臺風侵襲下的門窗幕墻玻璃安全

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　　近年來，頻發的超強臺風來勢洶洶，海燕、燦鴻、妮妲、海馬等超強臺風的破壞力無不讓人心有余悸，而臺風“莫蘭蒂”更是重創廈門，臺風登陸鼎盛時強度（詞條“強度”由行業大百科提供）達到17級(表1)，是廈門市自新中國成立以來所遭受的最強的一次臺風侵襲，狂風暴雨過后整個城市滿目瘡痍，令人觸目驚心，災難直接導致經濟損失高達102億元，房屋倒塌或損壞達17907間，尤其是靠近海邊的諸多高層海景房，其玻璃幕墻、門窗損毀嚴重。建筑幕墻、門窗（詞條“窗”由行業大百科提供）的安全問題，再次成為全社會關注的焦點。

表1 臺風莫蘭蒂氣象數據

　　作為建筑物外圍護結構的門窗幕墻，是抵御外界災害入侵的第一道屏障，如果其安全性無法保證，那么保障居民基本的生命安全就無從談起。

　　此次廈門莫蘭蒂臺風對廈門各建筑物的玻璃幕墻、門窗造成了不同程度的損壞，很多建筑幕墻受損，少數受損比較嚴重。總體講，玻璃的破損情況還是相當突出，特別是一些沿海建筑，海景房陽臺的玻璃、玻璃門、玻璃窗損毀嚴重(圖1~圖4)

圖1 門窗幕墻受損情況

圖2 門窗幕墻受損情況

圖3 門窗幕墻受損情況

圖4 門窗幕墻受損情況

　　據有關方面對建筑幕墻在臺風“莫蘭蒂”的損毀情況統計，大多數的幕墻受損是由于玻璃受損，占73%(圖5)。門窗幕墻玻璃已成為建筑圍護結構抵抗臺風襲擊的最薄弱環節。

圖5 數據來自中國幕墻網

　　導致門窗幕墻玻璃大面積損毀的原因，分析主要有以下幾點：

　　1、莫蘭蒂臺風超強，設計上未考慮超強臺風的客觀因素。國家標準對玻璃幕墻設計標準承受風壓的上限值為12級，而此次強臺風風力最大風力達15級，局部地區甚至達到17級以上，遠遠超過設計值的上限。

　　2、部分玻璃抗風壓設計等級可能偏低，甚至沒有抗風性能設計，造成使用的玻璃面板強度低、厚度薄。

　　3、部分建筑由于建筑物之間風切變的影響，加劇了臺風的強度，形成了瞬間風力劇增的情況;

　　4、許多業主喜歡將部分玻璃幕墻開啟扇當通風窗使用，甚至還私自更改原設計，安裝不符合安全標準的玻璃，開啟活動越多密封性能就越差，一旦受風荷載作用未關閉的開啟窗等部位受震動，極易造成玻璃破裂、開啟扇變形，甚至整體脫落。

　　5、除了以上因素，我們認為多數玻璃破裂的最關鍵原因還是由臺風攜帶的碎物撞擊所致，而非臺風本身風壓所致。臺風對建筑物襲擊的最顯著特征是在不斷變化的高風壓下伴隨著高速夾雜物的沖擊，風攜碎物沖擊的破壞力是驚人的(圖6、圖7)。超強風壓夾雜著高速碎物、雨水的疊加作用使門窗幕墻玻璃或面積較大的陽臺玻璃超過受力極限導致受損。

圖6 風攜碎物沖擊的破壞力驚人

圖7 風攜碎物沖擊的破壞力驚人

　　據有關資料證明，臺風發生時，臺風對建筑物造成的破壞，大部分是通過臺風產生的循環風壓及颶風夾帶的固體雜物沖擊，先破壞建筑物中最薄弱的玻璃部分，玻璃碎片的飛濺造成對人們生命及財產的破壞，然后強風進入屋內，對建筑物形成增壓破壞力，最壞的情況下可以掀翻屋頂甚至破壞整個建筑物結構(圖8)。因此，建筑玻璃防颶風性能的好壞直接關系到人們的生命財產受威脅及整個建筑物受破壞的可能性。玻璃是門窗幕墻建筑外圍護結構最敏感的部件之一，需要重點加以保護以免臺風成為災難。

圖8 臺風通過破壞窗玻璃進而破壞建筑結構

　　目前我國門窗、幕墻抗風壓設計，主要的考慮因素是在風荷載作用下玻璃的最大應力設計值不能超過短期荷載作用下的玻璃強度標準值（詞條“強度標準值”由行業大百科提供）、撓度要求及承載力極限狀態和正常使用極限狀態的要求等;門窗幕墻的性能檢測主要側重氣密性、水密性和抗風壓性能;而在反復氣壓循環條件下的抗風攜碎物沖擊這個抵抗臺風的關鍵技術指標設計和測試上存在缺失。

　　2004年初，四部委聯合下發《建筑安全玻璃管理規定》規定十一個部位必須使用安全玻璃，其中包括了7層及7層以上建筑物外開窗、面積大于1.5平方米的窗玻璃等。安全玻璃在建筑門窗上得以普及應用，然而安全玻璃的安全性能如抗落球沖擊、霰彈袋沖擊性能等并不能替代抗風攜碎物沖擊性能，后者更苛刻。普通鋼化玻璃、夾層玻璃門窗雖然具有一定的安全性能，但其安全級別仍偏低，還不足以抵御強臺風所產生的破壞力。

　　作為頻繁受到颶風襲擊的美國，在門窗、幕墻防颶風方面的經驗值得我們借鑒。

　　安德魯颶風是值得美國人銘記的颶風，它促成了美國建筑物防颶風方面的立法。1992年，安德魯颶風從8月16日開始一直持續到8月28日，席卷了佛羅里達、巴哈馬群島和路易斯安那，重創美國，它造成了27人死亡，近8萬人背井離鄉。防颶風的建筑規范的制訂就始于1992年，以保護美國公民和建筑物。國際建筑規范(IBC)、國際住宅規范(IRC)和佛羅里達建筑規范(FBC)等規范的實施目的就是用以保護建筑物外圍護結構免受颶風侵襲。佛羅里達的建筑規范要求在布勞沃德、邁阿密-戴德等高速颶風區的抗撞擊系統必須滿足邁阿密-戴德技術標準：

　　Ø TAS 201——“Impact Test Procedures”,

　　Ø TAS 202——“Criteria for Testing Impact & Non Impact Resistant Building Envelope Components Using Uniform Static Air Pressure”

　　Ø TAS 203­—— “Criteria for Testing Products Subject to Cyclic Wind

　　Pressure Loading”。

　　以上這些防颶風測試標準在佛羅里達被廣泛認可。當然還要根據ASTM E1300確定玻璃厚度，根據ASCE7-98進行抗風壓設計。

　　美國ASTM E1996《受颶風中的風攜碎物沖擊的外窗、幕墻、門和百葉窗（詞條“百葉窗”由行業大百科提供）的性能技術規范》按照不同的發射物和發射速度將門窗幕墻的抗颶風級別分為A、B、C、D、E五個級別(圖9)。測試樣品在通過發射物沖擊測試后還必須通過次正、負壓各4500次、共計9000次的循環風壓試驗(圖10)。試驗后門窗玻璃應保持完整，不能被發射物穿透，也不能產生可使76mm直徑球體通過的開口及長度超過130mm的裂口。

圖9 ASTM E1996發射物沖擊試驗對發射物的要求

圖10 ASTM E1996對壓差循環試驗的要求

　　在進行防颶風設計時，可根據美國大西洋海岸的不同風區、不同建筑高度和建筑物保護類別，確定門窗、幕墻防風攜碎物沖擊級別((圖11~圖12)。

圖11 美國東海岸風速分區

圖12 門窗幕墻抗風攜碎物沖擊的級別確定

　　我國海岸線漫長，是太平洋沿岸遭受臺風侵襲最頻繁的國家之一，每年臺風給我國海南、廣東、福建、浙江等沿海各省帶來巨大的經濟損失和人員傷亡。根據1949年以來的臺風資料分析，我國的熱帶氣旋在登陸時的強度有逐年增加的趨勢，并且在登陸臺風中強臺風所占比重也呈逐年增加的趨勢。解決建筑物門窗幕墻的臺風防護問題已刻不容緩。

　　建筑物在門窗幕墻設計上，主要考慮的是功能、審美和可建造性。然而為確保這些建筑在設計壽命內的功能和審美性，還需對地區性自然災害因素予以考慮，如臺風襲擊等，防御這些自然災害而對建筑物提出的要求，與日常功能要求同等重要。

　　我們認為，沿海臺風高發地區的建筑，應根據當地的基本風速，進行適當的防臺風設計。 而對于敏感建筑、要害建筑、應急設施等，應提高防臺風設計的級別，如醫院、應急健康醫療中心;監獄和拘留所;消防、急救、警局和急救車庫;指定的應急避難所;電站;商業中心和其他要求應急反應的公共設施;具有國防功能的建筑物和其他設施等等。門窗幕墻產品只有通過了相應級別的防臺風測試，才能應用于實際工程。

　　令人欣慰的是，我國已陸續發布實施了防臺風的相關標準：

　　Ø 2013年9月1日，JC/T2165《防臺風玻璃》實施;

　　Ø 2014年6月1日，GB/T29738《玻璃幕墻和門窗抗風攜碎物沖擊性能分級及檢測方法》實施。

　　Ø 2015年12月1日，GB/T31433《建筑幕墻、門窗通用技術條件》實施，該標準將抗風攜碎物沖擊性能作為可選性能列入安全性指標。

　　這些國家或行業標準的制訂是以美國標準為重要參照，它的頒布

　　反映了我國建筑幕墻、門窗行業對防臺風的日益重視和我國防臺風技術法規的進步。

　　與此同時，我國一些企業在防臺風門窗、玻璃產品的研發上也加快了步伐，并達到了世界先進水平。如廣東金剛玻璃科技股份有限公司的防颶風玻璃及門窗產品，按照美國標準經美國佛羅里達州邁阿密防颶風試驗室Hurricane Test Laboratory檢測(圖13~16)，防颶風性能可以達到美國標準規定的最高級別E級，可承受63米/秒以上的颶風沖擊和±200psf風荷載作用下9000次的壓差循環測試(測試數據見表2)。這也是我國首家通過美國邁阿密防颶風試驗室測試的企業。

圖13 發射物沖擊測試

圖14 氣壓循環測試

表2 金剛防颶風玻璃測試數據

　　注：測試數據來源于美國邁阿密防颶風實驗室測試報告。

　　技術標準和產品研發的進步，并不意味著產品的普及應用。基于上述標準是非強制性的，不具約束力，因此在發布實施后執行力度上相對有限，我國沿海地區建筑幕墻、門窗工程也鮮有做過防臺風性能的專門設計、測試和普及應用。建議我國沿海臺風多發地區如海南、廣東、福建、浙江各省在建筑規范方面做防臺風的強制性立法，在門窗幕墻規范中加入防風攜碎物沖擊等特性指標要求，從而更有力地推動和提高我國沿海地區建筑物防臺風水平。

　　參考文獻

　　⑴ Stefan Hiss， Practical guide to participate in the US hurricane glazing market〔C〕，GPD 2007 Conference Proceedings，576~578

　　⑵ ASTM E1996--04《Standard Specification for Performance of Exterior Windows, Curtain Walls, Doors and Impact Protective Systems Impacted by Windborne Debris in Hurricanes 1》〔S〕

　　⑶ 楊清，莫蘭蒂臺風對廈門幕墻工程的影響分析，〔R〕工程治理論壇

本文摘自：《建筑幕墻創新與發展》未經許可不得轉載