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浅谈:幕墙开启窗的设计规程

来源:2018《建筑门窗幕墙创新与发展》  作者:刘晓烽 闭思廉  日期:2018-5-2
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  摘要:本文探讨了在加大建筑幕墙安全管理的背景下,该如何破解幕墙开启窗安全事故频发的困局。并提出尝试从幕墙开启窗的构造、使用功能等方面着手分析,通过编制合理的设计规程,来保证幕墙开启窗设计满足其构造及结构安全需求。
  关键词:幕墙安全管理,开启窗,安全系数,设计规程

  2016年台风“海马”来袭前,几个同事受命在厂区进行防台风前的安全检查。当查到办公楼幕墙开启(词条“窗”由行业大百科提供)的锁闭情况时,发现有好几个窗扇出了问题,不仅锁闭不了,甚至有个窗扇都不能正常闭合。一使劲,居然搞坏了一侧的不锈钢撑挡!

  也是这次台风,造成深圳市某大厦多个开启窗扇出现损坏脱落。由于该项目位于闹市区,所以一时造成了很坏的社会影响。事后经多方联合调查,发现开启扇损坏脱落的主要原因是因为开启扇尺寸太大,施工单位虽然依据所计算的风荷载和自重选用了对应的窗用五金件,但因为多种原因造成其承载能力(词条“承载能力”由行业大百科提供)并不能满足实际要求。最后这个项目付出了很大代价,专委托五金厂家研发订制了一批加强型的专用配件,并进行全部更换才算较为彻底地解决了问题。

  再往前两年,深圳某个超高层建筑掉了个幕墙开启扇,找我们去诊断评估。结果发现挂钩式开启扇两侧定位撑挡不同步情况相当普遍,甚至有的已经损坏。对此,施工单位一脸无辜,把责任完全推给不懂得操作的使用者。

  这几个案例对于幕墙行业的从业者来说都不算是很特别,算是比较常见的情况。要说经验教训,应该是非常深刻;应对办法、解决措施也已是相当成熟。但为什么幕墙开启扇总是一而再、再而三地出问题呢?

  1、从深圳的“43号文”谈起

  2016年深圳住建局下发了《关于加强建筑幕墙安全管理的通知》(简称43号文),据说是受到了几起社会影响力较大的幕墙安全事故影响而紧急出台的。这个文件在建设部38号文的基础上又增加了更严格的措施,贯彻执行非常坚决。

  上海市的地方标准则更进一步,已经具体到将幕墙开启扇尺寸限制在1.8平米以内。即将发布的新版幕墙规范也对幕墙开启扇的面积做出了限制。2016年底,中装协下发了一份文件中也有具体的规定:开启扇尺寸不宜大于1.5平米,严禁大于2平米。

  作为一个幕墙人,对政府及行业主管单位加强幕墙安全管理的态度无疑是支持的,但对某些的具体内容感觉还需要斟酌:比如限定幕墙开启窗的面积,似乎是行之有效的好方法。但对于建筑设计师来说,恐怕就难以接受了。

  举例来说:目前常规玻璃幕墙的横向分格模数大体在1.3~1.5米之间,如果限定2平米的开启扇面积,窗的竖向分格高度就不能超过1.5~1.3米。按照这个计算结果,大多数幕墙都做不到开启玻璃与相邻固定玻璃一样大的外观效果,这对建筑师来说,绝对不是一个满意的结果。

  深圳的43号文和相关标准和规范的出台,其实都反映出整个社会对幕墙安全性问题的一种焦虑心态。这迫使我们开始对之前司空见惯的问题引起足够的重视:同样一种设计方法,固定部分不出问题,但开启部分出问题。这说明现有的开启部分设计方式存在缺陷:要么是考虑的内容不全面,要么是给定的安全系数实际不足。所以需要从设计理论或设计规程上想办法,至少这是一种积极的态度。

  2、开启窗是特殊的幕墙部件

  为什么说幕墙开启窗的设计不能套用现有的幕墙设计要求呢?是因为开启窗是一种特殊的幕墙部件:在幕墙系统中,只有它是活动部件,而其他的都是静止构件。活动部件至少包括了两种静止工作状态和一种运动工作状态,同时开启窗还涵盖了最多数量的功能需求和最复杂的人机关系需求,这是其特殊的根本原因。

  2.1、开启窗的静止状态

  开启窗在开启和闭合工作状态下的时候,承载情况及工作需求的差异是比较大的,理论上来说应当分别对待。但查过很多资料,发现对幕墙窗的开启状态进行分析内容几乎是空白:

  首先,首先是开启状态下窗体的力学模型发生改变(锁点失效),在负风压组合的工况中,甚至连五金配件的承载状态都与其设计承载状态有很大的不同。以滑撑连接固定的窗扇为例,其在打开状态下滑撑仅相当一个滑动铰接的支点。当窗扇开启到最大限位角度时,滑撑与撑挡共同作用,形成了带有悬伸段的四点支撑板的力学模型。

  与我们常识相反的是,在这种新的力学模型中撑挡成了受力最大的五金件(撑挡外侧有窗扇悬伸段)。而事实上在配件选用时主要关注的是滑撑的承载能力,对于撑档总将其作为开启穿窗的辅助定位配件来看待,更别提进行结构校核计算。所以很多窗扇在开启状态下被风吹落,都是从撑挡破坏开始的。

  其次,开启扇在开启状态下时需要校核的内容及标准也需要分析,特别是安全系数该如何取值?因为开启扇是活动部件,所以其连接构造要承受交变的冲击荷载。其失效形式恐怕已不是简单的弯曲破坏或是剪切(词条“剪切”由行业大百科提供)破坏,有无可能是松动、失稳、疲劳等更为复杂的破坏形式?

  2.2、开启窗的运动状态

  开启窗的运动工作状态则是一个更为复杂的内容:首先需要进行开启轨迹的分析与框扇碰撞检查。开启窗开启过程中扇、框发生不严重干涉时,窗也能勉强打开。但这类干涉反复发生,有关连接构件就会因频繁承受较大的荷载造成损坏。

  其次,是有关构件的可靠性分析。比如,挂钩式开启扇的防脱落构造。附图的两个防脱构造中,图1的构造看似有用,计算也能算过。但在使用过程中仍可能会出问题。原因是构件的刚度(词条“刚度”由行业大百科提供)不足,固定螺丝在冲击荷载的反复作用下仍可能会松动,导致防脱落构造失效;而图2的构造中,防脱落构件镶嵌在槽内,即便螺钉脱落也不会滑出,显然可靠很多。

  图3所示的穿轴式的连接构造相对来说可靠性更高一些。只要做好轴向的限位,理论上是不会出现开启扇脱落的情况。但是在实际使用过程中,有时也会有断轴的情况发生。除了有关荷载取值不足外(未考虑动力系数),窗框(含横梁)承载时产生的挠度也是一个重要的诱因。因为这会导致多于两个以上的销轴不发挥作用,所以在计算时只应考虑两端销轴受力,并且考虑到金属疲劳问题,还应在构造上多采取一些减少应力集中的工艺措施。

  同样的情况,也可能出现在滑撑的连接构造上。好的设计会将滑撑嵌在一个宽度匹配的槽口之中,依靠构造措施承受滑撑传递给窗框的主要荷载,滑撑上的固定螺钉则负责将其固定在槽口内。但图省事的做法很可能采取完全依赖几个螺丝的固定,长期工作后五金件很快被损坏。

  另外,通常不锈钢滑撑上设有一个承受长期重力荷载的圆孔(其他孔为长孔)。理论上其承受的剪切力(词条“剪切力”由行业大百科提供)有限(窗扇的自重),采用拉钉就能满足要求。但实际上由于该处频繁承受冲击荷载,定位拉钉被剪断的比比皆是。当这个定位拉钉失效后,窗扇就会掉角,影响正常开启。如果暴力操作,很可能造成更大的损坏甚至是事故,这也是可靠度不足的一个表现。

 

  所以在上海地方标准中,就规定了在开启窗的螺钉连接部位需要局部加大壁厚或是采用背衬钢丝母板进行连接加固,这些做法都是提高连接可靠性的有效措施。

  第三,是开启窗的人机关系设计。比如开启窗的启闭力设计就需要按照使用者的正常臂力设计。如果窗扇开启所需的力过大,超出人的正常臂力水准,就需要通过设置类似下图的省力的机构或助力装置,以便于开启窗的正常使用。

  仅仅是做了简单的分析,就可以清楚地发现传统的幕墙设计很难全面覆盖到开启窗的种种特殊情况。从本质上讲,是不完善的设计规程导致了幕墙开启窗成为了影响幕墙安全的高危部件。所以解决幕墙开启窗的安全问题,最积极的方法不是限制开启面积之类的硬性规定,而是制定正确的设计规程,真正从根子上解决幕墙开启窗的安全问题。

  3、漫谈幕墙开启窗的设计规程

  幕墙开启窗的设计规程应围绕其三种标准工作形态来展开的,主要可以分成“功能性”与“结构性”两个部分的内容分别进行设计:

  3.1开启窗的功能性设计

  开启窗的功能性设计主要是描述开启窗的启闭过程及相关的影响和作用。简单来说,大致包含下面的内容:

  A、 启闭轨迹设计

  启闭轨迹设计主要是描述开启窗活动构件的运行轨迹及起止位置。通过这些参数来确定幕墙活动构件是否会在运动过程中发生碰撞或干涉、其起止位置是否能够满足安装工艺需求或使用功能需求、达到平面变形级别时窗扇是否还能正常启闭等;

  B、 启闭力设计

  开启扇启闭力可以通过其质量、启闭位置、开启五金配件的摩擦力等参数计算出来。而根据人机关系原理,根据幕墙开启窗的室内安装高度可以确定操作人员启闭操作时的标准臂力值。如启闭力超过操作人员的标准臂力值,则需要改变开启方式或使用额外的传动装置;

  C、 安全防护设计

  幕墙开启窗在三种工作形态下均应对可能出现的非正常状态进行分析,并依据幕墙开启窗非正常状态出现的概率和由此造成的影响来确定是够需要采取针对性的安全防护措施。比如有的窗扇刚度不足,就需要在框扇交合的对应位置安装一组楔形定位块,还有前面提到的挂钩式构造的防脱落装置等,都是针对性的安全防护设计;

  D、 可维护设计

  开启窗的活动构件均应可以拆换或维护。这一条看似简单,但实际上经常出问题。比较常见的情况是开启扇受到外侧装饰带或遮阳(词条“遮阳”由行业大百科提供)装置的限制,开启角度有限,根本就不能拆换滑撑等五金配件,给使用维护带来巨大麻烦。

  3.2开启窗的结构性设计

  A、 开启状态下的荷载取值及结构计算

  幕墙开启窗在开启状态下风荷载取值没有明确的规定,但仍可以参照荷载规范中的檐口等突出构件来取值。考虑到窗扇在极端天气下依然存在被开启或忘记锁闭的概率,并且其一旦脱落会导致严重的安全问题,所以需要从严控制。建议在风荷载标准值作用下,打开的开启扇不得出现连接失效脱落以及不得出现不可恢复的变形、破损及影响正常开启功能的变化。

  由于开启窗的工作特性,对打开的开启扇可不做挠度方面的限定。幕墙开启窗在风荷载作用下突然启闭所产生的冲击荷载也不做计算,这主要是因为不同的开启配件间的阻尼差异很大,没办法保证计算结果的精确性。但可以要求通过实物实验来测试窗体连接的可靠度。

  B、 框扇构件的结构校核

  由于开启窗的密封功能需求,决定了其挠度值要更为严格。通常框、扇间密封胶条的设计压缩量约2mm,扣除组各种误差,有效值还会更少。所以幕墙开启扇闭合状态下的挠度变形量最好不大于2mm,如果按照锁点间距300~500mm计算,其构件允许挠度值宜控制在1/250之内。

  C、 连接构件的结构校核

  由于幕墙开启窗所承受的冲击荷载难以确定,所以仍可按开启窗的开启和锁闭两种状态下进行静载的受力分析计算(注意,开启状态下只有风撑、折页和撑挡等开启配件参与承载),但建议增加1.4的动力系数以确保连接点安全可靠。

  4、结束语

  无论是JGJ102还是GBT21086中对幕墙开启窗的设计要求都没有专门的规定。而幕墙开启窗又是如此重要,总要有解决的办法。这篇文章完全是有感而发,希望引起大家对幕墙开启窗设计困局的关注,从而推动将幕墙开启窗的设计规程纳入到有关的规范和标准中去。

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专家介绍

 闭思廉

铝门窗幕墙委员会专家组

工作单位:深圳市中航幕墙工程有限公司

技术职称:教授级高工

专业:建筑幕墙产品设计、开发、建筑幕墙工程设计、施工。

专长:建筑幕墙门窗产品开发、工程设计及施工

原文地址:http://www.52mqw.com/info/2018-5-2/44631-1.htm
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