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摘要：近年来，随着建筑遮阳和外观造型的需要，建筑幕墙檐口和外侧横向悬挑构件越来越多，突出建筑立面（词条“建筑立面”由行业大百科提供）可承雪的向上表面的尺寸越来越大，使得建筑幕墙冰坠伤害事故日渐增多，形成了社会公共安全的问题，引起了社会各界的关注。特别是堆积于高层和超高层建筑幕墙上的积雪和冰凌的坠落所产生的危险性和破坏力更大。针对建筑幕墙冰坠带来安全事故和伤害，本文分析了幕墙冰坠的原因和降低冰坠伤害的措施，通过工程应用实例，设计了幕墙防冰坠的相关试验方法，对防冰坠的措施和其他待确定的影响因素进行了探讨。
关键词： 建筑幕墙;冰坠伤害;幕墙冰坠试验。
1. 引言
冰害，通常指由冰坝、冰塞、冰山、冰崩等造成水道堵塞和洪水泛滥，撞坏舰船，毁坏水中设施或建筑物，以及飞机、舰艇、电线等积冰带来的灾害，是自然灾害之一。然而，落雪堆积于建筑屋檐或挑檐，在特定的条件下结成的冰凌(图1)，在融化过程中的坠落，也可能会对行人造成伤害或损坏建筑构件（词条“建筑构件”由行业大百科提供）和其他物品，同样也属于冰害的范围。
近年来，随着建筑遮阳和外观造型的需要，建筑幕墙檐口和外侧横向悬挑构件越来越多，突出建筑立面可承雪的向上表面的尺寸越来越大(有的甚至超过1.5米)，这种建筑构造给落雪堆积和冰凌产生创造了条件，冰害的风险增大。特别是堆积于高层和超高层建筑幕墙上的积雪和冰凌的坠落所产生的危险性和破坏力更大。这种现象在我国的华中、华东以及偏北地区较为常见;夏热冬冷地区虽然不具备长期积雪的条件，但是在特定气候条件下，如：冻雨也会形成建筑幕墙表面结冰而形成冰坠。为此，每年各地政府都要发布防范冰凌及其危害的有关通知，并采取
图1
相应的清除措施。在国外，建筑幕墙上的冰凌危害同样存在，如2017年10月开业的芝加哥苹果密歇根大道店开业不久就发生冰坠风险，并在建筑周边立起隔离警示牌(图2)。
针对幕墙表面积雪滑落和冰凌断裂的冰坠给地面人员造成的伤害、车辆损坏和建筑损伤的危害，本文重点探讨了建筑幕墙冰凌的形成因素，防冰坠的措施和构造设计，以及有关防冰坠的试验方法。
2. 幕墙冰坠形成因素
图2
2.1 气候条件
幕墙冰坠的形成，其主要的因素之一，是在冬天较长时间的阴冷、潮湿、降雪或冻雨等寒冷气候条件下，飘落在幕墙檐口或外挑装饰构件上的雪、冻雨在温度和压力作用下逐步形成坚实的具有一定厚度的积雪、冰层或冰凌，当天气转暖或幕墙构件表明温度上升时，堆积的积雪、冰层或悬挂的冰凌开始融化，形成块状或条状的冰块从幕墙檐口或外挑装饰构件上坠落。
2.2 幕墙构造
建筑幕墙外侧表面存在具有形成积雪积冰的条件也是幕墙形成冰坠的因素之一，如：屋面、雨棚、挑檐、较大的外窗台和横向装饰构件的上表面;等(图3)。采用向内侧倾斜或有组织泛水的以上部位，可以避免或降低坠冰风险，但是在冻害严重的情况下，泛水通道可能堵塞，仍然可能在外沿形成冰凌而产生冰坠的可能。而向外泛水且坡度较陡的上表面，虽能减小冰雪堆积的机会，但反之，一旦受冻雨影响，也可能会增加冰块滑落的风险。
2.3 风
高层建筑表面受风的影响较大，迎风处相对较难形成积雪，但是背风面反而有可能造成集聚，积雪厚度可能远超过正常降雪量。同时，风对潮湿表面有降温作用，可能在气温不是太寒冷的地区也在幕墙的局部表面形成结冰。另外，强风对不太牢固的冰块和冰凌有震动破坏作用，可造成冰块和冰凌的突然坠落。
图3
2.4 幕墙隔热（词条“隔热”由行业大百科提供）性能
幕墙表面温度是影响成冰和坠冰的另外条件之一。在室外气候条件和室内温度影响下，幕墙表面会有较大的变化，特别是金属表面。在严寒地区，幕墙表面温度较高，冷雪反而容易粘附幕墙，且随着表面温度冷热变化更易结成冰体，也更容易形成冰凌。气温不是太寒冷的地区，当建筑表皮温度较低时，空气中的冷湿潮气和微雨利于在幕墙表面结冰。当幕墙表面受室内温度影响升高时，会促使冰块局部融化脱离幕墙表面，造成突然坠落。
3. 幕墙防冰坠伤害设计
目前，有关防冰雪融坠的应用大多集中在舰船、飞机、输电线、涵洞等，主要手段是采用融雪电缆进行除雪除冰，对于幕墙防冰坠伤害的研究不多。采用融雪电伴热系统，融雪电缆及控制系统较为昂贵，整体成本较高，在建筑上一般仅用于积雪量较大且可能影响排水的屋面等处，较少用于幕墙立面。如北京中船大厦屋面的采光天棚，就采用了融雪电伴热系统进行融雪处理，图4为安装于采光天棚水槽中的融雪电缆和施工中的采光天棚。
图4
建筑防冰雪融坠的问题，在国家标准《坡屋面工程技术规范》GB50693-2011中3.2.17条作为强制性条文规定，“严寒和寒冷地区的坡屋面檐口部位应采取防冰雪融坠的安全措施。”，并在条文说明中提出采用“拦雪栅栏或加宽檐沟”的安全措施。对于建筑幕墙的防冰坠规定，在现行的幕墙规范中均未有提及，而GB50693-2011提出采用的防冰雪融坠的安全措施也不能完全适用于幕墙的要求，为此应对幕墙防冰坠伤害的措施，特别针对幕墙檐口和横向装饰带的构造设计进行研究和探讨。
3.1 减少或避免积雪
1)减小承雪面宽度
在现有的幕墙外立面设计中，由于建筑遮阳和装饰效果需要，幕墙立面上的横向水平装饰构件越来越多，而且外挑尺寸越来越大，这无疑给落雪堆积和冰坠危险的形成提供了条件。在建筑设计允许的条件下，应尽可能地减小横向水平装饰构件的承雪面宽度，降低冰坠风险。
2)涂装防冰雪涂料
防冰雪涂料是一种新型的高科技特种功能涂料，在国内已有较多涂料生产企业在生产类似的产品。
适合多种表面和各种涂装方法，可常温自固化，在被保护表面形成30μm的干涂膜，即可防冰雪附着，同时具有抗腐蚀、耐磨损、防老化、表面自洁等复合功能，目前主要用于飞行器，船舶，电力线，电信线等需防冰雪结构。防冰雪涂料在建筑以及幕墙上作为防冰雪的应用尚未见有相关应用实例报道，但作为自洁净涂料是早有应用。
表1
表2
从防冰雪涂料涂层的性能指标(表1、表2)和试验结果分析，产品具有良好的理化性能，超低的摩擦系数。与普通的玻璃材料比较，涂层表面表现出了超低的表面能，其相对水的滑落性提高6倍，滑动时间缩短4倍，雪的滑动性提高4倍，滑动时间缩短3倍，这可以大大降低幕墙构件的积雪几率。从产品性能看，物理性能基本适用于建筑和幕墙，具的防冰雪和自洁的性能。但在该产品的性能指标中，未有产品的耐候性能参数，也未见对外观的影响，所以在具体使用前，应分析产品的耐老化性能和对外观影响，尤其是长时间使用是否变色?多长时间需重新涂装?等问题值得探讨。同时幕墙设计宜匹配相应的坡度。
3)承雪面坡度
增加幕墙檐口和装饰构件承雪面的坡度，是减少积雪
图5
的主要措施之一。按照国家标准《建筑结构荷载规范》GB 50009-2012表7.2.1屋面积雪分布系数的规定(图5)，当屋面坡度从25o增大到60o时，其雪荷载分布系数由1.0降到0，这也意味着随屋面(承雪面)坡度的加大，屋面积雪的几率越小，当屋面坡度大于60o，应该认为不存在不积雪的可能。参照我司参与的一个美国纽约的幕墙设计项目，其横向铝合金装饰线条的角度为50o的大斜面线条，起到了很好的防积雪作用，但其大斜度特征会限制外悬挑尺寸。
如采用放冰雪涂层，依照现有可查阅资料，在未经严格试验确认的条件下，其承雪面临界坡度约为8度。较缓的坡度，使得大悬挑线条成为可能。
3.2 设置拦雪坎和滴水线
在幕墙檐口或横向水平装饰构件临边一侧设置拦雪坎和滴水线(图6)，其主要原理与GB50693第3.2.17条条文说明中提出的在临近檐口的屋面上增设拦雪栅是一致的。其在气温升高时，冰雪底部融化，成片或块状的冰雪受拦雪坎的阻挡，避免沿着檐口或横向水平装饰构件的外倾坡度方向坠落;而底部的积水能够沿着滴水线顺利排出。拦雪坎和滴水线的设置，首先要控制好拦雪坎的高度;如果拦雪坎高度过低，积雪超出部分沿外侧融化，易形成外挂的冰凌;过高影响外观，也可能增加积雪几率。其次是要在拦雪坎底部设计好通畅的排水系统，倒灌到幕墙增加渗漏（词条“渗漏”由行业大百科提供）风险;也要避免缓慢滴水，下流排出时形成冰凌。
图6
3.3 融雪电伴热系统
近年来，我国在融雪电伴热系统产品的生产有了很大的发展，产品质量有了较大的提高，造价也在不断下降，这给幕墙用于防冰坠设计提供了较大的使用空间。在幕墙檐口和横向水平装饰构件的拦雪坎和滴水线处布置融雪电伴热系，将极为有利于防冰坠效果的提升。如果能结合泛光等系统，可能进一步降低综合成本。此问题需多专业配合进一步探讨。
4. 幕墙防冰坠检测方案探讨
目前，建筑幕墙冰坠没有试验标准，如何通过模拟试验对有关防冰坠设计的性能进行评价，尚无权威性评判依据，也无法对一些关键设计参数进行验证，如：防积雪坡度、拦雪坎高度、滴水线排水口尺寸和积雪与不同材料的摩擦系数等。为了解决工程实际的需要，我司参考了建工行业标准《建筑幕墙热循环试验方法》JG/T 397—2012，制定了相关检测方案，以便验证有关防冰坠设计的可行性和实际效果，分析可能出现的不利情况，检讨是否有更优的方案。
4.1 模拟试验条件
4.1.1 试验设备要求
试验设备应满足《建筑幕墙热循环试验方法》JG/T397-2012的要求，设备热循环能力满足高温80 ℃，低温-20℃，辐照强度（词条“强度”由行业大百科提供）1250W/m2。箱体内试件周边需采用绝热墙体封闭。试验箱地面需设深色柔性不积水铺装，并带精度为毫米的标尺(用于观察冰块尺寸)。
4.1.2 样品要求
样品应与实际工程中的截面大小、建筑师认可的材料相一致。样品的施工及安装方法也与实际施工现场的安装相一致。
幕墙试件试件分为三组，两组为设计检验组试件(图7)，上面一条采用T1横向装饰条，下面两条T2横向装饰条;一组为对照组试件(图8)，上面一条上端泛水坡度约2%;中间一条上端泛水坡度约8%;下面一条上端泛水坡度约12%。
图7
图8
4.1.3 材料
人造冰/人造雪：人造冰直接市场购买，人造雪通过冰沙模拟。需提前按三倍用量备货(本试验不少于2立方米。)，试验前需在-10℃以下保温。
4.1.4 观察设备
采用视频监控和定时摄影(不少于五分钟一次)。负责观察线条上下左右，及负责观察坠落后冰雪块体形态的，不少于五个视角。
4.2 试验过程
4.2.1 试验准备
试验前，试验箱体提前降温至-10℃，并保持恒定温度不少于2小时;在横向装饰条上侧表面模拟自然降雪的积雪过程中(堆积人造冰沙或人造雪)，外侧可采用透明聚碳酸酯胶板临时支护，自然堆砌刮平不得压实，堆雪厚度必须均匀并符合以下尺寸：
1)设计检验组，上层分别为：300mm、250mm;中层分别为：200mm、150mm;下层分别为：100mm、50 mm。
2)试验对照组，上层为：300mm;中层为：200mm;下层为：100mm。
4.2.2 无日照无冻雨工况模拟冰雪融化试验过程
1)1小时内，将幕墙试件室外侧气温均匀降低到-10℃，并保持恒定温度1小时，幕墙试件室内侧气温保持24℃;
2)1小时内，均匀将幕墙试件室外侧气温升高至10℃，模拟冰层融化过程。幕墙试件室内侧气温保持24℃，过程中通过视频监控系统观察冰层的融化过程;
3)重复以上1)、2)过程，直至所有冰雪融化。
4.2.3 无日照有冻雨工况模拟冰雪融化试验过程
1)1小时内，将幕墙试件室外侧气温降低到-10℃，并保持恒定温度1小时;
2)每个线条均匀喷淋10ml/平方米的冰水，1小时内将幕墙试件室外侧气温均匀降低到-10℃，并保持恒定温度1小时，幕墙试件室内侧气温保持24℃;
3)1小时内，均匀将幕墙试件室外侧气温升高至10℃，模拟冰层融化过程。幕墙试件室内侧气温保持24℃，过程中通过视频监控系统观察冰层的融化过程;
4)重复以上1)、3)过程，直至所有冰雪融化。
4.2.4 有日照无冻雨工况模拟冰雪融化试验过程
1)1小时内，将幕墙试件室外侧气温均匀降低到-10℃，并保持1小时，幕墙试件室内侧气温保持24℃;
2)1小时内，均匀将幕墙试件室外侧气温升高至10℃，室外辐射照度940W/m2，模拟冰层融化过程，幕墙试件室内侧气温保持24℃。过程中通过视频监控系统观察冰层的融化过程;
3)重复以上1)、2)过程，直至所有冰雪融化。
4.3 试验评价
1)于试验后汇总试验结果并生成文字报告(附照片)及视频记录;
2)分析冰雪融化规律和冰凌(如有)形成规律，含对应时间和尺度;
3)分析冰凌或融雪滑坠规律，含对应时间和尺度;
4)分析坠落冰雪的伤害风险;
5)当单粒坠落冰块大于12mm时，应判定防冰坠效果未达标，设计需进行改进。
5.结语
本文通过对幕墙冰坠成因的分析，细化防冰坠设计注意事项，并在具体工程项目上进行了尝试。受条件所限，部分内容未能充分解决，包括以下方面尚需更深入的研究和探讨。
1、氟碳喷涂铝合金材质，其防雪坡度临界值在多大角度下不会积雪;
2、防冰雪涂料防雪坡度临界值，其耐候性和维护周期等因素能否应用于幕墙;
3、试验温度等检测参数如何与具体气候对应;
4、热循环时长拟定为1小时，是否合理可行;
5、坠落冰块应以什么为判定合理，重量或尺寸;
6、融雪电伴热系统能否与幕墙泛光系统的结合，或是一个更大的课题。
参考文献
[1] 熊武一、周家法主编,《军事大辞海·上》[M]，长城出版社，2000年5月：第1157页;
[2] 田发, 蒋海彪. 一种水性双组份防冰雪涂料及其生产方法:, CN 103045064 A[P]. 2013.
作者单位：深圳市新山幕墙技术咨询有限公司
