建筑幕墙可靠性各环节分析--技术文章--豪典设计室

【摘要】建筑幕墙可靠性是一个综合体系。本文以结构、材料、工艺的线索来展开对可靠性的分析。
【关键词】建筑幕墙可靠性

　　本文作者：张士翔杨仕超张作萍谭上飞
　　1 引言
　　建筑幕墙可靠性是一个综合体系。对于可靠性概念，或有若干不同的观点。但至少应包括以下内容：
　　结构的安全性：结构的安全性是建筑幕墙可靠性的根本，也是检测的重心。
　　适度的耐久性：耐久性决定了建筑幕墙的寿命，一次寿命取决于各结构性材料寿命的最短者。幕墙毕竟是建筑的外围护结构，不必要求它与主体结构共始终。但耐久性的适度，绝不是以降低可靠性或牺牲安全为代价的。
　　可维持正常使用的基本功能：作为外围护结构，必须能挡风遮雨，这应是最低的功能要求。“遮雨”即雨水渗漏性能，“挡风”包括风压变形性能在内。
　　本文以结构、材料、工艺的线索来展开对可靠性的分析。
　　2 建筑幕墙可靠性各环节简述
　　2.1 结构
　　本文所说的“结构”，包含了建筑幕墙体系的诸环节。从建筑幕墙的“基础”（与建筑主体结构的连接）开始，依次为：与建筑主体结构的连接、板块支撑结构、板块构件固定（含可开部分（开启扇）的固定）、结构胶粘结、面板。
　　保证结构可靠性的众多因素须在设计、选材、加工、安装等阶段性工作中逐项、逐步落实。这也说明可靠性是一个有机的整体。
　　2.2 材料
　　建筑幕墙是由多种材料按一定结构组成的。必须准确掌握各主要材料和重要辅、配件的基本情况，尤其是事关结构安全和主要性能的情况。
　　2.3 工艺
　　生产与施工是设计方案的实施，工艺是联系设计方案与完成产品的桥梁。审核与验证设计方案和确定材料后，工艺便是决定建筑幕墙可靠性的关键因素。
　　3 建筑幕墙可靠性各环节的分析
　　3.1 结构
　　建筑幕墙的结构形式有若干种。但同作为建筑的外围护结构，其所处的位置和所起的作用决定了其结构上基本脉络的一致。
　　1 与建筑主体结构的连接
　　建筑幕墙的“基础”，幕墙结构体系的第一层。幕墙通过与主体结构有效连接，自身作为围护结构才能立足，才能承受各种荷载（如重力荷载、风荷载）与作用（如地震作用）。这就是行业内所说的“生根”。
　　幕墙与主体结构的连接有多种方式，规范的做法应在建筑主体结构施工前完成预埋件的设计，位置应准确。对预埋件必须进行进场检验。
与连接可靠性相关的另一因素是预埋件的质量。预埋件能否保证连接的可靠，关键之一是焊接力，这也是必检项目，目的在于得知断点位置是否在焊接处和发生断裂时的荷载峰值。
　　当没有条件采用预埋件时，应采用其他可靠的连接措施，如膨胀螺栓、化学锚栓等后锚固方式。无论哪种方式，均应以必要手段（包括检测）确定其可靠性。
　　2 板块支撑结构
　　此为幕墙的主干部分，为结构体系的第二层。一直以来幕墙的主要分类方式之一，就是按其结构区分的：
　　1）框支承（包括框架式、单元式）幕墙：
　　板块支撑结构重点在立柱与横梁。其可靠性的重点是刚度和强度。金属材料（铝合金或型钢）的强度一般不需担心，设计（包括选材）的重点在刚度的把握。
　　决定主受力杆（立柱与横梁）挠度的因素有：材质（决定弹性模量）、断面规格（决定惯性矩）、杆件两边分格（决定线荷载）、支承方式与跨度、荷载。
　　2）点支承（包括钢结构、张拉杆索）幕墙：
　　以钢结构为支承的点支承幕墙，结构重点在主受力杆，与框支承幕墙相同。
　　以张拉杆索体系为支承体系的点支承幕墙，张拉杆索体系应在两个正交方向都形成稳定结构，因为拉杆和拉索是只承受拉力、不能承受压力的。只有在施加预应力后，才能形成形状不变的受力体系，故必须注意两个关键：一是设计中计算满足体系结构要求的预应力，二是考虑建筑主体结构承受的附加作用力。
　　3）全玻（包括肋驳接、肋点支撑、吊挂式）幕墙：
　　全玻幕墙依靠玻璃肋、结构胶缝、爪点、上下槽型钢来支承玻璃板块，结构较脆弱，不宜取太大跨度。
　　除设计计算及审核外，风压变形测试或结构荷载变形测试也是必不可少的。
　　板块支撑结构中，包含“结构内连接”的要素。对于框架式幕墙即立柱与横梁的连接、开启扇框料与框架的连接，常见的有插接式与栓接式（例见图1），前者重点在材料接口的设计与加工，后者关键是连接用附件的规格与质量。

　　对于单元式幕墙则为单元板块之间的插接（例见图2），包括横向与纵向的插接，其可靠性建立在板块构件的设计、加工精度与正常的安装操作上。

　　对于点支承玻璃幕墙，涉及爪件与结构（钢结构或张拉杆索体系）的连接，以及支撑杆与拉索、拉杆之间的连接。
　　3 板块构件固定(结构体系第三层)
　　不同结构形式的幕墙，板块构件固定方式也各有特点。
　　1）单元式幕墙从制作过程说，是将面板和金属框架（横梁、立柱）在工厂组装为幕墙单元，以幕墙单元形式在现场完成安装施工的框支承幕墙。其重点在设计与构件加工阶段。在安装阶段，单元板块经过拼接而形成支撑框，拼接过程既是板块支撑结构的形成，也是板块构件固定的程序。技术关键是构件设计、加工与插装操作。
　　2）框架式幕墙的板块构件依靠先一步形成的框架来支撑，可用间断的压（勾）块，可取连续的勾连方式，也可以镶嵌法安装。
　　隐框、半隐框幕墙常用间断的压（勾）块方式来固定板块构件，以这种方式固定的板块在分别承受正、负风荷载时的受力状况是不同的：承受正风荷载时可视为面受力，承受负风荷载时近似于点受力，显然承受负风荷载时更为不利。则固定件的强度、连接与间距即成为影响板块固定的关键因素。
　　明框幕墙板块的固定多用镶嵌法，板块在框架中足够的嵌入量是固定可靠性的保障。
　　石材幕墙的板块则以挂件、背栓等五金件与框架连接，五金件的种类、强度、刚度以及与石材的连接情况决定着板块固定的可靠性。
　　3）点支承幕墙的板块顾名思义是以“点”来支承板块构件，这个“点”或为爪点，或为夹具，一般为不锈钢制品。
　　4）全玻幕墙的面板玻璃号称为四边支承，实际上一般上下边为U型槽镶嵌式（例见图3），两竖边（至少有一竖边）是靠结构胶胶缝与肋玻璃连接（例见图4），即荷载靠胶缝传递。吊挂式安装采用顶部吊夹。

　　5）板块构件固定有一种特殊情况：可开部分（开启扇）的固定。可开部分应具备正常开启关闭的性能，应承担必要时通风和必要时遮风挡雨的功能。
　　由于其特殊的对立统一性，可开部分的可靠性把握起来较为困难。
　　可开部分结构包括窗框、窗扇。窗框与框架固定连接，窗扇再与窗框连接。必须设计窗框，否则窗扇无所依托。
　　从安装方式来看，可开部分的窗扇与窗框可采用挂钩或滑撑连接，应采用可控、可活动锁点来从室内侧启闭。锁点的种类、位置、数量关乎可开部分可靠性，应根据可开部分的分格（大小）、幕墙工程的风荷载设计值来确定。应计算平均每个锁点所分担的荷载，并据此确定锁点的种类、位置、数量，必要时应选用单控多点联动锁。锁点包括两点、四点、十一点等，启闭方式分机械和电动，性能优良，但在构件加工时必须控制好锁点的定位精度和固定质量。
　　采用挂钩或滑撑固定的上悬开启窗，为开启后便于定位，一般在窗扇左右侧下方装有限位滑撑与窗框连接，也称副撑。它在可开部分正常关闭时并不承担荷载，但当窗扇在负风压下脱开时可凭其定位作用避免更大的破坏，所以也称风撑。
　　4 结构胶粘结
　　对于使用结构胶粘结的幕墙板块，板材完全依靠结构胶的粘结作用来固定；对于肋驳接全玻幕墙，面板玻璃与肋玻璃的连接也是依靠驳接缝的结构胶。结构胶由此成为可靠性的关键一环。同时也是薄弱一环。
　　在设计上，必须依据规范和实际工程情况计算出必须达到的结构胶注胶宽度与厚度，这两项参数体现了结构胶承受荷载的能力。
　　在材料进场检验中，必须包括结构胶与相接触材料的粘结性（与基材）和相容性（与附件），板块在正常使用中是否会脱离结构取决于这两项性能。
　　在注胶施工时，必须力争达到“洁净、通风、环境温湿度适宜”等条件，必须确保注胶质量（饱满、密实）。这是为了尽量排除对结构胶粘结质量的干扰。
　　5 面板
　　面板是组成建筑幕墙的主要构件，幕墙的外围护功能主要由面板所体现。建筑幕墙也常以面板类型来分类。
　　面板首先承受来自自然界的外部水平荷载，并将其传递给支承结构体系，因此面板的强度和变形能力直接影响建筑幕墙的使用功能。面板的设计、选择和安装是完成幕墙既定功能的关键环节。
玻璃面板属于易碎品，合理选择玻璃面板的面积以及玻璃种类是设计的重点之一；玻璃面板使用前的边部处理以及安装时装配应力的避免等多方面的因素也是必须考虑的。各种幕墙所用各种玻璃各有其力学计算方法，兹不一一赘述。其中全玻幕墙的面板玻璃通过胶缝与玻璃肋相连结时，面板可作为支承于玻璃肋的单向简支板设计。其应力与挠度可按框支承幕墙的方法计算。
　　石材面板的强度相对较低，且天然石材种类很多，如岩浆岩（花岗岩、玄武岩等）、沉积岩（砂岩、石灰岩等）和变质岩（大理岩、片麻岩等）等，其各自的连接方式及要求也有较大差别，如背部连接、背卡连接、背槽连接及背栓连接等连接方式；另一方面，石材面板的质量较大，这必然影响面板尺寸的选择。
　　幕墙用石材应进行抗弯设计，所得的最大弯曲应力设计值不应超过石板的抗弯强度设计值。其中短槽支承、通槽支承以及四边金属框支承的石板构件，有不同的设计计算方法。由钢销在石板中产生的剪应力应进行校核。
　　对于金属面板，其主要问题有面板与钢龙骨的连接与接触、根据面板尺寸对加肋与否的选择及内力分析和强度校核等。当进行板的挠度计算时，也应考虑大挠度的影响，按小挠度公式计算的挠度也应乘以折减系数。
　　面板设计、选择以及加工安装等各环节作为关键因素，只有全面考虑到位，才能保证幕墙的可靠性。
　　3.2 材料
　　建筑幕墙是由多种材料按一定的结构组成的。按照材料成分分类，有金属材料（铝合金、钢）、玻璃、天然石材、人造板材、密封材料（硅酮结构胶、密封胶）、橡胶材料（胶条）等。
　　按照材料在幕墙结构中所起的作用分类，有连接件材料、框架（或杆索）体系材料、粘结材料、板材、配件、辅件等。
　　一般所说的“建筑幕墙可靠性的检测”，是针对作为一种独立产品或工程的建筑幕墙的。但在进行幕墙整体的可靠性检测时，必须准确掌握各主要材料和重要辅、配件的基本情况，尤其是事关结构安全和主要性能的情况。框架材料的断面规格、各种板材的厚度等关键因素，应属于设计和加工的控制范围。
　　与可靠性有关的材料问题，是材料本身的特性与质量（如铝合金材质、玻璃的钢化程度、石材的抗弯强度、结构胶的产品性能），以及有些在设计中一般不会特别提及的配件、辅件选择（如用于框架连接的螺栓、石材挂件或背栓、窗执手种类、单元板块所用的密封胶条）。其中一些特别关键的材料性能，如玻璃的钢化程度，五金配件的承载力等，在有必要获取第一手材料时应进行直接测试。
　　3.3 加工与安装
　　由于建筑幕墙既有产品的性质又有工程特征，故其完成过程既有生产（加工）阶段，又有施工（安装）阶段。对某些幕墙（如框架式幕墙），这两阶段并未截然分开，在施工（安装）阶段也常有加工工作，如支座定位的钻孔、石材开槽。通过了审核与验证的幕墙设计方案能否逐步落实，在材料确定之后，生产与施工便是决定建筑幕墙可靠性的关键因素。
　　1 材料进厂
　　建筑幕墙所使用的材料，多数是与可靠性密切相关的，工程中必须进行严格的把关。一般，材料的进厂检验由幕墙企业直接把关。但对于关键材料，需要监理单位或第三方机构进行检验把关。
在工程检验中，材料、配件、附件的质量保证文件的核对和规格、性状的符合性检验是很重要的，对所有材料和配件均应进行。
　　2 构件加工
　　包括型材加工（开模、切割、钻孔）、板材加工（切割，玻璃倒棱倒角、点支承玻璃开孔、钢化，金属板折边与加强筋肋配置，石材开槽开孔）、附框与板材的粘结（注结构胶）、单元板块加工等。每一项工作质量都关系到幕墙的安全与可靠性，如玻璃倒棱倒角可减少应力集中所导致的破裂，钢化程度决定了玻璃能否达到安全玻璃的标准，石材切割、开槽后若出现崩裂、损坏会造成强度降低，开启扇板块加工误差过大导致板块过大无法入框或板块过小、开启缝隙太大。
　　许多加工工序都是由专业的产品生产厂家（如铝型材厂、玻璃厂）而不是由幕墙企业承担的，作为用户的幕墙企业若采购验证工作不落实，不符合要求的产品就有可能用于幕墙，这在幕墙业内并不罕见。可靠性检测包括对试件（样本）的核对、检查工作，目的之一正是为了发现与避免此类隐患。
　　如前所述，一些种类的幕墙（如框架式幕墙）在施工（安装）阶段也常有些加工工作，但要特别指出：对于隐框、半隐框幕墙，板块是依靠硅酮结构密封胶的结构粘结作用与框架结构相维系的。为确保结构胶的结构粘结作用，在结构胶未固化时不应承受剪切或拉伸荷载。而若直接在框架上注结构胶并将板块粘贴上去，未固化的结构胶就要承受剪切（板块重力）与拉伸荷载（自然界风荷载）。况且工地现场的环境也很难符合打注硅酮结构密封胶所要求的“洁净、通风、环境温湿度适宜”等条件。这也就是规范规定“除全玻幕墙外，不应在现场打注硅酮结构密封胶”（强制性条文）的原因。附框的作用就是使注胶工序能在专设的注胶车间完成，使注胶构件能在满足要求的环境中养护至胶固化。
　　3 施工安装
　　施工安装是建筑幕墙走向成品、走向竣工的最后一程。之前各环节均已确保、各阶段均已完成，最后要靠安装环节来汇总实现。若安装质量有失，幕墙的可靠性也会化为乌有。
　　不同类型建筑幕墙的安装有其各自的特点或关键点：
　　1）框支承幕墙
　　框支承幕墙的结构内连接在安装阶段完成，栓接、插接或焊接质量是关键。
　　隐框、半隐框幕墙多以间断点形式固定板块，安装时必须遵循设计要求，确保压（勾）码或挂件的材质、固定连接件的种类（不采用自攻螺钉）、固定点的间距等要素。
　　明框幕墙的安装要点在于板块嵌入量的控制与避免刚性接触的措施。某大厦采用了明框幕墙，使用中玻璃坠落。经我机构现场检查，发现玻璃嵌入量仅6-10mm，远低于标准要求的15mm；加上玻璃分格较大而挠度较高，在弯曲到一定程度时脱出框架就不奇怪了。
　　框支承幕墙还有一个可开部分安装的工作，拼缝与螺孔密封质量，窗扇窗框间的压紧胶条装配，靠滑撑悬挂的开启扇之滑撑定位，窗锁点的布置、安装与必要的调节，无不事关密封性能、事关抗风压性能。幕墙日常使用中，可开部分漏水问题最为用户所诟病，检测中窗扇的功能障碍和损坏也时有发生。
　　2）点支承幕墙
　　张拉杆索的预拉力必须按设计要求施加，且采用测力计测定（每次使用前都要校准）；拉杆、拉索的预拉力应分次、分批对称张拉，并注意过程中的随时调整。预拉力施加，决定着张拉杆索体系结构能否成立。个别杆索预拉不当可能造成承受荷载时结构不稳、玻璃扭曲破碎。
　　支承装置的安装应符合设计对偏差的要求，以免玻璃产生不利的附加应力。
　　3）全玻幕墙
　　以单块或驳接成的玻璃作支撑，一定要避免它在荷载作用下与支座U型钢槽发生刚性接触，尤其要考虑在幕墙面法线方向上的风荷载作用下产生位移的情况。因此玻璃与槽侧壁应留足够空隙，应在槽内各面设置硬质橡胶垫块后再以密封胶注满。
　　玻璃肋应选用安全玻璃，安全玻璃中的钢化玻璃最忌局部应力集中，一旦刚性接触，可能在瞬间发生破碎。面板和肋玻璃的垂直度和水平度也与安全相关。
　　由此足见安装环节是要害所在，精心选购的上等材料，耗巨资设计、兴建的幕墙，就有可能在这些隐蔽战线的漏洞上付诸东流。
　　4 小结
　　在掌握幕墙可靠性各环节后，才能了解幕墙可靠性的薄弱点，才能在幕墙设计、施工、检测中把握全面、突出重点。一些工作未能从总体上把握建筑幕墙可靠性的概念与体系，造成只知走程序、简单下结论，而对出现的问题不知其原因，正是由于忽略了这一重要工作。
　　参考文献
　　[1] 中华人民共和国行业标准《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ102-2003
　　[2] 中华人民共和国行业标准《金属与石材幕墙工程技术规范》JGJ133-2001
　　[3] 中华人民共和国行业标准《玻璃幕墙工程质量检验标准》JGJ/T139-2001