利于抗震，及其對建筑的影響

在現代建筑設計中，很多建筑師喜歡用曲線、凹凸、懸挑來表現自己作品的特色及達到新穎的目的。但建筑體型是否有利于抗震一般會有以下三個原則。

(1)建筑平面外形規則，無過大凹進凸出部位。

(2)建筑立面平整規則，無立面收進，突出部位。

(3)建筑功能分區劃分規則，使結構構件布置規則對稱，荷載均勻對稱。

以上三原則主要考慮的是建筑物在受地震作用時，無明顯受力集中及薄弱點，因為一般構件的受力破壞是先從薄弱點破壞。因此在高抗震設防烈度地區的建筑設計，應要求遵循以上原則。同時，建筑表皮的造型直接受到建筑體型的影響，因此表皮的設計也應符合以上三個原則。在安全面前，一切花哨的概念都不能作為必要存在的理由。

3.4 主體結構設計是否為幕墻構造提供了充分的支承

從國內的建筑設計、結構設計、幕墻設計三者之間的關系來看，很多建筑的設計過程，往往是建筑、結構設計完成后，幕墻設計才介入，有的甚至是主體結構都已經施工的情況下，幕墻設計才介入。而絕大多數建筑師、結構師對幕墻構造、作用原理不甚理解。這就造成了原有的結構設計是否能滿足幕墻結構所施加的荷載，在一些情況下成為了問題。特別是一些幕墻形式、造型、構造復雜的情況下，例如大跨度、大懸挑的幕墻構造、邊角區、邊棱處的幕墻構造、索幕墻、肋駁接幕墻、出屋面與女兒墻或附加鋼結構連接的幕墻等，在這些部位，結構設計師在設計梁柱時常常考慮不到復雜的狀況，特別是在高抗震設防烈度地區，地震作用對這些幕墻形式、構造也是很敏感的，施加到主體結構的力會超出一些結構設計師的想象。因此主體結構設計是否為幕墻構造提供了充分的支承也是保證建筑安全的重要環節。

3.5 幕墻與主體結構的連接是否使用預埋件

幕墻與主體結構連接使用預埋件已經被建筑行業普遍接受，但還是有些項目由于組織、管理、分工、意識等的原因，在主體施工過程中沒有把幕墻所需的預埋件與主體結構同時施工，這就造成了需要后補埋件。一般來說對于受力結構不復雜、力的大小對主體結構影響不大、施工條件允許的情況下，正確的設計及施工后補埋件并不影響結構安全。但抗震設防烈度9度及以上地區使用后補埋件也會面臨規范適用性的問題。幕墻后補埋件采用的錨固件一般使用后擴底錨栓或化學錨栓，但在《混凝土結構后錨固技術規程》中明確規定了后擴底錨栓和化學錨栓的適用范圍，在抗震設防烈度9度及以上地區是不適用的。因此在高抗震設防烈度地區幕墻埋件須采用預埋件，并能夠落實到施工過程中為宜。若必須采用后補埋件，也應采取必要的安全保障措施。

3.6 幕墻構造本身是否充分考慮了抗震技術措施

幕墻設計關鍵是接縫設計。幕墻構件之間變位能力的實現就是依靠各構件之間的接縫來實現的，而幕墻這種外裝形式之所以具備優良的抗震性能，就是因為幕墻本身的構造具備優良的變位能力。所以在高抗震設防烈度地區的幕墻設計一定對幕墻構造本身的抗震技術進行詳細的分析及論證，可對以下幾點特別關注。

(1)幕墻與主體結構的連接采用的方式，盡量簡化幕墻傳遞給主體結構的反力。

(2)幕墻龍骨材料應選用具備優良彈性性能的材料，同時該材料應在發生塑性變形時，具備一定延展性，并繼續維持一定的強度及剛度，不出現彈塑轉換瞬間斷裂的情況。

(3)幕墻龍骨之間的連接首選螺栓連接，并保持龍骨之間的變形、滑動能力。

(4)幕墻面材與龍骨之間連接應具備一定的彈性，不出現硬碰硬的狀況。

(5)面板連接方式須選用抗震性能優的形式。例如石材幕墻優選背栓連接，盡量不采用短槽連接方式。

(6)幕墻面材優先選用延展性好的材料，不可避免采用脆性材料的情況下，應采取防碎裂墜落措施。

(7)各構件之間連接，特別是依靠材料自重進行掛接的連接形式。例如石材背栓掛件、單元幕墻掛接等，一定要設計并確保實施防脫措施，防幕墻板塊上下、左右滑動而墜落。

3.7 幕墻結構計算是否準確且與實際工程相符

當前幕墻設計行業普遍存在這樣一個設計分工：施工圖設計師只畫圖不計算、結構設計師只計算不畫圖，這種現象在設計與施工一體的企業尤其明顯。設計師的素質及能力直接決定了設計質量，而結構設計師的水平及與施工圖設計師的配合就決定了幕墻的計算分析結果是否與實際工程情況相符。筆者在審查超限設計幕墻工程的過程中，結構計算與施工圖設計不一致，從而產生安全問題的情況非常普遍。因此在高抗震設防烈度地區的幕墻設計尤其要注意這一點。

3.8 豎向地震對幕墻的影響，特別關注雨篷和采光頂的安全

在傳統的幕墻設計中，豎向地震作用往往不參與結構的分析計算，但在高抗震設防烈度地區豎向地震的影響不能忽略。特別是在懸挑結構、水平結構上，例如雨篷、采光頂。在這樣的結構上豎向地震作用會對龍骨系統、連接系統帶來非常大的負擔，所以豎向地震作用應參與荷載組合。

3.9 表皮的復雜程度及材料的多樣性問題，裝飾構件不宜采用脆性材料

現代建筑表皮設計中，往往采用多種材料、多個層次、多變造型等組合結構來實現建筑的創意。幕墻結構及面材的形式更趨多樣化，建筑形體的不規則及變化程度加大。因此幕墻構造體系就往往不是簡單的力學受力模型，附加彎矩、附加扭矩、空間受力、結構失穩等復雜情況都要引起重視。同時新材料在幕墻上使用時，關于材料的特性也應進行詳細研究后，方可實施。不應只追求表面觀感，而盲目將性質不明的產品應用到幕墻上，特別是在高抗震設防烈度這種存在發生劇烈災難隱患的地區。

同樣由于表皮的多樣性，為了體現表皮的新穎及特色，建筑師喜歡在建筑外面增加一些純裝飾構件，而這種裝飾構件往往處于建筑的外沿及遠端、為實現建筑效果連接也會比較輕薄。有些幕墻設計對這些構件的分析不夠重視，因此在地震中受損的危險性會更大，所以在高抗震設防烈度地區應限制采用脆性材料作為裝飾構件，并要求進行必要的分析和驗證其，來保障其使用安全。

4 幕墻在抗震設防烈度不低于9度地區使用，需要提示的其它事項

4.1 管理

行業的自律是企業本身的問題，因此這里所說的管理主要是職能部門的管理。地方建筑主管部門應對本地區抗震設防烈度不低于9度的區域進行重點監控，從設計源頭上及時做好引導、防范、糾正的作用，發揮職能部門統籌安排的優勢。若能夠從規劃開始，直到建筑設計、幕墻設計都能把好關，工程質量及工程安全在項目前段就得到了保障。

4.2 監督

社會、行業、業主、設計、監理、驗收等各個環節都是監督的來源，而抗震設防烈度不低于9度地區的建筑工程質量監督作用更需要各個環節的努力。能否進行有效的監督，必要條件之一是做好這方面的宣傳教育工作，讓各方都能認識到高抗震設防烈度地區建筑安全的重要性，使監督從組織到自覺，才能充分達到監督的目的。

4.3 論證

在幕墻規范抗震適用范圍不放開的情況下，所有抗震設防烈度不低于9度地區的非金屬板幕墻都應進行超限設計專項論證，這是保障設計質量，實現工程安全的必要手段之一。在我國很大部分設計師的幕墻設計水平還處于初級階段，因此超限設計論證不應放松。即使將來在幕墻規范中把抗震適用范圍放寬到抗震設防烈度9度，也應該對抗震設防烈度不低于9度地區的幕墻工程進行超限設計論證。不應該混淆“抗震設防烈度不低于9度”和“抗震設防烈度9度”這兩個不同的概念。

4.4 設計提前

新建、改建建筑幕墻設計原則上應與主體設計同步進行。當建筑幕墻設計非主體結構設計單位進行設計時，業主應采取措施，使建筑幕墻設計應及早介入，并在主體設計的初步設計階段確定幕墻設計方案。應依據國家相關的法律法規和標準規范，加強建筑幕墻方案設計、施工圖設計和施工組織方案的安全技術論證。

5 結束語

地震災害有目共睹，并且教訓深刻，怎么樣預防及減少地震帶來的損失一直是業界研究的重點。從思想上重視，從標準上完善，從技術上保障，從管理上提高，都是保障建筑物在地震中安全的必要條件。我們作為建筑設計工作者，需認真的思考，首先做好我們的本職崗位——設計師該做的必要工作，用技術保障我們的設計作品能在地震中安然度過危機。特別是抗震設防烈度不低于9度地區的建筑物設計，更應足夠重視，科學研究與細致分析。

地震帶來的危害，不能承受之重，謹慎比樂觀更負責任。

[1] 吳智勇.關于四川、成都地區建筑幕墻在“5·12汶川地震”中的情況及其初步分析[M/OL].中國幕墻網 [2008-06-23].http://www.alwindoor.com/info/2008-6-23/10378-1.htm.

董彪(1973～)，男, 滿族，本科，高級工程師。

TU352.11

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[定稿日期]2016-10-30