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[前言] 我国是玻璃幕墙建造大国和使用大国，现有大量玻璃幕墙在作为建筑外围护结构在使用。我国玻璃幕墙的设计、生产、安装、检测、维护都基本成熟，但每年仍有玻璃幕墙事故发生，危害人民群众的财产和人身安全，其中，开启窗的坠落事故比例较高。本文拟从开启窗的设计入手，探寻开启窗系统设计存在的问题和解决方法。
[关键词] 开启窗 防坠落 开启窗设计
玻璃幕墙从上世纪80年代开始进入我国，经过了几十年的发展，目前我国已经是全球最大的玻璃幕墙生产国和消费国。人们在感受玻璃幕墙带来的轻盈、通透的感受时，也对玻璃幕墙产生的一系列安全问题提出质疑。住房城乡建设部、安全监管总局于2015年3月4日联合发布《住房城乡建设部国家安全监管总局关于进一步加强玻璃幕墙安全防护工作的通知》{建标〔2015〕38号}限制了玻璃幕墙的使用范围，幕墙产业也是在不断的改进和升级中持续发展。
从目前对完工的玻璃幕墙工程项目检查情况看，玻璃幕墙的问题主要集中在幕墙的顶部、底部、边部、收口转角位置、外挑装饰构件和开启窗等部位。而大面积的固定玻璃幕墙出现问题的比较少。本文拟对玻璃幕墙的开启窗从设计角度进行分析，并希望通过设计的前期控制，尽量避免和减少玻璃幕墙开启窗的安全隐患，促进玻璃幕墙的创新和升级，促使幕墙行业向高质量的发展迈进。
一、 玻璃幕墙开启窗的现状
玻璃幕墙的开启窗是幕墙体系中重要的组成部分，幕墙体系的通风、排烟都通过开启窗实现。而且，幕墙开启窗是幕墙体系中可以活动的机构，对幕墙产品的加工，装配要求更高。由于开启窗体系的复杂性，在幕墙的空气渗透（词条“空气渗透”由行业大百科提供）性能和雨水渗透性（词条“渗透性”由行业大百科提供）能指标值上，幕墙开启窗的指标会低于同等级别的固定幕墙。
幕墙系统作为建筑的围护系统，在使用过程中幕墙开启窗经常需要启闭，因此，出现问题也比较多。幕墙开启窗出现的问题是多种多样的。比如，漏风、渗水，开启关闭不顺畅，甚至开启窗的五金件失效。比较严重的情况是出现开启窗配件脱落甚至整窗脱落。在极端天气情况下，出现的问题尤其突出。
产生问题的原因是多种多样的，比如，开启窗胶条的选择会影响开启窗的密封性能;开启窗合页或者四连杆及风撑等五金配件的选择会影响开启窗的启闭是否顺畅;开启窗的锁具（词条“锁具”由行业大百科提供）会影响开启窗是否启闭方便。而开启窗的型材是开启窗的支撑构件，型材的选择决定了开启窗的抗变形性能、强度性能。从而影响开启窗的密封性能、抗风压（词条“风压”由行业大百科提供）性能和使用安全性能。开启型材与五金的合理搭配，也会很大程度影响开启窗的性能。
目前从设计阶段看，开启窗作为幕墙体系中重要的活动部分，其强度计算是按照关闭状态下考虑的。不仅缺少对开启窗在开启状态下的受力分析，而且关闭状态下的受力分析存在一定的缺陷。因此，开启窗出现安全事故的几率较大，在开启状态下出现的事故更多。
本文通过对外开上悬窗的开启关闭状态进行初步的受力分析，可以看出，开启窗的开启状态下是最薄弱的，进而在设计中对开启窗应注意的问题进行总结。
极端天气下，玻璃幕墙成了空中的严重危险源。(图01)
图 01
图2开启窗滑撑破坏
二、 幕墙开启窗的种类和基本配置
幕墙开启窗种类较多，从开启的形式上可以分成外平推开启窗、内开内倒开启窗、内倒开启窗、内平开开启窗、外开上悬开启窗等。不同的开启窗的性能差异比较大，大部分幕墙的外开窗玻璃是通过结构胶粘接在开启框型材上的，下端有承担玻璃自重的托板。
目前，大部分幕墙工程的开启窗采用外开上悬的方式。内平开或者内倒开启窗对建筑外观有影响，因此采用的工程不多，但内开窗的安全性相对较好。
现针对幕墙工程中使用量最大的外开上悬窗为例进行分析，其它开启方式可以此做为参考。外开上悬窗的基本构造是利用铝合金型材组成开启窗框和开启窗扇，通过专用的五金件解决转动、锁闭、支撑等功能。通过密封胶条实现开启窗关闭状态的密封。外开上悬的开启窗的基本节点如图03;开启的基本剖面如图04。
图 03
图 04
外开上悬的开启窗的五金件一般包括开启机构、锁闭机构、支撑机构。通常情况下采用四连杆、金属（词条“金属”由行业大百科提供）合页或者型材挤压的挂钩做为开启窗的悬挂和开启机构，多点锁做为锁闭机构，窗撑为开启窗开启时的支撑机构。
1 合页、多点锁、窗撑 配置图如图05：
图05
2 四连杆(铰链)、多点锁、窗撑配置图如图06：
图 06
三、 幕墙开启窗设计的现状
幕墙在设计阶段都会根据实际情况进行详细的幕墙结构计算，国内常用的幕墙设计软件都能很方便的对幕墙系统进行校核。但是，目前的常规幕墙计算软件主要是针对幕墙主龙骨（词条“主龙骨”由行业大百科提供）、连接件（词条“连接件”由行业大百科提供）、结构胶、预埋件等进行验算，而幕墙开启窗的计算存在不足。大部分只是校核了开启扇玻璃的应力和变形以及开启窗玻璃的结构胶受力情况，而并没有对幕墙开启窗的窗扇型材进行校核。这就造成不论多大的开启窗尺寸，不论在什么地区，不论使用的高度，都采用同一种规格的开启窗框型材和窗扇型材。
幕墙设计人员通常是根据开启窗的尺寸和宽高比例选择幕墙开启窗的五金件。这样，幕墙开启窗系统中的型材和五金都没有经过比较量化的具体受力分析，开启窗型材做为开启窗的主要支撑构件，缺乏合理的计算数据。
四、幕墙开启窗的受力分析
立面幕墙的主要荷载是风荷载、重力荷载和地震荷载。在幕墙计算中，风荷载通常情况下是控制荷载。幕墙开启窗面材将荷载通过结构胶传递到铝合金窗扇型材上，窗扇型材通过五金将荷载传递到开启窗框上和幕墙主龙骨上。
幕墙开启窗的组件比较多，受力比较复杂，分析其受力时应注意以下内容：
1 开启窗面板（词条“面板”由行业大百科提供）玻璃(或其它材料)
开启窗玻璃通常情况为四边支撑板，可通过软件进行计算。目前的设计文件中，通常都包括此项计算内容。
2 开启窗面板玻璃的结构胶
开启窗玻璃通常是通过结构胶粘接，因此，需要对结构胶进行校核。目前的设计文件中，通常都包括此项计算内容。
3 开启窗的金属托件
结构胶承受长期荷载是非常不利的，因此，应该避免结构胶承受玻璃的重力。金属托件应能承受玻璃的重量。
4开启窗窗扇
开启窗的窗扇是通过型材组装形成，主要是承受自身荷载和玻璃传递的荷载，由于开启窗窗扇有两种工况，应分别考虑开启窗的关闭状态和开启状态。
开启窗关闭时，开启窗扇是通过合页、滑撑、锁点、执手等五金件固定，因此，窗扇是根据五金件的形式确定其受力方式，可以采用SAP等软件模拟计算，主要考虑关闭状态下开启窗扇型材的受力。
开启窗开启时，开启窗扇是通过滑撑、合页、窗撑等五金件固定，因此，窗扇应根据五金件的形式确定其受力方式。可以采用计算软件模拟计算。主要考虑开启状态下的支撑条件。目前设计过程中，这方面的研究较少。
5 五金件和连接螺钉
开启窗在受力时，其支点是五金件的受力，可以通过结构计算结果，核对支撑点安全性。
6开启扇组角
开启窗的组角形式主要包括型材组角件组角、螺钉连接、销钉固定。型材的组角质量影响开启窗扇整体的刚度。应该尽量让组角构造形成刚接，可以共同作用，抵抗变形。不能让玻璃成为抗平面变形的主体。
7开启窗合页或挂钩承载能力
如果开启窗采用型材挂钩的形式，则需要考虑挂钩式构造的强度。采用开启扇挂钩型材的体系需要十分注意挂钩型材之间的配合，并且设置锁止机构，避免在使用过程中开启扇脱钩。否则会引起比较严重的后果。
如果开启窗采用合页或者滑撑，主要校核合页和滑撑的承载能力，其中滑撑通常是根据开启窗的重量、开启窗的尺寸选择匹配的滑撑规格;合页的选择通常是根据开启窗的重量和宽度尺寸进行布置。
8五金件的固定螺钉与型材壁厚的关系
开启窗的五金件通过螺钉固定，应选择机制螺钉，不应选择自攻螺钉。开启窗型材的壁厚通常为2mm，螺钉固定时母材壁厚比较薄会影响连接强度。很多工程设计中采用增加背衬的螺母（词条“螺母”由行业大百科提供）板或者不锈钢铆螺母的方式提高连接的可靠性。铆螺母见图7示意：
图7 铆螺母
9开启扇铰链和风撑的抗冲击能力
开启状态下，瞬时风压的变化会对铰链和风撑形成冲击力。这种瞬间荷载对连接点的冲击比较大。而且，由于开启窗支撑五金件的力臂关系，荷载在传递到支撑五金时，会存在放大的可能。尤其是挂钩型材的开启窗构造，一旦出现挂钩脱离形成局部受力，其荷载会成倍增加。
10开启扇五金件的装配精度
开启窗在关闭状态下，应保证锁点尽量同时受力，以便均衡的分担荷载。这对开启窗的构造是至关重要的。如果装配精度差，锁闭状态下，仅有个别锁点受力，则加大了局部锁点的受力，很容易造成破坏。
开启窗的多点锁传动时，双向传动的锁系统优于单向的锁系统。双向传动的锁闭机构会避免开启窗扇在关闭时水平移位。
采用滑撑时，对侧的滑撑固定位置应该根据开启窗的规格、尺寸，由设计人员确定，加工组装是应严格按照尺寸定位，并且确保两侧的定位偏差不能超过要求，否则在启闭时会产生内部应力，会严重影响其使用寿命。
11 开启窗型材的加工和组装精度
开启窗型材的加工和组装精度影响开启窗的使用。如果开启窗扇和窗框之间的间隙控制不好，会影响五金件的安装效果，进而影响开启窗的使用寿命。
五、外开上悬开启窗扇料的强度计算举例
案例受力计算的基本条件
荷载情况：
开启窗的荷载主要包括风荷载、重力荷载和地震荷载。
开启窗状态：
开启窗包括两种状态，分别是开启状态和关闭状态。关闭状态时体形系数按照幕墙墙角区考虑;开启状态由于角度的问题，按照突出物考虑，体形系数取2.0。
边界条件：
窗扇型材组成矩形，型材角部按照刚性结合考虑;
以合页的中心为支点，四连杆上固定的螺钉为支点;计算中支点的反力是校核五金件强度和连接螺钉强度的依据。
荷载取值：
以北京为例，按照北京市C类地区，50m标高计算;
W01=1.1×1.81×0.45×1.6=1.44KN/m2(关闭状态按墙角区体型系数计算)
W02=1.1×1.81×0.45×2.0=1.8KN/m2(开启状态按物体型系数2.0计算)
玻璃采用6mm+12A+6mm中空钢化玻璃，玻璃的自重荷载为0.31 KN/m2
开启窗型材和玻璃的重力荷载取0.4 KN/m2
地震荷载qe=5×0.16×0.4=0.32KN/m2
荷载标准值(关闭状态)q=0.4+1.44+0.5×0.32=2.0 KN/m2
荷载标准值(开启状态)q=0.4+1.8+0.5×0.32=2.36 KN/m2
荷载设计值(关闭状态)q=1.3×0.4+1.5×1.44+1.3×0.5×0.32=2.89 KN/m2
荷载设计值(开启状态)q=1.3×0.4+1.5×1.8+1.3×0.5×0.32=3.43 KN/m2
开启窗窗扇的规格按照1200mm×1200mm，1000mm×1500mm，1500mm×1000mm三种尺寸计算。(图08)
图 08
根据开启窗的基本节点，开启扇型材的截面特性如下：
型材X轴主惯性距: 17.742cm4
X轴的惯性距: 15.017cm4
型材Y轴主惯性距: 5.532cm4
Y轴的惯性距: 8.256cm4
型材X轴上抗弯距: 4.459cm3
X轴下抗弯距: 6.727cm3
型材Y轴左抗弯距: 2.342cm3
Y轴右抗弯距: 4.652cm3
型材X轴的面积矩: 3.439cm3
型材Y轴的面积矩: 2.225cm3
型材面积: 3.986cm2
根据以上条件，计算结果如下：
1200×1200开启窗(合页)挠度和强度计算(图09);
图09
1200×1200开启窗(四连杆)挠度和强度计算结果;(图10)
图10
1000×1500开启窗(合页)挠度和强度计算结果;(图11)
图 11
1000×1500开启窗(四连杆)挠度和强度计算结果：(图12)
图 12
1500×1000开启窗(合页)挠度和强度计算结果：(图13)
图 13
1500×1000开启窗(四连杆)挠度和强度计算结果：(图14)
图14
六、 选择开启窗的注意因素
通过上面的计算，我们发现开启窗在开启状态下是十分薄弱的，而且，模拟的情况并没有考虑风荷载对连接件往复受力产生的疲劳破坏，因此，实际情况会更加复杂和更加不利。幕墙设计时，开启窗的选择应注意很多因素。
1 从建筑设计上，应该对开启窗慎重选择：
高层和超高层建筑建议采用内开窗(图15 )、通风器(图16)、有外遮挡层的开启窗(图16)，这样能有效避免开启窗损坏产生严重后果。
图15
图 16
图17
高层和超高层建筑使用外开窗的，应尽量控制开启窗面积，可以参考中装协或者地方标准规定的开启窗面积限制规定。建议采取管控措施，避免外开窗在大风情况下开启。
2 增加对开启窗的受力分析;
除了对开启窗关闭状态下的受力分析以外，还应该对开启窗的开启状态进行分析，其能承受的风压值可以作为幕墙开启窗使用时的要求加以明确。即，在几级风情况下，应关闭开启窗。
对开启窗扇型材进行受力分析，主要是针对关闭状态下，窗扇型材在五金件的支撑条件下的受力分析，可以有效合理的选择开启扇型材。
对开启窗锁点、风撑、四连杆、合页等五金件进行受力分析，根据关闭状态下的开启窗支点反力，对五金件的强度进行校核。
对开启窗五金件连接螺钉进行受力分析，根据窗扇受力情况，选取五金件位置的反力，对连接螺钉进行校核;
3 开启窗的构造上应注意以下问题：
开启窗五金件和型材之间的固定十分重要，应采用机制螺钉进行连接，如果型材的壁厚不能达到连接螺钉的公称直径，应增加螺母板;
开启窗五金配件活动构件的安装位置应有精度要求，避免因为四连杆、窗撑的安装位置偏差造成开启窗启闭时导致受力不均而产生应力的情况。
开启窗的锁点安装应有精度要求，开启窗锁闭后应保证胶条的压缩量合理，避免压合过松影响气密性能，也应该避免压合过紧对五金件产生很大应力。
4 采用开启状态下受力更加合理的开启窗五金体系。
5 利用互联网技术、自动控制等手段，自动控制开启窗状态，避免大风极端天气下处于开启状态。
七、总结
幕墙开启窗做为幕墙体系的重要构件，在幕墙体系中是受力最复杂、活动最频繁、使用者接触最多的部位。因此，应受到足够的重视。以往设计中仅仅通过开启窗的重量选择五金件的思路是远远不能满足实际工程需要的。特别是在台风地区和超高层建筑，更应加强开启窗的选择和设计，避免安全事故的发生。
幕墙开启窗的性能直接影响幕墙的使用，开启窗从设计、加工、安装都应该严格地控制，使用中的检查和维护也十分重要。本文对开启窗的设计进行初步的梳理，希望对幕墙中的开启窗选型设计起到一定的作用。当然，设计过程中有些是简化性的，比如，玻璃的刚度并未参与到开启窗的受力;连接螺钉仅仅计算抗剪并不能够真正体现螺钉的频繁往复受力情况，实际情况要复杂的多。
行业协会在历年的工作报告中曾指出：“矢志不渝、努力拼搏，坚定树立中国建造幕墙行业走向幕墙强国的信心”，号召行业同仁不要因循守旧、满足现状，要积极进取，努力拼搏，科学创新，发扬“工匠精神”，使中国幕墙由大国向强国挺进。玻璃幕墙是建筑幕墙主要组成部分，需要进一步发展和完善，质量须从源头抓起，设计是关键环节，严控各种风险、精益求精、安全至上，由数量发展过度到质量发展的轨道上，安全上注重每一环节每一个细节，使行业能够可持续健康发展。
参考文献：
[1] 《建筑幕墙》 GB-T 21086
[2] 《玻璃幕墙工程技术规范》 JGJ-102 2013
