玻璃在冶金工業(yè)鋼結(jié)構(gòu)建筑中應用探討

高亞平

（中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司，重慶 401147）

0 引言

在工業(yè)建筑設(shè)計中，鋼結(jié)構(gòu)因其材料自重輕、力學性能優(yōu)、抗震性能好、可靠度及工業(yè)化程度、施工精度高、裝配化施工、現(xiàn)場作業(yè)少、進度快、后期維護方便、材料綠色環(huán)保并可回收、重復利用等多方面的性能優(yōu)勢，從而得到迅速發(fā)展和設(shè)計師的青睞。

鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)建筑，除鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計外，圍護系統(tǒng)設(shè)計是其關(guān)鍵。而玻璃、采光板在其中的應用又居于比較重要的地位，理應引起足夠的關(guān)注和重視。

“讓光線來做設(shè)計”，在鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)建筑設(shè)計中經(jīng)濟、合理地應用好玻璃，不只是滿足功能需要，更是塑造建筑形象、改變工業(yè)建筑外觀和室內(nèi)效果的重要設(shè)計手法，能很好地提升工業(yè)建筑的創(chuàng)意性、趣味性和美觀性。

1 建筑玻璃簡介

玻璃是建筑材料大家庭中古老卻又重要的成員之一。玻璃的世界是光怪陸離、多姿多彩的：采光、反射、控制光線、透視隔離、圍護空間、調(diào)節(jié)熱量、控制噪聲、安全防護（防火、防盜、防彈、防輻射、防電磁干擾）、節(jié)約能量、降低建筑自重、改善建筑環(huán)境、提升建筑藝術(shù)感，都有玻璃大展身手之處。玻璃堅硬，但也相對易碎，是一種各向同性的非晶體材料，可通過添加其他物質(zhì)元素與采用不同的生產(chǎn)工藝，從而使玻璃具有各種不同的特性，這也是玻璃具有各種功能和廣泛用途的原因。

2 冶金工業(yè)鋼結(jié)構(gòu)廠房中玻璃的應用

玻璃主要應用于工業(yè)廠房外墻采光窗、玻璃幕墻和屋面天窗等部位，建議優(yōu)先考慮安全玻璃，如夾層玻璃、鋼化玻璃，其抗沖擊性好，且耐久性長，比較適應相對粗獷的工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境。

玻璃幕墻應用于輕工業(yè)、標準化廠房較多，但價格高，施工維護費事，不實用；冶金工業(yè)廠房若需要采用玻璃幕墻或采光帶做法，則建議可以嘗試采用U型玻璃。

U型玻璃具有肌理感、通透，可創(chuàng)造有趣又具有藝術(shù)性的光感氛圍，其橫截面結(jié)構(gòu)有如玻璃肋支撐，因而其機械強度更高，抗沖擊能力更強，適合大面積安裝使用。

在鋼結(jié)構(gòu)廠房中應用、安裝U型玻璃應注意以下要求：①U型玻璃應用于外墻采光帶或玻璃幕墻時，應采用經(jīng)過鋼化處理的玻璃。②安裝U型玻璃的受力框架，必須附著在建筑物的主體結(jié)構(gòu)之上，并應對框架、主體鋼結(jié)構(gòu)進行撓度控制，保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，避免較大的變形損壞玻璃。當和可開啟窗、門組合時，U型玻璃的框料應支撐在獨立的受力框口上。③U型玻璃為脆性材料，其與安裝框架、主體結(jié)構(gòu)、金屬件、砌體、周邊混凝土等材料之間應避免硬接觸。U型玻璃的下端應分別且獨立地支撐在均勻的彈性襯墊上，其框料與支撐構(gòu)件之間也宜增設(shè)彈性襯墊。④U型玻璃與建筑構(gòu)件之間應留有滿足變形要求的縫隙，其上端應留有≮25mm的縫隙；在溫差較大的地區(qū)，還應注意調(diào)整玻璃之間的溫度伸縮間隙。⑤框料與U型玻璃之間的縫隙中應設(shè)置彈性玻璃墊。⑥U型玻璃安裝就位后，框料與玻璃，玻璃與玻璃，框料與建筑結(jié)構(gòu)基體的周邊接縫應采用玻璃膠或硅酮密封膠等彈性密封材料密封。

鋼結(jié)構(gòu)主廠房中應用U型玻璃的缺點主要是價格偏高，初始投資費用較大，施工煩瑣，清潔不便，但U型玻璃使用年限長，美觀，各方面性能優(yōu)越，性價比高。

3 玻璃在冶金工業(yè)鋼結(jié)構(gòu)操作室中的應用探討

操作室在冶金工業(yè)建筑中的體量很小，但兼有值班、監(jiān)視、觀察、集中控制等功能，要求外形美觀、視線通透、環(huán)境舒適，大面積的玻璃觀察窗是標準配置。

過去由于條件所限，操作室觀察窗多采用雙層玻璃現(xiàn)場拼裝，由于制作、施工工藝、使用環(huán)境等方面的影響，雙層玻璃的密閉性難以保證，其中間的空氣間層易進灰，有些還因為內(nèi)外存在溫差，在空氣間層內(nèi)部產(chǎn)生結(jié)露現(xiàn)象，致使中空層內(nèi)起霧發(fā)花，甚至結(jié)出霉點，既影響觀察，還會對觀察窗的耐久性產(chǎn)生影響，其內(nèi)部的灰塵、水（霧）汽、霉點難以清掃去除，常常給用戶造成困擾。

如今，鋼結(jié)構(gòu)操作室所使用的玻璃主要就兩種了，一是中空玻璃，二是夾層（膠）玻璃。

中空玻璃具有良好的隔熱、防結(jié)露、隔聲性能，由于是工廠專業(yè)化生產(chǎn)、制作，品質(zhì)有保證，可以很好地替代現(xiàn)場拼裝觀察窗所用的雙層玻璃。中空玻璃雖然隔熱性能好，但也應注意其適用環(huán)境溫度，因其密封、粘結(jié)使用了密封膠、粘結(jié)膠等材料，故建議不應在70℃或更高的環(huán)境溫度下使用，否則也會影響中空玻璃的耐久性。另外，實際工程中，應盡量采用雙道密封的中空玻璃，其氣密性更好，避免水氣進入中空層，影響使用效果。

中空玻璃的基（原）片玻璃之間需要支撐物、間隔條、粘結(jié)劑等材料，大面積的觀察窗拼接處拼縫比較明顯，對通透性、美觀度要求高的，則不太適合，此種情況，建議采用夾層（膠）玻璃。

夾層玻璃是由兩片或多片基（原）片玻璃，之間用一層或多層中間層材料分隔，并通過特殊的工藝處理后，使玻璃和中間層材料永久性粘合為一體的復合玻璃產(chǎn)品。

日常生活中可能有一種錯覺，會認為中空玻璃隔聲效果好，其實中空玻璃隔聲好也是相對的，畢竟中間空氣層是傳聲的。實際上，夾層玻璃的隔聲效果一般會更好，因其中間膜層相當于阻尼層，能對聲波振動產(chǎn)生緩沖、減振、耗能作用，從而達到隔聲效果；而且夾層玻璃之間可以通過透明玻璃膠粘結(jié)拼裝，使大面積觀察窗整體效果更通透、美觀。

總體來說，鋼結(jié)構(gòu)操作室觀察窗玻璃首選夾層玻璃，若對隔熱性能要求更高，可選擇中空玻璃；單層玻璃在隔熱、節(jié)能、隔聲等方面都有欠缺，基本上已很少使用。

4 玻璃在冶金工業(yè)鋼結(jié)構(gòu)封閉式參觀通廊中的應用探討

冶金工業(yè)廠房中，參觀通廊動輒幾百米，采用大面積玻璃窗，甚至整面的落地玻璃墻很普遍，但廠房內(nèi)環(huán)境復雜，易受震動、熱輻射、噪聲等各方面的影響，在建設(shè)封閉式鋼結(jié)構(gòu)參觀通廊時，對鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計、窗型及其玻璃的選用及安裝應特別注意。

4.1 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計

參觀通廊的窗戶支承在鋼結(jié)構(gòu)上，大面積的窗戶玻璃受生產(chǎn)震動影響，很容易因鋼結(jié)構(gòu)變形、擠壓、扭曲、應力集中等因素而碎裂。對于此部分鋼結(jié)構(gòu)（尤其是窗臺梁、窗頂梁、中間支柱等）的變形容許值（撓度、水平位移等）建議應有比《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標準》（GB 50017—2017）等規(guī)定的容許值更高的要求，可參考《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》（JGJ 102—2003）中相關(guān)規(guī)定確定[1]。

對于參觀通廊鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的撓度控制，建議盡量不用起拱的方式來解決，尤其是窗臺梁，可采用加大梁截面高度，或采用鋼桁架，對于大跨度梁，可在其中部增加支點立柱。

4.2 窗型選擇

選擇窗型時，應根據(jù)參觀通廊的使用功能及美觀要求、產(chǎn)品的經(jīng)濟性價比，通過綜合平衡后，選擇窗戶的開啟方式、分格形式、結(jié)構(gòu)形式，以及確定窗戶的性能指標、性能分級等物理性能指標（主要有抗風壓性能、氣密性、水密性、隔聲性、保溫性、采光性等）。

基于參觀通廊的使用功能特點，一般選擇大面積固定窗或落地窗+少量平開或推拉扇的窗型，材質(zhì)方面，則以鋁合金、彩鋼、不銹鋼等為宜。

從參觀視線來考慮，參觀通廊窗戶一般都會比較高大、寬闊，玻璃分格巨大，玻璃之間采用膠縫拼接，因此常常超越門窗圖集之規(guī)定，尚須與專業(yè)制造廠家另行協(xié)商確定窗型，以保證選用的產(chǎn)品合理、經(jīng)濟、安全、美觀。

窗型選擇時，還應考慮投入使用后窗戶及其玻璃的檢查、清洗、保養(yǎng)和維修，保證安全性和方便性。

4.3 玻璃選用

玻璃選用應根據(jù)《建筑玻璃應用技術(shù)規(guī)程》《建筑門窗幕墻用鋼化玻璃》相關(guān)規(guī)定、門窗標準圖集中不同型材系列窗允許安裝玻璃厚度等要求，結(jié)合工程對窗戶的性能要求（因參觀通廊處于廠房內(nèi)，抗風不是主要問題，主要考慮隔熱、隔聲、保溫節(jié)能方面的要求）確定。尚需注意，玻璃的厚度應經(jīng)專業(yè)廠家計算后確定，因此，設(shè)計選用玻璃后，還需專業(yè)廠家驗算后實施。

根據(jù)參觀通廊的功能及使用特點，窗戶玻璃應選用安全玻璃（玻璃面積基本都大于1.5m2，或為落地窗）。可供選擇的安全玻璃有：鋼化玻璃、夾層玻璃，以及如安全中空玻璃等由鋼化玻璃或夾層玻璃組合加工而成的其他玻璃制品。

鋼化玻璃受外力破壞時，碎片為類似蜂窩狀的鈍角型、碎小顆粒，不易對人體造成傷害；而夾層玻璃的中間膠片堅韌且附著力強，受沖擊破損后也不易被貫穿，面板玻璃破碎后碎片不會脫落散墜，與中間膠片依舊會緊密粘合在一起，因此夾層玻璃更適合應用于空中架設(shè)的封閉式參觀通廊。

若選用夾層（膠）玻璃，則還會涉及夾膠片種類及其厚度問題，一般應根據(jù)基（原）片玻璃的形狀（如異型、彎曲）、板塊的尺寸（一般以短邊800mm為分界）、性質(zhì)（如是否鋼化）進行考慮。

夾膠片種類及其厚度須經(jīng)專業(yè)廠家計算后確定。從一般經(jīng)驗看，常用玻璃夾膠片最小厚度有以下一些要求可供參考，如表1所示。

表1 常用玻璃夾膠片最小厚度

4.4 窗戶及玻璃安裝

鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件是剛性材料，而玻璃則為脆性材料，兩者不可直接硬接觸。窗戶及玻璃如若施工安裝不當，使用中極易造成玻璃碎裂，因此窗戶及玻璃的施工安裝很關(guān)鍵，尤應重視。

窗戶及玻璃的安裝，從設(shè)計方面比較難控制，建議由專業(yè)的門窗制造廠家二次設(shè)計并施工，或指導安裝、施工、驗收；設(shè)計、用戶、施工單位應要求專業(yè)的門窗制造廠家提供窗戶安裝使用說明書，諸如：窗戶的說明、窗戶的安裝說明、窗戶的使用說明、窗戶的保養(yǎng)維護說明。

窗戶及玻璃安裝所用的材料及施工安裝均應遵循所選窗的產(chǎn)品標準、圖集、《建筑玻璃應用技術(shù)規(guī)程》（JGJ 113—2015）、《建筑玻璃應用構(gòu)造》等文件中的要求[2]。

窗框和支承鋼構(gòu)件之間連接應考慮增加柔（彈）性墊片（如襯軟質(zhì)橡膠墊）做為緩沖減震措施；適當增加窗框與鋼構(gòu)件的間隙，間隙內(nèi)填膠或現(xiàn)場灌注聚氨酯發(fā)泡。

玻璃應避免和窗（邊）框、型材直接接觸，其最小裝配尺寸應滿足《建筑玻璃應用技術(shù)規(guī)程》（JGJ 113—2015）中的要求，前部及后部余隙、邊緣間隙可適當再加大一些，充分保證玻璃能夠適當?shù)刈冃危凰x窗戶型材的凹槽寬度、凹槽深度與玻璃的裝配尺寸密切相關(guān)，應保證其尺寸與玻璃厚度、裝配尺寸相匹配。在安裝玻璃時，確保使用玻璃墊塊（支承塊、定位塊）墊住玻璃，用彈性止動片擠緊玻璃，不讓玻璃左右上下晃動。安裝玻璃時若采用密封膠做為密封材料，必須使用彈性止動片；若采用密封膠條安裝，因膠條已經(jīng)具有彈性止動片的作用，可不再使用彈性止動片。

玻璃安裝尤應正確應用玻璃墊塊。玻璃墊塊分為承重（支承）墊塊和定位墊塊，均應采用擠壓成形的未增塑及增塑PVC、邵氏硬度80～90的氯丁橡膠等材料，不得使用吸水性材料如木片（條、塊）、硫化再生橡膠等代替。承重蟄塊的作用是承受玻璃的自重或承受玻璃的壓力，不同的窗型承重蟄塊的安裝位置不同，正確地安裝承重墊塊可以將玻璃的重量合理分配到窗（扇）框上，并能保持對窗（扇）框的校正作用，保證門窗的功能，確保開關(guān)靈活不下垂；定位蟄塊亦稱隔離蟄塊、防震蟄塊，其重要作用是防止玻璃與窗（扇）框直接接觸，防止玻璃在窗（扇）框凹槽內(nèi)滑動，門窗開關(guān)時減緩震動。玻璃墊塊的材質(zhì)、大小與數(shù)量、設(shè)置位置與間距等均應根據(jù)窗型，按照《建筑玻璃應用技術(shù)規(guī)程》（JGJ 113—2015）中的要求確定。

為了具有通透、美觀的效果，參觀通廊的窗戶玻璃通常都是采用膠縫連接，玻璃之間的拼接膠縫寬度應能滿足玻璃和膠的變形要求，其寬度應經(jīng)計算確定，且不宜小于10mm。

4.5 保養(yǎng)和維護

參觀通廊投入使用后，如此大面積的窗戶及玻璃，必須要建立檢查、清潔、保養(yǎng)和維修制度與計劃。尤其是玻璃的清潔，既要不影響正常生產(chǎn)活動，又要能安全、方便地開展清潔作業(yè)，通常考慮在通廊室內(nèi)通過人工或擦窗機器人進行，不宜考慮吊籃、升降平臺或腳手架等方式。這要求設(shè)計之初在窗型選擇、窗扇開啟方式、玻璃分格時就應有完善的考慮，不宜單純追求美觀通透而大量采用固定、落地玻璃窗[3]。

5 結(jié)語

總體來說，玻璃在鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)建筑應用上的創(chuàng)新性、美觀性、藝術(shù)性還是相對欠缺，這一方面是因為業(yè)主、大眾對此的需求不是那么強烈；另一方面，設(shè)計師對于在工業(yè)建筑上將新材料與新工藝的運用、科學技術(shù)與藝術(shù)的融合等意愿方面也缺少主觀能動性；再者，各種采光板（如PC陽光板、FRP板）也代替了很多玻璃應用，其應用起來更靈活，施工安裝更方便，材料本身自重輕，耐久性與防火性雖較玻璃遜色，但后續(xù)的維護、更換更容易，也更經(jīng)濟。