既有玻璃幕墻安全性評價方法與防治措施探討

吳新光

（深圳市方大建科集團有限公司，廣東 深圳 518057）

1 引言

由于具備施工簡便、美觀、采光性能好等優點，玻璃幕墻自上世紀80年代開始逐漸迅速發展，直至在90年代達到高峰期。目前國內已建成的各種式樣的玻璃幕墻超過2億m2，占全世界的85%[1]。但是早期缺少具體的施工標準和規范，以及施工質量不高、監管不力等原因，隨著使用年限的增長既有玻璃幕墻逐漸出現去各種安全隱患，引發的安全事故越來越頻繁。例如：上海市有超過50個竣工的玻璃幕墻在使用過程中出現玻璃破碎情況；廣州、深圳、福州等地也相繼出玻璃下墜傷人事故及開啟窗脫落下墜現象。這些事故主要由構造設置的不合理、選用非安全玻璃、鋼化玻璃自爆、施工不規范、材料供貨質量等原因引起。

針對既有玻璃幕墻破壞引起的安全事故，國內專家學者開始越來越重視玻璃幕墻的安全性現狀，并開展了較多的研究。張元發、陸津龍統計分析了玻璃幕墻的現狀，并采用現場檢測評估技術，對既有玻璃幕墻進行現場試驗、檢測、分析，綜合評價了玻璃幕墻的安全性能及影響因素[2]。徐琳、梅錦輝等[3，4]詳細的分析了幕墻的施工工藝并總結了提高幕墻質量的措施及對策。吳懿[5]利用現場粘結強度測試的方法，檢測了硅酮結構膠的強度和拉伸率等，為幕墻的檢測提供寶貴經驗。

上述研究主要集中于從施工角度對既有幕墻存在質量提出的要求，而對既有幕墻的安全性能評價均未涉及到。趙鳴等[6]采用模糊綜合評判方法對既有玻璃幕墻的安全性能和檢測進行研究。且絕大多數既有玻璃幕墻的安全性的研究集中于2005年頒發的玻璃幕墻安全性能檢測評估技術規程。本文作者結合大量玻璃幕墻項目檢查檢測的數據結果，提出一種簡便的安全性評價方法對既有玻璃幕墻的安全性能影響因素進行評價，同時針對影響幕墻安全性能的主要因素，提出相應的切實有效的旨在提高幕墻結構安全質量及使用功能的措施，便于進行維修與加固。

2 既有玻璃幕墻安全性評價方法

影響玻璃幕墻的安全性能的影響因素較多，根據已有的工程資料以及相關文獻，同時考慮到其科學性和層次性，將玻璃幕墻的安全性能體系按照其影響因素可劃分為以下幾部分：

圖1 既有玻璃幕墻安全性能體系層次圖

2.1 評價模型

既有玻璃幕墻安全性能的評價模型是一個涵蓋不同指標、不同層次的綜合評價體系，可以通過選用綜合評價指數來進行計算（如式1）：

式中，P為既有玻璃幕墻安全性能的綜合評價指數，指數越小意味著既有幕墻安全性能降低越嚴重；為評價指標的權重，根據已有大量工程經驗總結得出（表1列出）；為各因素的權重（見表2）；為各因素指標評分值，根據多位經驗豐富的工程師分別評分（完好4分、基本完好3分、一般損壞2分、嚴重損壞1分），然后取平均值。

表1 評價指標權重

表2 影響因素權重

2.2 評價等級

根據有關資料和現行規范，將玻璃幕墻的安全性能分成4個等級：安全性能基本符合要求，不影響幕墻的正常使用；安全性能輕微降低，但不影響幕墻的正常使用；安全性能降低較大，顯著影響幕墻正常使用；安全性能嚴重下降且不符合要求，嚴重影響幕墻正常使用。表3列出詳細評價等級。

表3 玻璃幕墻安全性能評價等級

3 工程實例應用

某民政局辦公大樓平面大致成矩形，西北角成圓弧形，為主出入口。建筑平面東西長約44.9米，南北向長度約20.3米。大樓含裙樓5層，主樓19層，塔樓2層，裙樓層高5.0米。6樓層高為3.5米，7-18層為標準層，層高為3.1米。塔樓位于19層天臺西側共兩層，層高3.8米。幕墻工程位于大樓外墻北立面，首層、二層為落地玻璃，門廳上方直至主樓頂端的圓弧部分，為弧形隱框玻璃幕墻。北立面及西立面為玻璃及復合鋁板復合幕墻。建筑物東立面及南立面、外墻形式為鋁合金推拉窗加條形貼面磚（如圖2所示）。玻璃幕墻總面積為4500平方米。擬采用上述安全性能評價方法來進行安全評估。

3.1 因素指標評分

3.1.1 鋁材鋼材質量安全

表4 鋁型材表面鍍膜層厚度測量結果（um）

對既有幕墻所使用的鋁型材及鋼材的表面質量、腐蝕、斑跡以及內壁和節點進行檢查。鋁材表面20處取樣點檢測結果表明（表4所示），氧化膜厚度達到AA15級標準，表面質量良好。鏡下所見，鋁材未發現腐蝕現象，表面干燥、光潔如新，無水漬痕跡，表明鋁型材狀態良好，無損傷滲水現象，如圖3所示，評為3分。

圖2 辦公大樓玻璃幕墻：a）西立面復合幕墻，b）東立面鋁合金門窗，c）裙樓部分，d）塔樓部分

圖3 鋁材檢測內壁圖

3.1.2 玻璃質量安全

玻璃的材料、加工等均符合規范。但部分玻璃出現破裂現象（南立面4樓門窗玻璃、6樓西北角弧形玻璃），評為2分。

3.1.3 硅酮結構膠質量安全

結構膠和耐候膠為中性硅酮膠，室外檢測外觀質量、注膠施工工藝良好，未發現年潔面油氣泡、脫膠等缺陷。室內檢測與相鄰粘結材料成分相容，鉸縫無滲水、潮濕現象、密封性能良好。耐候膠大部分偏軟發粘，少量部位交替變硬變脆，失去彈性（如表5所示）。部分膠體出現龜裂粉化現象。耐候膠粘結失效，導致室內普遍滲水（如圖示4），立柱、天花板等部位隨處可見水漬，室內滲水現象嚴重。取結構膠的取樣數量為10組，隨機分布，取樣分布于9個樓層。其實驗室檢測結果（拉伸強度、斷裂延伸率、邵氏硬度、質量損失率）表明，結構膠老化程度尚不嚴重（如圖示5）；評為2分。

3.1.4 其他材料質量安全

所有支座以及不銹鋼連接件均狀態良好；評為3分。

圖4 天花板滲水

圖5 密封膠與鋁板脫膠

3.1.5 立柱質量安全

立柱與主體的連接部位表面質量良好，采用非金屬墊片防腐蝕和降噪。立柱與橫梁連接處的連接螺絲光亮如新（如圖示3）。立柱正面壁厚達到4mm，側面壁厚達到2.8mm，橫梁壁厚達到2.7mm，能滿足規范要求；評為4分。

3.1.6 橫梁質量安全

橫梁與立柱的連接質量良好評；3分。

3.1.7 開啟窗

室外觀察開啟窗狀況良好，室內檢查開啟窗可壓緊，無明縫出現，窗框無變形。防水膠條未能形成連續防水構造，膠條老化嚴重，執手損壞嚴重，窗鉸固定螺絲脫落、窗鉸變形普遍、無法有效鎖閉窗扇；評為2分。

3.1.8 防火構造

防火構造基本符合規范要求評；為3分。

3.1.9 開啟窗、密封膠、防墜落措施設計

開啟窗、密封膠、防墜落措施的選材、施工設計均按照規范要求；評為4分。

3.2 綜合評價指數

根據2.1評價模型，可以得出該辦公大樓玻璃幕墻安全性能綜合評價指數為P=2.4x0.5+3.5x0.2+2.4x0.2+4x0.1=2.78，因此其安全性能屬于嚴重影響幕墻正常使用，應采取措施予以加固維修，與最終檢測結論趨于一致。

4 幕墻安全性能主要影響因素分析及其對應措施

針對上述工程實例及大量工程項目以及文獻中影響安全性能的權重大的因素進行分析，并給出相應應對措施及對策，具體如以下所述：

4.1 結構密封膠失效

80年代以來，尤其是隱框玻璃幕墻所用的密封膠均不符合GB16776-2005 《建筑用硅酮結構密封膠》規定，導致幕墻玻璃墜落占幕墻所有質量問題的40%。早期由于缺乏具體的施工標準和規范，導致玻璃幕墻的設計、選材以及施工中的密封膠存在各種質量問題。研究表明[7]，使得密封膠失效的最主要原因是密封膠的老化。在幕墻的使用過程中，密封膠受到環境中光、熱、氧（臭氧）以及各種介質甚至微生物等因素的影響與作用，其粘結性能會逐漸下降，甚至被破壞。當濕度＞95%，溫度高于0℃的環境，會使得密封膠的老化加重。另外，熱老化-熱失重對密封膠的拉伸強度和粘結破壞面積影響最大，鹽霧和建筑物清潔劑對密封膠的彈性模量影響最大，但是對密封膠的變形影響不大。密封膠中的礦物油的揮發使得密封膠變脆、變硬，出現開裂，同時其易于溶解在丁基密封膠中導致中空玻璃流油、出霧、脫粘等現象。對于密封膠的失效可以采取以下措施：有機硅聚合物總量（硅膠+硅油）決定了密封膠的質量和壽命，在密封膠的檢測醒目中增加熱老化和有機硅聚合物總量的檢測，降低密封膠失效概率[8]。核查幕墻粘結現狀、維修、事故玻璃更換記錄，核定結構極限承載。其中以幕墻中空玻璃以及開啟窗粘結結構承載為重點核查項目。加大對幕墻粘結結構對荷載及變位的響應特性，以及對玻璃粘結結構的承載可靠性監測和評定方法的定量化研究[9]。

4.2 開啟窗安全問題

開啟窗的構造設計不當以及使用中的脫落問題及五金配件的不匹配或劣質也是引起幕墻質量的一個重要因素。早期的隱框玻璃幕墻中，存在較多的玻璃下端沒有托塊的不當設計。采用中空玻璃的開啟窗存在密封膠與中空玻璃以及窗框粘結的密封膠位置不重疊問題以及開啟窗開口角度過大。除了不當設計外，開啟窗的整體脫落同樣會引起幕墻質量。采用以下相應措施可以降低開啟窗安全性能問題：開啟窗的面積應該按照合理通光量選取，開啟部分面積不應大于幕墻面積的15%。開啟窗宜采用上懸式結構，以利于通風。開啟窗四周應接縫嚴密確保不滲漏水。

4.3 質量不合格及金屬構件銹蝕

表5 結構膠樣品實驗室檢測結果（啞鈴型試件）

玻璃幕墻中所使用的不符合要求的鋁材、鋼材等框架、玻璃面板以及連接構件也是引起幕墻質量問題的另一個重要因素。采用如下的應對措施可以降低幕墻的安全性能隱患：鋁合金型材應符合《鋁合金建筑型材》標準中規定的高精級。其氧化鍍膜厚度須大于15um（AA15級），滿足規范要求，且鍍膜表面不得出現斑點、條紋等缺陷。劃傷深度＜兩倍膜厚度，劃傷長度＜150mm，傷數＜4。另外還須具有一定的耐腐蝕性能。鋁合金立柱或橫梁的壁厚要大于規范要求的厚度。選取的玻璃試件必須經過國家認定的檢測機構進行氣密性能、水密性能、抗風壓變形性能、平面內變形性能等四項基本性能檢測。玻璃須經過鋼化均質處理；根據規范JGJ102的強制性條款，在人員流動密度大、青少年或幼兒活動的公共場所以及使用中易受撞擊的部位，其玻璃幕墻應采用安全玻璃并進行玻璃的撞擊檢測及專家論證并使用鋼化真空內鍍膜反射玻璃。各種鋼材、緊固件一律熱浸鍍鋅處理，并在焊接后鍍鋅。外露的螺栓選用不銹鋼材質。使用鋅鉻酸鹽或者瀝青漆處理玻璃幕墻與混凝土接觸的鋁表面，并進行良好的水密處理。

5 結論

結合既有玻璃幕墻相關工程資料以及對其進行的相關初步探討，提出基于層次分析方法的既有玻璃幕墻安全性能評價模型，該評價模型具有一定的科學性，并且操作簡單方便；且根據評價結果，可以及時地對既有玻璃幕墻進行加固與維修，保障幕墻結構的安全性與可靠性；針對引起既有玻璃幕墻安全性能的主要因素進行分析，并提出相應的應對措施及對策。