【門窗幕墻網】0 幕墻經受強臺風的考驗
按照規范正確進行設計和施工的幕墻,可以抵抗強臺風的襲擊。
2018年9月16日，超強臺風山竹在珠三角登陸，廣州、深圳、珠海的建筑幕墻經受了一次嚴峻的考驗。這次臺風最大風力達到14至16級，遠遠超出了幕墻設計的標準。
在這次超強臺風中，絕大多數幕墻表現是良好的，在遠超設計風力的強風吹襲下，幕墻沒有破損或者破損輕微(圖 0.1至圖0.4)。
其中，在設計和建造過程中最令人擔心的幾棟特殊建筑幕墻，表現出極為良好的抗風能力，使我們深深認識到：認真設計，認真施工，可以大大提高建筑幕墻的抗風能力。
1. 超高建筑
深圳平安金融中心，600m高，明框幕墻，不銹鋼板豎向線條(圖0.5)。此外如廣州塔(600m)，廣州東塔(528m)，廣州西塔(432m)，深圳京基100(412m)，深圳地王大廈(350m)等均未發生強風產生的破損。
2. 超高陶板裝飾線條
廣州周大福中心(廣州東塔，528m)，豎向采用空心陶板裝飾線條，安裝到500m以上的高空，這是世界獨一無二的，由于事先采取了特殊的加強措施，這種脆性的材料在強風中安全無恙(圖 0.6)。
3. 世界最高的隱框玻璃幕墻
廣州國際金融中心(廣州西塔，432m)，玻璃單元板塊最大1.5mX6.0m，重600kg。全隱框幕墻，世界第一高。采用了高強結構膠。山竹臺風中表現良好，無損害(圖 0.7)。
1 風力對建筑幕墻的作用
1.1 風力沿建筑表面的分布
作用在建筑物表面風力大小與風速的平方成正比。2016年9月，莫蘭蒂臺風在廈門登陸，風速達48m/s，換算風荷載達 1.44kN/m2，為廈門按規范設計風力的 1.8 倍。
作用于建筑物表面，即幕墻上的風力不是均勻分布的。在水平面上，建筑物的角部幕墻受到的風力比大面上的風力要大得多(圖1.1)。莫蘭蒂臺風中，許多幕墻角部附近的玻璃損壞比大面上的玻璃要多(圖1.2)。
沿幕墻高度方向，風荷載總的趨勢是隨著高度加大而逐漸加大。所以荷載規范給出的風荷載高度系數是沿高度逐漸加大的(圖1.3)。但實際上由于氣流在建筑物頂部可以較順利地滑過，頂部的風力反而減少(圖1.4)。風力現場實測表明：風力的最大值不在幕墻的頂點，而在幕墻的 1/2 至 3/4 高度上。
圖 1.5 為廣州環市廣場大廈(220m，石材幕墻)在風洞試驗中的風力沿高度分布的實測結果。實測數據表明頂部風力分布與規范給出的分布是有差別的。
美國 M.I.T 大廈的風力實測也得到類似的結果(圖 1.6)。
圖1.7 為廈門中綠大廈玻璃幕墻在莫蘭蒂臺風中損壞玻璃沿高度的分布，損壞最多的部位是幕墻的中高部分。
9
1.2 狹縫效應
空氣通過相鄰建筑物之間的狹縫時，風速會相應加大(圖 1.8)。這就使得狹縫兩側和正對狹縫后排的建筑幕墻受到更大的風力作用，發生更嚴重的風力破損。
圖1.9 為廈門寶墅住宅區，第一排住宅正對大海，直接受到登陸臺風的襲擊。但是臺風過后，第一排首當其沖的住宅玻璃破碎較少，而第二排、第三排住宅樓的門窗玻璃破損要嚴重得多(圖1.10)。
1.3 幕墻構件的風振疲勞
風力的大小隨時間不斷變化，幕墻構件受到的風荷載也在急速變化(圖 1.12)。幕墻構件的荷載是脈動的、疲勞的荷載。
在幕墻生存期內(30至50年)，幕墻構件受到的疲勞次數可以達到10萬到100萬次。因此，面板、結構膠、連接件和支承結構的耐疲勞性能要充分注意。
2 設計風荷載
2.1 幕墻設計風荷載首先按規范計算
作用在幕墻上的風荷載首先應按《建筑結構荷載規范》進行計算。按50年一遇取用當地的基本風壓，選取相應的體形系數、高度系數和風振系數，計算風荷載的標準值，并考慮超載系數1.4 計算其設計值。這是幕墻設計的最基本依據。
2.2 風洞試驗是重要的設計手段
實際建筑物外形往往比較復雜，附加裝飾較多，超出規范的常規范圍;加之臨近建筑的影響往往需要考慮，這時風洞試驗就成為重要的設計手段。近年來我國建成了許多建筑風洞，適應工程建設的需要。圖 2.1 為中國建筑科學研究院的建筑風洞，其試驗段的截面為6.5m X 3.5m，可以適應大比例建筑模型實驗的需要。
圖2.2 為國內外一些大型工程的風洞試驗，試驗結果為這些工程的主體結構和幕墻設計提供了重要的依據。
2.2 風洞試驗結果的分析判斷
風洞試驗結果是幕墻抗風設計的重要依據，但要用好這些試驗結果，必須對試驗數據進行分析判斷。
首先，風洞試驗設備是大型、復雜的試驗系統，其可靠性取決于運行技術和良好的維護。事實上，往往同一個工程在不同的風洞試驗室進行試驗，其結果會有明顯差別。因此重大、復雜的工程宜在兩個以上的試驗室進行試驗。上海市明確要求 300m 以上的超高層建筑應在兩個不同的試驗室進行風洞試驗。
第二，建筑物不同于火箭、飛機、汽車，其體量巨大，進行風洞試驗時模型比例較小，一般單體試驗為 1/100 至 1/250;群體風環境試驗的比例更小到 1/500 至 1/2000。因此這種小比例模型難以表達原建筑的建筑細部，而且其結果的相似性和模擬可信度也難以確定。
第三，風洞試驗測量的數據并不是直接用于實體工程的風荷載，從測量的數據到設計用的風荷載，中間要經過多次轉換，用到許多轉換系數，轉換過程人為因素會有一些影響。
試驗者的工程經驗和直覺判斷非常重要。因此純學術型的風洞實驗室往往提交出偏離實際的實驗結果。重要工程的風洞試驗宜在有較多工程經驗的風洞實驗室進行。
由于上述多種因素的影響，設計人員拿到的風洞試驗報告中，往往可能出現明顯偏離工程實踐經驗的數據點，對這些偏離實際的“奇點”，應對其數據進行分析判斷，決定其取舍，而不能照搬照用。某大型國際會議中心(圖2.3)因其體型極其復雜，無法按規范確定其準確的風荷載，因此進行了風洞試驗。實驗結果風洞試驗報告中，許多點的風荷載數值達到 1.4 kN/m2。
這個數值達到按規范計算風荷載值的 3 倍，也達到周邊臨近點試驗值的3.5倍以上。從工程經驗來看，這是不可能的。因此經過細致分析，舍棄了這些奇點的不合理峰值。
所以， 《玻璃幕墻工程技術規范 JGJ 102》 和 《金屬與石材幕墻工程技術規范 JGJ 133》 中，沒有采用“按照風洞試驗數據進行幕墻設計”的表達方式。
2.3 幕墻設計風荷載的決定
幕墻的設計風荷載首先按照《建筑結構荷載規范》進行計算。當未進行風洞試驗時，幕墻按照規范計算結果進行抗風設計。
進行了風洞試驗時，對提供的風洞試驗結果應加以分析，了解風洞試驗段的風力分布和數據轉換過程中所用的系數數值是否符合規范規定，并根據工程經驗和計算結果加以判斷，然后確定如何在設計中應用。
由于上述2.2中所述情況，所以規范第5.3.3條沒有寫成“應按照試驗數值采用” ，而是寫成“ 可按試驗結果和計算結果綜合分析確定” 、“宜進行風洞試驗并按風洞試驗結果和計算結果綜合分析確定風荷載”。不是直接采用試驗結果，而是和計算結果綜合分析后再確定風荷載。
3 防止臺風對幕墻的二次破壞
3.1 臺風對幕墻玻璃的二次破壞
臺風中幕墻玻璃的破損，除直接被風力壓碎以外，還有許多玻璃面板是因為被臺風卷起、夾帶的雜物擊碎的。這些沖擊碎物，一些來自地面，磚石、棍棒等被強大的風力抬升，撞向玻璃幕墻;還有一些是建筑幕墻高處破損后，破碎的構件被臺風夾帶，撞擊較低處的玻璃面板，造成二次傷害(圖3.1 - 圖3.4)。
3.2 抗臺風玻璃和抗臺風幕墻門窗
抗臺風玻璃是加強型夾膠玻璃，能耐受風持雜物的沖擊，沖擊后能保持玻璃的完整性和門窗幕墻的建筑功能。重要的工程，玻璃破碎后會產生重大損失的工程，可以采用防碎物沖擊玻璃(防臺風玻璃)及其門窗產品(圖 3.5)。
防碎物沖擊玻璃可以是高強單片玻璃、夾膠玻璃或夾膠中空玻璃。根據需要防止的雜物的種類和大小，選用防臺風玻璃的等級，決定玻璃的厚度和構成，并通過試驗加以驗證(圖 3.6)。
GB/T29738《建筑幕墻和門窗抗風攜碎物沖擊性能分級及檢測方法》中，規定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。 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。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。
我國如金剛玻璃公司等廠家從2005年開始防臺風攜碎物玻璃的研發工作，已經可以提供防臺風玻璃和采用防臺風玻璃的門窗系統。 通過國內外防臺風實驗室檢測，國產防臺風玻璃和防臺風門窗系統產品的防沖擊性能可以達到和超過最高級別 E 級的要求。
4 大尺寸玻璃的抗風能力
4.1 許多幕墻工程采用大尺寸玻璃
由于建筑功能和建筑藝術的需要，許多幕墻工程采用了大尺寸玻璃。
廣州西塔是世界最高的隱框幕墻(2008年建成)，高度432m(圖4.1)。玻璃4.5米X1.5米，6.0米X1.5米，玻璃配置:(8mm+1.52PVB+8mm)+12A+10mm。 玻璃采用半鋼化。最大玻璃板塊面積達 9 m2，重量達600kg。全部玻璃采用高強結構膠與副框粘結。至今已經10年，多次臺風吹襲，大玻璃安全可靠。
天津 117 工程，高度597m。玻璃尺寸為1.5m X 6.0m，面積達 9.0m2。玻璃：超白、Low-E、中空、外片PVB夾膠半鋼化 、內片鋼化。 標準層： ( 8 + 1.52 PVB + 8 )+12A + 8;高空大堂層(32、63、94、115、116層)：( 8 + 1.52 PVB + 8 )+ 12A + 10( 12)。
北京金霖酒店采用懸膜中空玻璃，內外均為12mm 鋼化玻璃，尺寸達到 2m X 9.8m(圖 4.3)。
目前，中國是世界超大玻璃的供應國，可以生產最大尺寸為18m X 4m，厚度達25mm的超大玻璃;并對長達 18m 的玻璃進行鋼化、夾膠、熱彎和中空等深加工。各國蘋果店的超大夾膠玻璃都是北玻供貨的。
美國加州的蘋果總部為直徑 500m 的環形辦公樓，4層，玻璃幕墻總長度達6000m(圖4.4)。
玻璃類型：超白，Low-E 鋼化，熱彎，中空 ;玻璃尺寸：15m X 3.3m;玻璃面積：50㎡ ;
玻璃配置： 12mm+16mmAr+12mm。 全部大玻璃由中國供應或由在德國的中國設備生產。
4.2 超大玻璃的尺寸應由安全條件決定
超大玻璃是否安全首先要考慮對于人身撞擊是否安全。試驗證明，厚度為10mm及以上的鋼化玻璃，不會因人身撞擊而破碎，厚度 12mm 及以上的落地鋼化玻璃也可以不設置防護欄桿(圖 4.5、圖4.6)。
所以，采用厚度10mm及以上的鋼化玻璃及鋼化中空玻璃時，不必因考慮人身安全而對玻璃尺寸限制過嚴。
幕墻玻璃主要的面外荷載是風力，只要經過抗風設計，滿足承載力和剛度要求，玻璃可采用較大的尺寸。
國內外大量工程采用了大尺寸玻璃，使用經驗表明沒有什么問題。實踐是檢驗真理的標準，還是按照常規設計方法進行設計，不要人為隨意規定一些限制。
5 提高玻璃幕墻的抗風能力
構造措施是提高玻璃幕墻抗風能力，確保玻璃幕墻在臺風襲擊時安全工作的重要手段。以下這些做法是幕墻設計時應予注意的。
1. 中空玻璃的二道密封膠要采用硅酮結構膠。結構膠寬度通過風荷載計算決定，最小 7mm。
2. 開啟扇要妥善處理，面積不宜大于 1.5㎡ ，掛鉤要有足夠入槽深度，要有限 位裝置。
3. 明框壓板厚度不小于2.0mm。
4. 幕墻下方設隔離帶，入口設雨棚。
5.1 正確采用中空玻璃二道密封膠
中空玻璃二道密封膠粘結前后玻璃。在明框玻璃板塊中由于有金屬壓條固定，風力和地震力由壓條承受，二道密封膠不承受外力，所以可采用聚硫膠。
隱框幕墻、半隱框幕墻、全玻幕墻和點支承幕墻的中空玻璃，二道密封膠是要承受風力和地震力的，隱框幕墻和半隱框幕墻的中空玻璃，二道密封膠還要承受外片玻璃的自重。所以必須采用硅酮結構密封膠。鋼爪、夾板支承的點支玻璃，離開支點較遠的部位，二道密封膠也要部分受力，也要采用硅酮結構密封膠作為中空玻璃的二道密封。
2011年，杭州慶春大廈發生19樓外玻整片墜落重傷行人的事件。這是由于業主自行決定將部分固定玻璃板塊改為開啟窗，交由非專業門窗廠施工。違反隱框中空玻璃二道密封膠必須用硅酮結構膠的規定，竟然采用聚硫膠，導致外片玻璃整片滑落，砸斷行人小腿導致截肢。經檢查，膠與鋁框接觸面光滑、潮濕，玻璃是在風力作用下整體滑落(圖5.1)。
二道密封膠的寬度要由隱框、半隱框中空玻璃的荷載、尺寸，通過計算決定。并且不得小于 7 mm。
由于中空玻璃二道密封膠的質量問題，2016年9月莫蘭蒂臺風中，廈門有些幕墻中空玻璃的外片掉落(圖5.2)。
5.2 活動開啟扇
玻璃幕墻的活動開啟扇不應采用外開平開窗（詞條“平開窗”由行業大百科提供），外開窗容易被大風吹落;也不應采用推拉窗，推拉窗密封性能差，大雨大風中易漏風滲水。目前廣泛采用上懸外開窗。上懸窗的開啟角度不應大于30度，下端開啟距離不應大于300mm (圖5.3)。
上懸窗的掛鉤應有足夠的入槽深度，并設有金屬的限位防脫鉤裝置(圖5.4)。
圖 5.5 為北京某高層寫字樓的開啟扇被風吹落，其上懸掛鉤入槽設計不當，且沒有設置限位裝置。圖6.6 為北京某三甲醫院的開啟扇被吹落，其上懸掛鉤與橫梁不成整體，且自攻螺釘固定處的橫梁壁厚太小，螺釘（詞條“螺釘”由行業大百科提供）無法固定，大風將螺釘從釘孔處拔出;加之采用塑料限位塊，脫鉤時被擠壓變形，不起限位作用，阻止不了開啟扇被大風吹落。
在臺風吹襲下，開啟扇墜落的事件更容易發生，合理進行開啟扇設計，確保開啟扇安全尤為重要(圖5.7、圖5.8)。
5.3 隱框玻璃的壓塊
隱框玻璃板塊的副框由壓塊、螺釘連接到鋁橫梁和鋁立柱上，玻璃面板的風荷載要由壓塊、螺釘傳遞到支承結構上，所以壓塊和螺釘的受力應加以計算，且間距不大于300mm。
天津五礦大廈隱框玻璃幕墻的角部玻璃板塊，2010年3月，幕墻玻璃正在安裝中，由于等待修改設計，角縫處附框懸空，尚未固定，四邊支承板成為一個長邊自由、三邊簡支板。 當晚刮8級大風，現場未封閉，玻璃正反面均受大風長時間作用。大塊的玻璃連框拔出，整塊掉落。小尺寸玻璃未出問題(圖5.9)。
隱框玻璃幕墻角部板塊超大，面積達7平方米，邊長達3.2米，附框相對薄弱，易變形。施工過程，外部未封閉。遇8級以上大風，板腹背均受大的風力;尤其位于銳角角區，風力更大。壓塊間距過大，每個壓塊受力太大，而固定螺釘部位型材壁厚加厚不足，風反復作用，螺釘孔晃大，螺釘終于逐個拔出，玻璃連框整塊掉下(圖5.10)。
6 提高鋁板幕墻的抗風能力
6.1 臺風中鋁板幕墻表現總體良好
在2016年莫拉蒂臺風和2017年天鴿臺風中，廈門和珠海的鋁板幕墻抗風能力總體良好，鋁板幕墻損壞不多(圖6.1)。采用鋁板幕墻的工程，在這次臺風中損害較少。鋁板的板塊是折邊的，通過角碼、螺釘與橫梁、立柱連接，工作比較可靠。
發生風損壞的原因通常是折邊過少，螺釘開孔過分靠近板邊緣，風力作用下板邊撕開。還有就是角碼距離過大，螺釘連接處鋁型材沒有局部加厚，螺釘拔出，連接失效。
但是，既然發生了損壞，就有必要進一步提高鋁板幕墻的抗風能力。
6.2 鋁板折邊要有足夠寬度，螺釘孔離板邊有足夠距離
螺釘孔離開鋁板的板邊要有足夠的距離，避免在拉力作用下鋁板被撕開。孔中心點至板邊的距離不應小于 2 倍的孔徑(圖6.2)。為此，折邊鋁板的折邊寬度不應小于25mm(圖6.3)。
圖6.4為在莫蘭蒂臺風中吹落的鋁板，明顯是由于孔邊剩余鋁板太窄，孔邊被撕開，鋁板失去固定而吹落。
6.3 面板的厚度要適應連接構造
選用非常規的面板連接構造時，面板的厚度要與連接構造相適應，未經試驗驗證確保安全，不要隨意改動。廣州新保利大廈自2007年建成以來，連年在臺風中鋁板被吹落，不得不從新改造(圖6.5)。
本工程采用白色單層鋁板，2007-2012年，每年在臺風中都有板塊吹落。鋁板與鋁橫梁立柱的連接采用歐洲的平板開縫、種釘掛鉤的方式(圖6.6)。
這種連接方式要求鋁面板厚度不小于 5mm ，使面板有足夠的剛度，防止大風下產生過大變形，避免掛鉤轉動拔出，保證掛鉤工作可靠。但是本工程自行將板厚更改為 3mm ，面板在大風中變形過大，掛鉤滑出，面板吹落。到2012年，只得拆除全部鋁面板，改為國內傳統的折邊連接方式。
7 結語
歷史的經驗證明，只要嚴格按照幕墻規范進行設計和施工，建筑幕墻在臺風中的表現是良好的，是經得起臺風的考驗的。圖7.1為深圳發展中心，1987年建成，內地第一座隱框玻璃幕墻。至今30年，經歷多次強臺風，完好無損。圖7.2為深圳蛇口新時代廣場，高175m，為內地第一座超過100m的石材幕墻，位于海邊風口，1997年建成。 30mm厚花崗巖板，通槽長掛板連接。20多年來，經受多次超強臺風襲擊，無損壞。
2016年百年不遇的強臺風莫蘭蒂襲擊廈門，風力大大超出了設計標準，但是絕大部分幕墻完好無損;2017年超強臺風天鴿襲擊珠海，港珠澳大橋人工島、珠海大劇院等海上建筑的幕墻處于波浪滔天的包圍之中，臺風過后安然無恙(圖7.3)。
按幕墻規范認真進行設計，嚴格進行施工，就能確保建筑幕墻的質量，確保幕墻在設計標準的大風作用下的安全。
