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台风对建筑门窗幕墙的破坏及反思

来源:2019年会论文集  作者:窦铁波 陈勇 包毅 杜继予  日期:2019-4-4
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    摘要:近年来影响我国的强台风给沿海地区的建筑门窗幕墙带来较多的破坏,引起了人们对建筑门窗幕墙在抵抗强台风的能力方面产生了担忧,对强台风造成破坏的原因和应采取的应对措施议论较多。本文针对强台风造成的不同破坏现象,分析了问题产生的原因,从标准规范、工程设计、试验检测和工程质量监管等方面提出了应采取的措施,为提高我国建筑门窗幕墙抗击强台风和超强台风的能力及安全性提出有益的建议。
    关键词:台风;安全;措施

  1、台风对建筑门窗(词条“建筑门窗”由行业大百科提供)幕墙的破坏

  台风是我国沿海地区常年遭遇的自然灾害之一,每年给我国造成的经济损失和对生命的危害不可估量。随着我国沿海地区超高层建筑的增多,近年来台风对沿海地区建筑门窗幕墙,包括金属屋面(词条“金属屋面”由行业大百科提供)的影响和破坏非常显著,如2016年厦百年不遇的“莫兰蒂”、2017年打破珠海瞬时大风风速纪录51.9米/秒(16级)的“飞鸽”和2018年在深圳登陆并袭击广东的“山竹”等均超过14级的强台风,都给当地的建筑门幕墙造成了严重的损坏和破坏,其中尤以大面积玻璃破损、开启扇整体脱落、门窗整体垮塌和幕墙构件脱落较为常见。

图1

  1.1 玻璃破损

  大面积玻璃破损,是强台风给建筑门窗幕墙造成最为常见的破坏,有些甚至非常严重。图1为香港海滨广场在台风“山竹”作用下,玻璃幕墙玻璃大面积严重破损的情况。图2、图3为2016年厦门部分门窗幕墙的玻璃破坏状况。

图2

图3

  1.2 开启扇整体脱落

  幕墙和门窗的开启部位是幕墙和门窗抗风承载能力较弱的部位,开启扇在台风期间由于锁闭不严或抗风承载力不足导致开启扇整体脱落下坠。图4为坠落到地面的窗扇框架,图5为窗扇脱落后的窗框和残留的风撑,图6为被风掀起即将坠落的窗扇。

图4

图5

  1.3 门窗整体垮塌

  门窗的整体垮塌虽然不为多见,但对于存在设计和安装缺陷的门窗,在强台风作用下,出现整体垮塌是不可避免和必然的。从图7中可以明显看出门窗设计存在的严重缺陷,整樘窗的立柱(词条“立柱”由行业大百科提供)横梁风荷载受载最大的部位出现了十字连接。图8和图9在窗框与结构洞口的连接安装上出现了连接不可靠的问题。

图6

图7

图8

图9

  1.4 其它的破坏

  强台风除了对幕墙门窗的采光部位造成破坏外,对非透明部位幕墙、吊顶、雨棚和屋面等同样造成多种严重的破坏。图10为金属板幕墙面板脱落,图11为金属屋面被掀开。

图10

图11

  2、应对台风破坏的反思

  在经历了近几年台风的破坏后,人们对门窗幕墙的安全意识有了进一步的提高。对于台风给我们造成的影响和破坏,建筑门窗幕墙在工程设计和施工方面存在的问题需要我们去认真面对和思考,并采取有效的方法去处理。

  2.1 风荷载(词条“荷载”由行业大百科提供)设计的选取

  近几年造成门窗幕墙严重破坏的强台风基本都在14级以上,使得有部分人认为为确保建筑门窗幕墙在强台风作用下的安全,在进行门窗幕墙的抗风设计时,应提高建筑门窗幕墙的抗风承载能力水平,对现行设计规范的风荷载取值是否可行存在疑惑。有的建设单位在门窗幕墙项目设计方案中,提出门窗幕墙的抗风设计要保证在任何台风作用下均不能出现破坏的现象,有的为了照顾的安全和建设成本的最优化,甚至在同一项目的不同方位的墙面采用两种风荷载取值的方法。

  我们应该认识到,针对强台风造成的破坏,除了有材料方面自身缺陷的因素外,如玻璃存在的离散性和风携碎物撞击等引起的破坏外,确实存在门窗幕墙自身抗风承载能力不足的可能性,如大面积玻璃非正常破损等现象。但这些承载能力不足的现象,并不完全是现行设计规范的风荷载取值存在问题而造成的,而应是在某种条件下产生的。按照现行《建筑设计荷载规范》GB50009-2012和《玻璃幕墙工程技术规范JGJ102-2003的要求,建筑门窗幕墙作为围护结构的风荷载标准值最低取值不应低于1KN/m2,此值实际上已高于气象台预报12级台风(2min平均风速32.7m/s,GB/T19201-2006《热带气旋等级》)约0.67KN/m2的风荷载值(忽略气象台预报与规范间的风速倍差,以下同)。对于沿海地区的建筑,如深圳的超高层建筑,按照现行规范50年一遇的基本风压计算,其风荷载标准值(Wk)约为3.2KN/m2,用于强度和安全验算的风荷载设计值(1.4Wk)约为4.5KN/m2,将其换算成风速约为71.7m/s,相比较深圳平安大厦顶层(约600m)在强台风“山竹”登陆期间录到的最大风速55m/s而言应该是安全的。由深圳气象局提供的气象资料表明,“2018年9月15-17日,受台风“山竹”影响,深圳市陆地出现11-13级阵风,沿海和高地出现14-16级阵风,……。”。图12为香港天文台录得的数据,2018年强台风“山竹”期间香港的最大风速为170km/h(47.22m/s),略高于14级强台风,而市区则为12级阵风,图13中后侧数据为阵风128km/h。

图12

图13

图14

  从上面的分析中,我们可以看到按照现行荷载规范的计算,在正常的条件下建筑门窗幕墙的安全应该不会有问题的,这从深圳和香港的建筑门窗幕墙在台风“山竹”期间的大部分表现可以得到证实。但为什么正常的按照规范设计的建筑门窗幕墙在强台风作用下还会出现不正常的破坏?如图1所示的香港海滨广场玻璃幕墙玻璃的大面积破坏。在此我们用香港海滨广场玻璃幕墙的破坏作为例子来分分析和探求这种不正常破坏的原因。香港海滨广场位于香港红磡黄埔花园南侧,临海而立。海滨广场为一建筑群,包括包括海滨广场一座、2座、海逸酒店和后期新建的超高层住宅,图14为其平面图。从平面图中可以看到,整个建筑的正面朝西偏北方向,与台风风向大致相迎,同时建筑群正对着的两条街道(德安街和德丰街)与建筑群的分割间隙和朝向基本一致,这无形中形成了一个极佳的狭窄风道和边角效应,造成局部区域风速的急剧增加,从而对两侧和角部玻璃幕墙陡添了巨大的作用力,引致玻璃幕墙玻璃的大面积破坏。图15中红色线条为玻璃破坏的位置,图16所示为海滨广场一、二座之间的间隙仅为两辆大巴车通道的宽度。从图1中还可以看到,玻璃破坏集中在20层以下,20层以上的部位基本无损,特别是北侧200m多高的海名轩,处群楼外基本无一玻璃破损,这主要得益于20层以上部位不存在狭窄风道现象。图17为广场的西南侧,玻璃幕墙完好无损。这种大面积的非正常玻璃破坏除了在海滨广场出现外,在香港港岛湾仔的中环广场也有同样的问题,图18为紧邻中环广场的玻璃破坏情况。

图15

图16

图17

  从香港海滨广场这一典型例子可以看到,造成玻璃幕墙玻璃大量非正常破坏的关键因素之一应与存在于集密建筑群间或建筑自身结构间的狭窄间隙所引致的“穿堂风”效应相关,也包括建筑表面造型异常突变引致的风荷载变化。对于建筑群间形成的狭窄效应和建筑群体间风力相互干扰的效应,在GB50009-2012第8.3.2条已有相应的设计规定,但在现有建筑设计和幕墙设计中,却较少获得认真的关注和执行。随着土地资源日益稀缺,建筑间密度的增大,这种狭窄效应和群体间风力相互干扰产生的破坏值得认真的反思。这包括城市建设规划化管理部门、建设单位和建筑设计单位应在审批和发展新建项目的过程中,对新建项目的发展对已有建筑可能产生的影响,以及后于自身项目的未来新建项目对自身项目的影响给予切实评估。其次是标准规范制定单位对规范的要求如何进一步细化,例如当采用风洞试验来确定风荷载,而试验数据与规范计算数据相差较大时,如何处理两者间的关系。再则建筑门窗幕墙设计和施工单位应严格按规范进行设计,当项目中存在狭窄效应等类似情况,应给予高度重视,在提高设计标准的同时,对涉及的部位尽可能通过实样试验对设计加以验证。

图18

图19

图20

  2.2 门窗幕墙开启扇设计

  门窗幕墙开启扇在台风作用下产生整体脱落是极其危险的现象,并且成为近年来的多发事件。这种现象不仅在台风期间出现,在平时由于天气瞬间变化时也经常出现。这种现象的出现,除了开启扇在台风或天气变化时没有锁闭到位外,与开启扇自身的设计缺陷有关。在目前开启扇的设计中,开启扇与窗框之间的支承连接形式较多,常见的包括外开上旋滑撑或悬挂连接、外开滑撑平推连接、内外平开滑撑或铰链连接等,其中外开上旋滑撑和悬挂连接开启扇在幕墙的应用较多,而出现脱落问题最多的为上旋悬挂形式的开启扇。上旋悬挂形式开启扇的破坏形式除了最常见的挂钩脱落和风撑拉脱外,开启扇上部组角部位因连接不可靠,承载能力不够(包括重量)产生窗扇下部整体拉脱并坠落已成为常见的现象,图20为窗扇下部整体拉脱的状况,左图为坠落地上的窗扇,右图为留在窗框上的窗扇上边框和角码。对于上旋悬挂形式的开启扇,除了应设置有效的防止挂钩脱落的装置外,尚应强化组角件连接可靠性,完善组角件与窗扇框架间的连接强度。同时应强化窗扇与窗框间风撑的连接可靠性,防止风撑被拉脱而失效的现象。图21为出现窗扇坠落的窗扇与窗框风撑的连接及风撑拉脱后的状况,图22为设计修改后的连接状况,风撑与窗扇的连接采用螺栓穿透连接,风撑与窗框的连接螺钉直接固定到幕墙立柱上。

图21

  除了台风的影响,从对近30年来具有建筑门窗幕墙的检查发现,开启部位始终是出问题最多的地方,包括严重渗漏,启闭不畅,以及开启扇坠落的严重安全事故。对于开启扇的设计如何去应对这些问题,值得认真思考和采取对应的措施。随着建筑美学的发展,建筑立面的大分隔板块越来越多,造成了开启扇板块尺寸越来越大,板块尺寸的增大,造成了重量的增加,现在的开启扇重量在面积相同的条件下,可以是以前的3倍有多(3层玻璃),同时也造成风承载面增大。所有这些因素给开启扇的连接设计、连接构件的承载能力和质量提出了严酷的要求,有的甚至不可实现。对于开启扇的面积,JGJ102-2003提出不宜大于1.5m2,但并没有实际的封顶尺寸要求,造成现在的建筑设计存在盲目追求大开窗而不违规的现象,给建筑埋下了安全的隐患。根据具有建筑门窗幕墙的实际情况,应考虑将开启扇面积限定在1.8m2以内,对于外平开窗则应该更小,不应超过1.0m2,且应控制其高宽比。在目前的标准规范中,尚未有对门窗幕墙开启部位的完整设计和计算要求,应尽快的加以完善。为了防止台风期间开启部位锁闭疏忽或瞬间天气突变造成未锁闭或处于开启状态的开启 扇被风掀落,可考虑提高窗扇抗风掀的能力,并研发开启扇的抗风掀试验方法。同时可开发一些安全自锁的装置,确保开启扇在强台风期间或突发状态下的安全。

图22

图23

图24

  2.3安全要点的设计和施工监管

  建筑门窗幕墙最为重要的安全要点应为门窗幕墙与建筑结构的连接点,如果此节点出现松动、脱钩和任何影响承载能力的缺陷,将导致门窗幕墙可能出现从建筑结构上整体坍塌和脱落的严重安全事故,特别是在强台风影响期间,这种问题更为显著。图8、图9为台风期间窗户整体从建筑洞口脱落和坠地,图23为单元式幕墙(词条“单元式幕墙”由行业大百科提供)板块整体从挂钩脱落后下坠。作为门窗幕墙安全要点的连接点出现问题,既有设计问题,也有施工过程存在的质量问题,此处仅讨论与设计有关的试验验证和施工监管的问题。

  门窗幕墙的实样模型试验验证,最主要的目的是对设计效果的验证。但在目前的试验验证中,门窗的试验基本没有能真实的反映出门窗与洞口的实际安装连接状况,幕墙的试验验证同样存在不完整性。所以门窗幕墙的实样模型试验在与建筑结构连接点的验证方面是不完全真实的,应该引起高度的重视。为弥补这一缺陷,我们应该强化门窗幕墙与建筑结构连接点在施工过程中的现场检测和施工质量监管,在门窗幕墙的安全上筑起第一道安全的保障。特别是这些连接部位,在工程施工完毕后均处于隐蔽状态,在门窗幕墙正常使用的日常检查和维护维修过程中非常难于观察到,一旦问题出现时,已有可能造成不可估量的重大损失和安全事故。目前,工程施工过程中包括门窗幕墙与结构安装连接在内的隐蔽工程验收大多基本流于形式,并没有实施严格的监管,这可以从许多门窗幕墙工程的隐蔽工程验收记录表中反映出来。大部分的隐蔽工程记录记载的仅有“验收合格”等字眼,既没有发现任何问题,也没有处理问题的意见和结果,这是完全不可能的现象。最近,香港某一地铁站施工中出现了钢筋长度可能短缺的问题,整个建筑业界、法律界和政府都被牵涉进去。为了确保工程安全,他们制定了方案,不惜重金挖开已施工好的建筑结构,重新进行检验。这种为了建筑安全的严谨精神值得我们学习和仿效,严格的、到位的对门窗幕墙的安全要点进行现场检测和施工安全管控。现在数字化和信息化已非常普遍和发达,我们应该在工程现场的管理中大量引入这些科学可行的手段,像门窗幕墙与建筑结构连接的重要节点,除了采用文字记录外,应增加和保留图片或视频之类的影视检查资料,如图24所示的单元式板块的插接状况,使我们对工程施工质量和安全有更可靠、直观和全面的了解和评判。

  3 结语

  通过对近几年沿海各地强台风对建筑门窗幕墙影响的有限分析可以看到,严格按照现行标准规范进行设计和施工监管的建筑门窗幕墙,在抵抗强台风的作用具有足够可靠的能力,绝大部分的建筑门窗幕墙整体结构稳定,性能良好。对于强台风期间门窗幕墙,包括金属屋面出现的一些破坏,我们应该加以科学的分析和面对。我们可以通过进一步的科学研究、试验和探索,进一步的完善我们的标准规范体系,通过强化我们的工程现场管理水平,来不断地提高建筑门窗幕墙抵抗强台风和超强台风的能力。

  参考文献

  [1]林树枝.高层建筑抗风设计的几点思考.厦门:装配式建筑(词条“装配式建筑”由行业大百科提供)研究中心,2018

  [2] 《热带气旋等级》GBT19201-2006

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专家介绍

 杜继予

铝门窗幕墙委员会专家组

工作单位:深圳市新山幕墙技术咨询有限公司

技术职称:教授级高工

专业:本人自一九八五年起专门从事建筑幕墙、铝质门窗的专项设计,加工制作,施工管理及专业技术和管理工作的咨询顾问。 其他社会职务 建设部幕墙门窗标准化技术委员会专家组副组长等

专长:建筑幕墙、铝质门窗的技术开发,设计、咨询顾问及施工管理。

原文地址:http://www.52mqw.com/info/2019-4-4/45865-1.htm
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