台风侵袭下的门窗幕墙玻璃安全

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　　近年来，频发的超强台风来势汹汹，海燕、灿鸿、妮妲、海马等超强台风的破坏力无不让人心有余悸，而台风“莫兰蒂”更是重创厦门，台风登陆鼎盛时强度（词条“强度”由行业大百科提供）达到17级(表1)，是厦门市自新中国成立以来所遭受的最强的一次台风侵袭，狂风暴雨过后整个城市满目疮痍，令人触目惊心，灾难直接导致经济损失高达102亿元，房屋倒塌或损坏达17907间，尤其是靠近海边的诸多高层海景房，其玻璃幕墙、门窗损毁严重。建筑幕墙、门窗（词条“窗”由行业大百科提供）的安全问题，再次成为全社会关注的焦点。

表1 台风莫兰蒂气象数据

　　作为建筑物外围护结构的门窗幕墙，是抵御外界灾害入侵的第一道屏障，如果其安全性无法保证，那么保障居民基本的生命安全就无从谈起。

　　此次厦门莫兰蒂台风对厦门各建筑物的玻璃幕墙、门窗造成了不同程度的损坏，很多建筑幕墙受损，少数受损比较严重。总体讲，玻璃的破损情况还是相当突出，特别是一些沿海建筑，海景房阳台的玻璃、玻璃门、玻璃窗损毁严重(图1~图4)

图1 门窗幕墙受损情况

图2 门窗幕墙受损情况

图3 门窗幕墙受损情况

图4 门窗幕墙受损情况

　　据有关方面对建筑幕墙在台风“莫兰蒂”的损毁情况统计，大多数的幕墙受损是由于玻璃受损，占73%(图5)。门窗幕墙玻璃已成为建筑围护结构抵抗台风袭击的最薄弱环节。

图5 数据来自中国幕墙网

　　导致门窗幕墙玻璃大面积损毁的原因，分析主要有以下几点：

　　1、莫兰蒂台风超强，设计上未考虑超强台风的客观因素。国家标准对玻璃幕墙设计标准承受风压的上限值为12级，而此次强台风风力最大风力达15级，局部地区甚至达到17级以上，远远超过设计值的上限。

　　2、部分玻璃抗风压设计等级可能偏低，甚至没有抗风性能设计，造成使用的玻璃面板强度低、厚度薄。

　　3、部分建筑由于建筑物之间风切变的影响，加剧了台风的强度，形成了瞬间风力剧增的情况;

　　4、许多业主喜欢将部分玻璃幕墙开启扇当通风窗使用，甚至还私自更改原设计，安装不符合安全标准的玻璃，开启活动越多密封性能就越差，一旦受风荷载作用未关闭的开启窗等部位受震动，极易造成玻璃破裂、开启扇变形，甚至整体脱落。

　　5、除了以上因素，我们认为多数玻璃破裂的最关键原因还是由台风携带的碎物撞击所致，而非台风本身风压所致。台风对建筑物袭击的最显著特征是在不断变化的高风压下伴随着高速夹杂物的冲击，风携碎物冲击的破坏力是惊人的(图6、图7)。超强风压夹杂着高速碎物、雨水的叠加作用使门窗幕墙玻璃或面积较大的阳台玻璃超过受力极限导致受损。

图6 风携碎物冲击的破坏力惊人

图7 风携碎物冲击的破坏力惊人

　　据有关资料证明，台风发生时，台风对建筑物造成的破坏，大部分是通过台风产生的循环风压及飓风夹带的固体杂物冲击，先破坏建筑物中最薄弱的玻璃部分，玻璃碎片的飞溅造成对人们生命及财产的破坏，然后强风进入屋内，对建筑物形成增压破坏力，最坏的情况下可以掀翻屋顶甚至破坏整个建筑物结构(图8)。因此，建筑玻璃防飓风性能的好坏直接关系到人们的生命财产受威胁及整个建筑物受破坏的可能性。玻璃是门窗幕墙建筑外围护结构最敏感的部件之一，需要重点加以保护以免台风成为灾难。

图8 台风通过破坏窗玻璃进而破坏建筑结构

　　目前我国门窗、幕墙抗风压设计，主要的考虑因素是在风荷载作用下玻璃的最大应力设计值不能超过短期荷载作用下的玻璃强度标准值（词条“强度标准值”由行业大百科提供）、挠度要求及承载力极限状态和正常使用极限状态的要求等;门窗幕墙的性能检测主要侧重气密性、水密性和抗风压性能;而在反复气压循环条件下的抗风携碎物冲击这个抵抗台风的关键技术指标设计和测试上存在缺失。

　　2004年初，四部委联合下发《建筑安全玻璃管理规定》规定十一个部位必须使用安全玻璃，其中包括了7层及7层以上建筑物外开窗、面积大于1.5平方米的窗玻璃等。安全玻璃在建筑门窗上得以普及应用，然而安全玻璃的安全性能如抗落球冲击、霰弹袋冲击性能等并不能替代抗风携碎物冲击性能，后者更苛刻。普通钢化玻璃、夹层玻璃门窗虽然具有一定的安全性能，但其安全级别仍偏低，还不足以抵御强台风所产生的破坏力。

　　作为频繁受到飓风袭击的美国，在门窗、幕墙防飓风方面的经验值得我们借鉴。

　　安德鲁飓风是值得美国人铭记的飓风，它促成了美国建筑物防飓风方面的立法。1992年，安德鲁飓风从8月16日开始一直持续到8月28日，席卷了佛罗里达、巴哈马群岛和路易斯安那，重创美国，它造成了27人死亡，近8万人背井离乡。防飓风的建筑规范的制订就始于1992年，以保护美国公民和建筑物。国际建筑规范(IBC)、国际住宅规范(IRC)和佛罗里达建筑规范(FBC)等规范的实施目的就是用以保护建筑物外围护结构免受飓风侵袭。佛罗里达的建筑规范要求在布劳沃德、迈阿密-戴德等高速飓风区的抗撞击系统必须满足迈阿密-戴德技术标准：

　　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”。

　　以上这些防飓风测试标准在佛罗里达被广泛认可。当然还要根据ASTM E1300确定玻璃厚度，根据ASCE7-98进行抗风压设计。

　　美国ASTM E1996《受飓风中的风携碎物冲击的外窗、幕墙、门和百叶窗（词条“百叶窗”由行业大百科提供）的性能技术规范》按照不同的发射物和发射速度将门窗幕墙的抗飓风级别分为A、B、C、D、E五个级别(图9)。测试样品在通过发射物冲击测试后还必须通过次正、负压各4500次、共计9000次的循环风压试验(图10)。试验后门窗玻璃应保持完整，不能被发射物穿透，也不能产生可使76mm直径球体通过的开口及长度超过130mm的裂口。

图9 ASTM E1996发射物冲击试验对发射物的要求

图10 ASTM E1996对压差循环试验的要求

　　在进行防飓风设计时，可根据美国大西洋海岸的不同风区、不同建筑高度和建筑物保护类别，确定门窗、幕墙防风携碎物冲击级别((图11~图12)。

图11 美国东海岸风速分区

图12 门窗幕墙抗风携碎物冲击的级别确定

　　我国海岸线漫长，是太平洋沿岸遭受台风侵袭最频繁的国家之一，每年台风给我国海南、广东、福建、浙江等沿海各省带来巨大的经济损失和人员伤亡。根据1949年以来的台风资料分析，我国的热带气旋在登陆时的强度有逐年增加的趋势，并且在登陆台风中强台风所占比重也呈逐年增加的趋势。解决建筑物门窗幕墙的台风防护问题已刻不容缓。

　　建筑物在门窗幕墙设计上，主要考虑的是功能、审美和可建造性。然而为确保这些建筑在设计寿命内的功能和审美性，还需对地区性自然灾害因素予以考虑，如台风袭击等，防御这些自然灾害而对建筑物提出的要求，与日常功能要求同等重要。

　　我们认为，沿海台风高发地区的建筑，应根据当地的基本风速，进行适当的防台风设计。 而对于敏感建筑、要害建筑、应急设施等，应提高防台风设计的级别，如医院、应急健康医疗中心;监狱和拘留所;消防、急救、警局和急救车库;指定的应急避难所;电站;商业中心和其他要求应急反应的公共设施;具有国防功能的建筑物和其他设施等等。门窗幕墙产品只有通过了相应级别的防台风测试，才能应用于实际工程。

　　令人欣慰的是，我国已陆续发布实施了防台风的相关标准：

　　Ø 2013年9月1日，JC/T2165《防台风玻璃》实施;

　　Ø 2014年6月1日，GB/T29738《玻璃幕墙和门窗抗风携碎物冲击性能分级及检测方法》实施。

　　Ø 2015年12月1日，GB/T31433《建筑幕墙、门窗通用技术条件》实施，该标准将抗风携碎物冲击性能作为可选性能列入安全性指标。

　　这些国家或行业标准的制订是以美国标准为重要参照，它的颁布

　　反映了我国建筑幕墙、门窗行业对防台风的日益重视和我国防台风技术法规的进步。

　　与此同时，我国一些企业在防台风门窗、玻璃产品的研发上也加快了步伐，并达到了世界先进水平。如广东金刚玻璃科技股份有限公司的防飓风玻璃及门窗产品，按照美国标准经美国佛罗里达州迈阿密防飓风试验室Hurricane Test Laboratory检测(图13~16)，防飓风性能可以达到美国标准规定的最高级别E级，可承受63米/秒以上的飓风冲击和±200psf风荷载作用下9000次的压差循环测试(测试数据见表2)。这也是我国首家通过美国迈阿密防飓风试验室测试的企业。

图13 发射物冲击测试

图14 气压循环测试

表2 金刚防飓风玻璃测试数据

　　注：测试数据来源于美国迈阿密防飓风实验室测试报告。

　　技术标准和产品研发的进步，并不意味着产品的普及应用。基于上述标准是非强制性的，不具约束力，因此在发布实施后执行力度上相对有限，我国沿海地区建筑幕墙、门窗工程也鲜有做过防台风性能的专门设计、测试和普及应用。建议我国沿海台风多发地区如海南、广东、福建、浙江各省在建筑规范方面做防台风的强制性立法，在门窗幕墙规范中加入防风携碎物冲击等特性指标要求，从而更有力地推动和提高我国沿海地区建筑物防台风水平。

　　参考文献

　　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 杨清，莫兰蒂台风对厦门幕墙工程的影响分析，〔R〕工程治理论坛

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