既有玻璃幕墻典型安全性問題分析

魯巧稚，南錕，閆續，周敬，王智慧，郝夢瑤，安曉瑩

（中國建筑標準設計研究院有限公司，北京 100048）

1 引言

我國自20 世紀80 年代開始引入玻璃幕墻，目前已成為世界第一的幕墻生產和使用大國，然而在大范圍應用的同時也出現了不少問題[1]。實踐表明，幕墻玻璃面板爆裂脫落和開啟扇墜落是既有玻璃幕墻所面臨的最突出的安全性問題。本文結合工程實際案例，對既有玻璃幕墻上述典型安全性問題進行分析，并提出相應建議，供相關從業人員參考。

2 玻璃面板爆裂脫落

幕墻玻璃面板爆裂與脫落的原因主要集中于4 個方面：玻璃面板、面板與支承結構的連接、幕墻支承體系與外部作用。

2.1 玻璃面板

2.1.1 鋼化玻璃自爆

JGJ 102—2003《玻璃幕墻工程技術規范》規定“框支承玻璃幕墻宜采用安全玻璃；點支承玻璃幕墻的面板玻璃應采用鋼化玻璃”[2]。因此，鋼化玻璃憑借強度高、熱穩定性高和破碎顆粒傷害性小的優點被廣泛應用于玻璃幕墻面板中。然而，受生產工藝所限，鋼化玻璃的自爆成為一項難以避免的風險。對于鋼化玻璃自爆率，我國尚沒有統一要求，業界通常默認為3‰左右。自爆發生的根本原因是鋼化玻璃拉應力層內的應力集中，而應力集中大多是因玻璃生產過程中留存的硫化鎳相變或其他雜質受溫度影響而產生的體積變化。鋼化玻璃自爆的最顯著特征是自爆源處呈現出“蝴蝶斑”形狀，且在爆點處的玻璃拉應力層中可見雜質顆粒。

案例：某玻璃幕墻面板為中空鋼化玻璃，自投入使用后第3 年起，多處面板陸續爆裂，爆裂位置發生于內片和外片的情況均存在，起爆點在中部和邊緣的情況均存在。起爆點處均呈現明顯的“蝴蝶斑”形狀，且裂紋側面可見清晰的黑色雜質（見圖1）。

圖1 鋼化玻璃起爆點處“蝴蝶斑”形態

對于鋼化玻璃自爆風險的檢測，萬德田等[3]研發了光彈掃描法，可通過光彈原理實現鋼化玻璃中自爆源顆粒的現場檢測，識別異質相顆粒的位置，GB/T 30020—2023《玻璃缺陷檢測方法 光彈掃描法》[4]也已發布實施。該方法可為既有玻璃幕墻的自爆風險排查提供較準確的依據，但對于大規模的玻璃幕墻，檢測效率仍有待進一步提升。

2.1.2 鋼化玻璃表面應力

玻璃經鋼化處理后表面形成均勻壓應力，而內部則形成張應力，使玻璃的抗彎和抗沖擊強度得以提高，其強度約是普通退火玻璃的4 倍以上。但如果局部發生破損，便會發生應力釋放，破損成大量鈍角小顆粒。

鋼化玻璃之所以具有較高的強度，是由于表面具有預先施加的壓應力。然而，鋼化應力并非越高越好，鋼化過度、鋼化應力不均勻等問題反而更容易加劇玻璃的爆裂。因此，JG/T 455—2014《建筑門窗幕墻用鋼化玻璃》[5]規定“鋼化玻璃的表面應力不應小于90 MPa，且表面應力最大值和表面應力最小值之差不應超過15 MPa”，并同時規定了鋼化玻璃的最大碎片數和最小碎片數。

2.1.3 玻璃面板尺寸

玻璃面板的平面尺寸通常根據建筑外觀需要而確定，隨著現代建筑對通透性的要求越來越高，玻璃面板的平面尺寸也隨之越來越大，因此，玻璃爆裂的風險也有所增加。

對于夾層玻璃和中空玻璃，在正常使用情況下兩片玻璃是共同受力的，如果厚度相差過大，則兩片玻璃還容易因受力不均勻而爆裂。

2.1.4 玻璃表觀缺陷

玻璃在出廠、運輸、安裝和使用過程中容易產生爆邊、劃傷、裂紋、缺角及邊緣處理不當等缺陷，這些表觀缺陷也易造成玻璃的爆裂。

案例：某點支式玻璃幕墻在施工過程中發現玻璃面板存在大量爆邊（見圖2）、缺角（見圖3）等缺陷。玻璃尚未爆裂是由于表面壓應力尚能夠克服中部的拉應力，兩種應力仍保持平衡。但這些缺陷實際已經削弱了玻璃的應力，在外部作用下，很容易導致玻璃爆裂。

圖2 玻璃爆邊

圖3 玻璃缺角

2.1.5 中空玻璃二道密封膠

對于應用于隱框幕墻或隱框開啟窗的中空玻璃，外片玻璃整體脫落的情況也時有發生，破壞形式主要有兩類：（1）界面破壞，因二道密封膠與面板不相容或密封膠選材不當所致；（2）內聚破壞，因二道密封膠打膠尺寸不當或密封膠采用劣質膠，從而膠體承載力不足所致。

案例：某既有玻璃幕墻隱框開啟扇為中空玻璃，其外片發生大量脫落現象（見圖4），經檢查，所有脫落形態均為界面脫落，二道密封膠存在硬化現象，取樣檢測后發現，二道密封膠為聚硫膠。因聚硫膠相較于硅酮膠而言，耐候性較差，當用于室外時，易老化失去粘結力，從而引起界面破壞。

圖4 中空玻璃外片整體脫落

2.2 面板與支承結構的連接

不同類型的玻璃幕墻，面板與主體結構的連接方式不同，引起玻璃爆裂脫落的原因也各有不同，以下分別對隱框幕墻、框式幕墻、點支式幕墻3 種類型進行分析。

2.2.1 隱框幕墻

隱框幕墻中，玻璃和支承結構的連接完全依靠硅酮結構膠。因此，結構膠的性能和打膠質量直接決定了面板的安全性。結構膠的失效通常因設計、施工或選材不當，結構膠老化失效，結構膠動載疲勞失效等原因造成[6]。

既有玻璃幕墻結構膠的現場檢測一直是幕墻行業關注的焦點。我國現有標準對硅酮結構膠粘結質量的檢驗檢測給出了不同的方法：JGJ/T 139—2020《玻璃幕墻工程質量檢驗標準》[7]、GB 16776—2005《建筑用硅酮結構密封膠》[8]給出了通過手拉試驗對結構膠進行定性檢驗的方法；JGJ/T 324—2014《建筑幕墻工程檢測方法》[9]給出了現場拉拔法、重新粘結法的定量檢測方法；JGJ/T 413—2019《玻璃幕墻粘結可靠性檢測評估技術標準》[10]除給出重新粘結法、切割拉拔法的局部破損檢測方法外，還給出了推出法、吸盤法、外箱法的檢測單元整體原位檢測方法。

2.2.2 框式幕墻

框式玻璃幕墻中，玻璃與邊框連接部位的施工質量出現偏差時，玻璃可能因被限制邊部位移而爆裂。為了避免玻璃面板與邊框的剛性接觸，JGJ 102—2003《玻璃幕墻工程技術規范》對明框幕墻玻璃下邊緣與下邊框槽底之間的構造、明框幕墻的玻璃邊緣與邊框槽底之間的間隙做出了規定。

2.2.3 點支式幕墻

點支式幕墻玻璃都僅通過鋼爪連接件與結構連接，將其自重和風荷載、地震作用等傳至支承體系再傳至主體結構。玻璃面板的最大應力往往出現在支承點的鉆孔處，由于受到玻璃變形、溫差作用、加工精度、安裝偏差、結構形式及其組合等因素的影響，玻璃與鋼爪連接點應力十分復雜，是點支式幕墻薄弱環節，也是玻璃破碎產生的主要區域[11]。

案例：某點支式玻璃幕墻采用四爪駁接件，安裝出現明顯偏差（見圖5 和圖6），不僅影響外觀，而且易產生額外的應力，導致玻璃支承點處受力不均勻，在外力或溫度的作用下產生應力集中，甚至直接導致玻璃爆裂。

圖5 點支式幕墻爪件安裝偏差

圖6 點支式幕墻安裝偏差

2.3 支承結構

玻璃幕墻作為圍護結構的一種，不分擔主體結構的荷載和作用，但其自身有明確的傳力體系。當幕墻自身支承結構設計不合理或施工質量存在缺陷，如龍骨構件厚度或強度不足、結構變形縫處未做斷開處理、預埋件安裝偏差、不同金屬材料間未設置墊片等問題時，支承體系便存在較大安全隱患，可能因局部或整體變形較大而導致玻璃面板的爆裂。

另外，索結構是近年來興起的新型幕墻支承形式，因其極佳的通透性而被現代建筑廣為應用，然而索結構支承體系柔性較大，幕墻平面外變形的大小與索內預應力有著直接關系，隨著索結構預應力的變化，玻璃幕墻平面外的變形量也隨之變化。而且拉索結構體材質的惡化、缺陷或意外事故引起的結構損傷，都會引起各構件，特別是拉索的內力重分布。影響拉索剛度的不同部位的損傷源會引起不同類型的索力變化。

案例：某幕墻工程為預應力單索結構玻璃幕墻，拉索豎向布置，同時設有鋁合金橫梁作為橫向傳力構件。幕墻拉索通過頂部的張弦梁與主體結構的鋼結構異形網殼相連（見圖7），拉索底部采用碟簧彈性錨固在鋼筋混凝土結構上。幕墻竣工后連續多年出現玻璃爆裂現象。經計算復核，整體結構穩定系數較低，結構體系較柔，對溫度變化較為敏感，預應力拉索索力波動大，在室外溫差較大、高溫及日照強烈的環境誘因下，幕墻體系容易發生較大變形，加之玻璃面板存在自身雜質，導致拉索幕墻玻璃面板發生頻繁爆裂。

圖7 拉索幕墻與鋼結構網殼示意圖

JGJ 102—2003《玻璃幕墻工程技術規范》規定“施加預拉力的拉桿或拉索結構的幕墻工程在工程竣工驗收后六個月時，必須對該工程進行一次全面的預拉力檢查和調整，此后每三年應檢查一次”。對于幕墻拉索拉力值的檢測，千斤頂張拉法對既有幕墻產生擾動和損壞的風險較大。而壓力傳感器法、磁通量法需要預先在索端或索中安裝傳感裝置，且造價較高，因此，既有幕墻中也并不多見。目前，既有幕墻檢測中常用的方法通常為振動法和三點彎曲法，基本可實現多數幕墻拉索拉力值的檢測，但這兩種方法對拉索的長度和直徑有一定的要求，當拉索單元過短或直徑過大時，可能無法運用上述方法進行檢測。可見，索結構既有幕墻中拉索拉力值的檢測方法仍有待進一步研究。同時，在發現拉索預應力衰減后，如何在保證既有幕墻完整性的前提下對拉索索力進行調整，目前幾乎沒有經驗，但卻是一個非常值得關注的問題。

2.4 外部作用

玻璃在溫度變化時產生的膨脹或收縮在遇到外部約束，或玻璃內存在溫度梯度使各部分相互約束時，將有溫度應力存在[12]，從而易導致熱炸裂現象，熱炸裂的典型形態是玻璃裂紋與板平面方向相垂直。太陽輻射是熱炸裂產生的主要的外部原因，但并非唯一原因。一般來說，玻璃強度越低、吸熱率越大、板面尺寸越大、邊部加工質量越差、玻璃板內溫差越大，則其越容易引起玻璃熱炸裂[13]。

案例：某大廈玻璃幕墻為單元式明框玻璃幕墻，在某個冬季的晴天發生玻璃熱炸裂現象（見圖8）。這是由于過低的氣溫和由日照而產生的熱量會使一片玻璃的平面方向上產生溫度差，從而形成了熱沖擊導致熱炸裂。

圖8 玻璃熱炸裂現象

現行JGJ 102—2003《玻璃幕墻工程技術規范》在考慮溫度作用的影響時一般通過建筑或結構構造措施解決，而不一一進行計算；對于大面積玻璃中央部分與邊緣部分因溫度差產生的溫度應力，認為當溫差不超過15 ℃時，溫度作用不起控制作用，因此，取消了JGJ 102—1996《玻璃幕墻工程技術規范》中溫度應力的計算，但同時要求對于溫度變化劇烈的玻璃幕墻工程，應在設計計算和構造處理上采取必要措施，以避免因溫度應力造成玻璃幕墻破壞。JGJ 113—2015《建筑玻璃應用技術規程》[14]規定了建筑玻璃的防熱炸裂設計。

玻璃在受到外部撞擊時也可能發生爆裂現象，對于鋼化玻璃，撞擊點處同樣可見明顯的“蝴蝶斑”，在表面可見明顯的受沖擊痕跡，且其附近找不到異質顆粒，應與自爆相區分。

對于中空玻璃，當外部環境的溫度或氣壓發生變化時，中空層可能膨脹或收縮，導致玻璃彎曲變形產生應力。

案例：某幕墻工程中空玻璃發生大面積爆裂現象，玻璃設計選用12 mm（雙銀Low-E）+12 mm A+12 mm 中空鋼化玻璃，總厚度設計值為36 mm，經檢測，25%玻璃的總厚度因中空層較厚而存在較大的正偏差（玻璃厚度實測值示例見表1），超出了JGJ/T 139—2020《玻璃幕墻工程質量檢驗標準》中±2.0 mm 的允許偏差。

3 開啟扇墜落

既有玻璃幕墻中應用最多的為上懸式開啟扇，分為兩種安裝形式：鉸鏈式，以摩擦型鉸鏈為承重構件，配以限位風撐實現開啟；掛鉤式，以掛鉤式鋁型材作為開啟扇承重構件，配以限位風撐實現開啟。鉸鏈式開啟扇的常見問題包括：鉸鏈承載能力不足、鉸鏈與型材間螺釘或鉚釘脫落、框扇鋁型材局部承壓能力不足。掛鉤式開啟扇的常見問題包括：掛鉤處無限位裝置或裝置不合理、開啟扇橫向竄動、鋁合金上橫龍骨剛度不足。開啟扇是玻璃幕墻中唯一可活動的構件，也是最容易受損的構件。而且開啟扇不僅僅是功能性構件，它同時也是承重構件。我國現行的JGJ 102—2003《玻璃幕墻工程技術規范》和GB/T 21086—2007《建筑幕墻》[15]對開啟扇的設計和安裝均未做出專項規定，使得既有玻璃幕墻開啟扇質量良莠不齊，加之很多使用者疏于維護，使得幕墻開啟扇成為一項非常嚴重的城市安全隱患。

案例：某單元式玻璃幕墻采用掛鉤式開啟扇，隨機抽查60 扇，其中45 扇存在風撐缺失（見圖9）、損壞（見圖10）、變形（見圖11）、松動、開啟不暢、無法限位等情況。上述問題將導致開啟扇在啟閉過程中受力不均，進而導致開啟扇的其他連接部位變形失效，且因風撐限位器無法發揮作用，開啟扇的開啟角度過大，增大脫鉤墜落風險。

圖9 風撐缺失

圖10 風撐損壞

圖11 風撐變形

案例：某大廈外立面為單元式玻璃幕墻，其中開啟扇為掛鉤式（見圖12），在大風天氣下發生多起開啟扇墜落事故，墜落開啟扇均位于高層。該建筑造型較特殊，高層部分開啟扇所在立面與大地水平面呈銳角，在開啟扇處于開啟狀態時，其開啟角度相對于垂直立面上的開啟扇開啟角度更大，所受的豎向風荷載也更大。對開啟扇進行拆除檢查，可見掛鉤上部有一鋁合金片狀壓條，用來限制掛鉤的豎向位移，壓條中間位置有一角碼，角碼固定在窗框或橫梁上，用來限制壓條的水平位移（見圖13）。但壓條寬度較窄，無法對掛鉤的位移進行有效限制，因此，使得開啟扇的開啟距離和開啟角度進一步增大，在大風天氣下，風荷載產生巨大的豎向推力將開啟扇向上頂起，當鋁合金片狀壓條與開啟扇掛鉤之間的距離過大時，則導致開啟扇脫鉤墜落。

圖12 開啟扇掛鉤

圖13 開啟扇壓條及限位裝置

4 安全性評價

對于既有玻璃幕墻的安全性評價，我國尚未出臺統一標準。現行JGJ 102—2003《玻璃幕墻工程技術規范》、JGJ/T 139—2020《玻璃幕墻工程質量檢驗標準》、GB/T 21086—2007《建筑幕墻》、JGJ/T 324—2014《建筑幕墻工程檢測方法標準》等標準規范中給出了部分項目的檢驗檢測方法和評價依據，可供既有玻璃幕墻的安全性評價參考。目前，上海、四川、江蘇、福建、遼寧等多地已陸續出臺相關地方標準。評估方法與標準體系的不斷完善將為既有幕墻的安全性提供進一步的保障。但現有標準在檢驗檢測方法、抽樣規則、指標判定準則、評價方法系統性方面仍有待進一步完善。

5 結語

1）玻璃爆裂脫落問題是既有玻璃幕墻中最易發生的安全性問題，但這一現象出現的原因是多樣的，甚至是綜合性的，在實際分析處理過程中應結合破壞特征逐項排查確認。

2）開啟扇作為活動構件，易發生疲勞破壞，不僅影響使用，也影響安全，使用者應加強檢查和維護。

3）我國既有玻璃幕墻的安全性評價方法研究和標準發布工作已在逐步推進，為安全性評價工作提供了指導，但綜合性、完整性和準確性仍有待提高。