淺談針對某單位科研試驗樓幕墻玻璃破損機理及防范措施

徐萌新 嚴勇

【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計及有效的破損機理分析和改進實踐，經過了兩年的試用、觀察，有效地降低了幕墻玻璃破損現象的發生概率，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出大規模、高速發展的態勢。玻璃幕墻是由金屬框架構建，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構，由鋼化玻璃組裝而成。全樓總共2954塊玻璃，其中，東側玻璃268塊，南側玻璃1171塊，西側玻璃268塊，北側玻璃1352塊。該試驗樓的玻璃幕墻屬于全隱框幕墻，通過硅酮結構密封膠將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（東側破損1塊，南側破損6塊，西側破損1塊，北側破損3塊），2016年破損18塊（東側破損2塊，南側破損10塊，西側破損2塊，北側破損4塊），2017年破損23塊（東側破損2塊，南側破損15塊，西側破損2塊，北側破損4塊），2018年破損27塊（東側破損2塊，南側破損11塊，北側破損13塊，試驗樓與旁側副樓之間的連廊東側玻璃破損1塊）。2019年破損19塊（東側破損2塊，南側破損13塊，北側破損4塊），2020年上半年破損3塊（南側破損3塊），各年份幕墻玻璃破損情況統計見圖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生。按照樓層及方位劃分統計的情況見圖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生，六層至八層玻璃破損較多，尤其是八層最為突出。根據各層發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越多。

通過圖3可以看出，樓南側和北側玻璃破損的數量較多，這與南北兩側幕墻玻璃的數量較多有關。按照破損比例計算，東側為3.7%，南側為5%，西側為1.9%，北側為2%，全樓的破損率達到了3.4%。

3 幕墻玻璃破損的原因分析

據查閱相關資料及標準，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。這種生產工藝使得玻璃外表面產生壓應力，內層產生張應力，因而具有較好的機械強度，表現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，即自爆現象，由于受到國內生產加工水平的限制，國家規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，試驗過程中產生的機械振動、高低溫試驗與室內外環境溫度產生的反差、地鐵通行時產生的振動等因素，對試驗樓建筑幕墻玻璃破損都會帶來不同程度的影響。

經過上述近幾年幕墻玻璃破損的統計情況，幕墻玻璃破損率（3.4%）已經遠遠超出了國家規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 鋁合金框架結構變形（X1）

因為中空鋼化玻璃是通過硅酮結構密封膠與鋁合金框架粘結在一起，在樓宇發生沉降時，鋁合金框架發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部應力的平衡，引起破損。此情況為玻璃破損因素之一。

3.2 環境振動（X2）

試驗樓廠房開展大功率試驗系統發動機驅動的試驗項目和道路模擬試驗系統試驗過程中均有振動產生，其地理位置位于地鐵的斜上方，地鐵經過時也會產生一定的振動。振動通過地面經鋁合金框架作用于鋼化玻璃上，經過長期振動作用，鋼化玻璃產生疲勞碎裂。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，辦公區域均開啟空調，樓內外溫差較大。同時，樓內開展高低溫試驗時，樓內溫度與外界環境溫度也會產生較大的溫差。這就會致使玻璃沿厚度方向產生不均勻、不對稱溫度梯度，應力增大而趨向自爆，甚至有些會在激冷時產生“風爆”。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的房間，在外界溫差影響及外力影響的情況下，會導致房間內外存在壓力差，進而影響鋼化玻璃內外應力分布，形成自爆。通過破損情況，可以排除因素X4。

3.5 玻璃內部有結石、雜質（X5）

結石、雜質存在于玻璃中，與玻璃體有著不同的膨脹系數，鋼化處理后結石周圍裂紋區域的應力集中會成倍地增加。當結石膨脹系數小于玻璃，結石周圍的切向應力處于受拉狀態，因結石而存在的裂紋擴展極易發生，特別是處在張應力區更易導致炸裂伴隨。此情況為玻璃破損因素之一。

3.6 玻璃中含有硫化鎳結晶物（X6）

硫化鎳在幕墻行業被稱為“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，高溫下的α態體積較小，常溫或低溫的β態體積較大，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致玻璃內部局部應力集中，最終形成自爆。

因硫化鎳結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工藝流程為切片、預處理、印刷、鋼化、包裝，在切片和預處理過程中有可能對鋼化玻璃邊角形成刮痕或損傷，從而導致鋼化后的玻璃應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 內應力過大（X8）

在鋼化玻璃的鋼化過程中，玻璃的內應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，玻璃內外溫差太大，玻璃表面已軟化，中心層還處于固化狀態應力未消除，出爐后玻璃會因中心層張應力過大而碎裂。由于該因素是在加工過程就可能會導致碎裂，且經過近幾年的應用，未發生批次性大量玻璃碎裂問題，因此，可以排除因素X8。

3.9 銳器重擊（X9）

鋼化玻璃雖然具有較強的抗沖擊強度（170MPa），但當銳器重擊的力量超過該強度時，鋼化玻璃將會以重擊點成不規則放射性碎裂，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，都有可能對鋼化玻璃邊角造成磕碰、劃傷，導致應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（X11）

在中空鋼化玻璃安裝過程中，通過硅酮結構密封膠將其與鋁合金框架粘結在一起，若玻璃間的間隙控制不當，在使用過程中環境因素、自然因素影響下，有可能導致玻璃擠壓變形，引起應力分布不均衡而碎裂。根據鋼化玻璃碎裂狀態描述，均為單片玻璃碎裂，若由間隙控制不當應該是內外層均會碎裂，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：鋁合金框架結構變形;環境振動;溫度變化;玻璃內部有結石、雜質;玻璃中含有硫化鎳結晶物;邊部加工缺陷以及安裝間隙控制不當這7種。多種因素致使該試驗樓出現了幕墻玻璃破損情況。

4 幕墻玻璃破損的防范措施

針對該試驗樓已經建設完成的實際情況，通過以上幕墻玻璃破損的機理分析，規范后續維修更換安裝施工的具體細則，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

玻璃在生產制作過程中會出現結石、雜質，甚至是硫化鎳結晶物，這些物質在玻璃內殘留非常容易造成鋼化玻璃的自爆。玻璃在加工切割時產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督管控，從材料的制作方面減少玻璃自爆現象的發生。

4.2 降低建筑物外環境的影響

對于大功率試驗系統發動機驅動試驗和道路模擬系統試驗的試驗地基進行了條件改善，對于高低溫環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。通過對試驗環境的改造，降低試驗振動以及高低溫環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測

市政地鐵已經開通一年多的時間，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測，建筑物沉降現象已微乎其微，對建筑物的整體影響非常小。

4.4 加強室內外溫度變化的適應能力

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

4.5 規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，制定了相應的維修更換施工方案，嚴格把控更換過程中的每一處細節。截至目前，更換過的玻璃未再次發生破損的情況，有效地降低幕墻玻璃破損的概率。

5 結語

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，均未發現有再次破損的情況發生。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境，同時，還強化了維修過程中的施工步驟，使之程序化、規范化，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。

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