既有建筑玻璃幕墻安全問題及在線檢測技術現狀分析

文 /楊 健 余小寅

既有建筑玻璃幕墻安全問題及在線檢測技術現狀分析

文 /楊 健 余小寅

自20世紀80 年代開始使用以來，玻璃幕墻在我國經過30多年地飛速發展，已經成為使用最廣泛的建筑立面形式之一。然而，隨著建成的玻璃幕墻逐漸達到其設計使用年限，以及建造質量參差不齊，玻璃幕墻失效引起的相關事故頻頻發生。

2011年5月18日12時50分，上海陸家嘴時代金融中心大廈外墻玻璃突然墜落，造成樓下停車場內50多輛車不同程度損傷；當天13時許，上海延安西路昭化東路口一幢高層居民樓的12樓玻璃砸落；同日17時許，上海科恩國際中心大樓也發生了外墻玻璃墜落事件，兩輛途經的機動車被砸中。

我國規范要求玻璃幕墻正常設計使用期為25年，目前已有相當一部分達到了該期限。同時，由于經濟的快速發展與監管的脫節，一些未達到設計使用年限的玻璃幕墻由于質量不達標，也存在一定的安全隱患。因此，建立完善的玻璃幕墻安全管理體系，研發可靠的玻璃幕墻隱患檢測方法勢在必行。

常見玻璃幕墻安全隱患及檢測手段

幕墻鋼化玻璃自爆是玻璃幕墻安全性的一大威脅，也是既有玻璃幕墻檢測中非常重要的一個環節。對于鋼化玻璃的自爆原因，一般認為是在玻璃中產生了局部應力集中，當應力水平超過鋼化玻璃的承載能力時便發生開裂，而由于鋼化玻璃自身存在殘余應力，裂紋迅速開展，使得整塊玻璃破碎。

局部應力集中主要是由玻璃中的雜質造成的，如硫化鎳（NiS）、單質硅（Si）或其他異質相顆粒。導致這種局部應力集中的原因可以分為兩類：一類是異質相顆粒（如硫化鎳）在相變膨脹過程中所產生的應力；另一類是由于異質顆粒（如單質硅等）與玻璃基體的熱膨脹系數不匹配而產生的熱殘余應力。

同時，發生應力集中的位置也對鋼化玻璃是否自爆有重要影響。位于受壓區的NiS膨脹會受到周圍壓應力的抑制，不會導致自爆；而位于受拉區的NiS的膨脹會加劇玻璃拉應力集中，引起微裂紋發展，最終導致玻璃自爆。自爆后，玻璃幕墻面板會暫時保持整體狀態，但如果有突然的荷載作用如大風、人為碰撞等，則會導致其墜落。在工廠內采用熱浸的方式可以篩選出有自爆風險的玻璃，但該方法成本較高，企業較少采用。通過夾膠玻璃的形式可以一定程度上保證鋼化玻璃在自爆后的整體性，目前應用廣泛但需及時更換。

對于鋼化玻璃自爆的檢測手段現已出現不少，包括光彈法和反射法，也有大量的可用于實際工程的在線檢測儀器出現。但總體而言，通過現場檢查的方法成本仍然較高，施工難度大，且鋼化玻璃自爆多發生在玻璃幕墻建成后的2—3年。相較于自爆源的檢查，玻璃集中應力狀態的檢查更具有直接性。

玻璃幕墻體系的有效使用年限通常認為是25年左右，而結構膠的有效使用年限為10年左右。結構膠的失效會導致幕墻玻璃的整體脫落，其破壞性遠超過玻璃面板自爆。

玻璃幕墻結構膠失效主要表現為：結構膠脫膠、斷膠、開裂、粉化、硬化等。造成這些失效現象的主要原因包括材料性能不合格、施工工序不規范、施工質量不合格、材料的自然老化等。當局部區域的密封膠失效后，由于應力集中，會使得失效范圍逐漸擴散，最終造成玻璃面板的脫落。如果在發生整體脫落前發現結構膠的失效部分并進行修復，便能夠有效地避免整體脫落的發生。幕墻結構膠的檢測仍然處于起步階段，主要檢測手段是依靠經驗的表觀檢查和觸碰檢查。

鋼索廣泛應用于玻璃幕墻領域，其具體形式有單索、索網、自平衡索桁架、全張拉體系等。通常，需要在施工中對索施加一定的預應力以保證結構體系的穩定性。但隨著時間的推移，由于索自身的應力松弛和錨頭滑移等因素，導致索力損失，輕則導致幕墻位移過大，重則使幕墻結構體系整體失效。

索力檢測已有較為成熟的檢測設備體系。其中，以分力測力法的索力儀最為常見。不同公司的產品在外觀尺寸、量程、精度等參數上略有差別，滿足一般玻璃幕墻索桁架的測量需要。對于直徑較大的索，電磁感應電流法能夠滿足懸索橋等大型索結構的索力測量要求。

除索以外，拉桿桁架等結構構件的安全檢測也十分必要。這類構件的檢測原理與鋼結構基本相同，特別要考慮鋼材的銹蝕問題。

玻璃幕墻安全調研

為調查既有建筑玻璃幕墻的安全狀況，筆者調研走訪了某幕墻維保公司的6個較大項目，發現比較常見的玻璃幕墻問題有：鋼化玻璃自爆、中空玻璃霧化、幕墻密封膠失效、門窗五金件老化等。其中以中空玻璃霧化和門窗五金件老化問題最為嚴重。

經與公司技術人員交流，對于既有建筑玻璃幕墻，目前最常用的檢測手段仍然是表觀的目測、手指觸碰等經驗方法。對于鋼化玻璃自爆源檢測儀、幕墻模態分析儀、內窺鏡、硬度計等檢測儀器的使用，仍然停留在宣傳層面。除安全風險外，玻璃幕墻還存在著使用功能的失效問題，如漏水、中空玻璃霧化等，漏水問題主要通過雨天的檢查。

關于既有幕墻檢測與維保行業狀況，有以下認識：

?市場需求巨大，特別是隨著幕墻設計使用期限的臨近，既有幕墻的問題日益凸顯；

?重在日常維護，檢查以經驗為主；

?業主不愿選擇全年維保服務，但特別希望突發事故的急救服務；

?維保公司良莠不齊，維修質量難以讓業主滿意；

?相較于儀器的先進性來說，業主更重視維保服務過程中的體驗，特別是服務商對于應急事件的反應速度。

極端天氣下的玻璃幕墻安全

經濟發達的沿海地區頻繁遭受極端天氣襲擾，這類區域的大量高層建筑玻璃幕墻在臺風中往往受損嚴重，造成巨大經濟損失。據統計，在臺風等災害氣候下的損失，常常是由于建筑圍護結構的破壞，風雨進入室內，造成大量室內財產和裝修的破壞所造成。玻璃幕墻在臺風作用下的破壞常常是由風致飛射物造成的。幕墻建筑多集中于人口密集區，而幕墻玻璃脆斷失效特征會導致其破壞具有突發性和快速性，因此臺風風致飛射物沖擊下的幕墻玻璃破壞將帶來巨大的人員安全隱患。玻璃破碎后產生的次生碎片增加了風致飛射物的產生源，對臨近建筑幕墻產生連續性沖擊進而導致其破壞，這樣就形成一種連鎖性的破壞情境，其破壞機理跟單次沖擊造成的破壞有著很大的差異，有必要特別對其帶來的風險進行評估。

臺風約克（Severe Tropical Storm York，國際編號:9915，中國大陸編號:9910）于1999年9月12日，形成于馬尼拉東北430km。隨后，約克向西移動，途徑呂宋島北部，一天后進入中國南海海域，加強成為熱帶風暴。在其不穩定運動期內，約克先北上于9月14日成為強熱帶風暴，接著向西北移動，于當天晚上達到臺風強度。隨后，以20km/h的速度向香港移動，進入珠江口并在珠海附近登陸。

據氣象臺估計，臺風約克對香港造成的經濟損失達幾十億美元。1人死于廣告牌墜落，500余人受傷。總計800塊廣告牌被吹倒，4000棵樹被連根拔起。部分中心商業區遍布玻璃碎片。風速記錄如下：橫瀾島峰值風速65m/s，平均風速42m/s；中環峰值風速45m/s，平均風速21m/s。中環1—2分鐘平均風速達到28m/s-30m/s。圖1、圖2為香港氣象臺發布的臺風約克的移動軌跡。

圖1 臺風約克運動軌跡（1）

圖2臺風約克運動軌跡（2）

香港稅務大樓（Hong Kong Revenue Tower, HKRT）高177米、49層，鄰近維多利亞港及香港會議展覽中心，是港島區的一座政府辦公大樓。臺風約克導致灣仔數幢商業大廈的玻璃幕墻不同程度受損，該樓和入境事務大樓及灣仔政府大樓共有400多塊玻璃破碎，間接導致室內設施損失嚴重。

臺風約克產生了大量的風致飛射物，這些飛射物來源包括廣告牌、樹枝、玻璃碎片、竹質腳手架等。破損的建筑幕墻也產生了大量碎片，經過臺風加速后成為次生風致飛射物，圖3為中環廣場及入境事務大樓破壞情況，圖4為香港稅務大廈東立面破壞情況。

造成臺風中建筑玻璃幕墻大面積破壞的因素有很多，包括玻璃幕墻設計欠考慮、材料質量不達標、玻璃幕墻性能退化、建筑附屬結構不牢靠，等等。

圖3 中環廣場及入境事務大樓玻璃幕墻破壞情況

圖4 香港稅務大廈東立面破壞情況

玻璃幕墻所產生的城市安全問題已經不能忽視，為保證城市的安全有序，不但需要專業技術人員研究有效可靠的檢測監測手段，提供相關的安全保障服務，還需要廣大的業主和用戶重視建筑玻璃幕墻的安全管理，這樣才能讓我們的城市既美觀又安全。

（作者楊健就職于上海交通大學船舶海洋與建筑工程學院、海洋工程國家重點實驗室，作者余小寅就職于上海建材（集團）有限公司產業技術研究院節能環保分院、上海建材集團節能環保科技有限公司。）