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某沿海城市超高層建筑幕墻開啟扇掉落原因分析及整改方案

來源:2019年會論文集  作者:劉家良 姜仁 韓智勇  日期:2019-4-12
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  摘要:本文針對某沿海城市兩座超高層寫字樓多次出現幕墻開啟扇掉落進行原因分析并深入探討,確定為安全隱患后提出整改方案,為業主排除隱患。同時此文內容也可作為超高層建筑幕墻開啟扇的典型設計案例,希望能為廣大幕墻設計愛好者提供素材和幫助。
  關鍵詞:超高層建筑;幕墻開啟扇;掉落;原因分析;整改方案

  1、引言

  玻璃幕墻因其通透明亮、立面美觀的視覺效果越來越受廣大建筑師的青睞,尤其在我國的公共建筑中應用十分廣泛。公共建筑因其通風量和消防安全的特殊需求,玻璃幕墻上需要設置一定數量的開啟扇。不論是構件式幕墻還是單元式幕墻(詞條“單元式幕墻”由行業大百科提供),開啟扇形式多為上懸式開啟。上懸式開啟主要有三種實現方式:第一種是摩擦鉸鏈式,即通過四連桿或五連桿的鉸鏈作為開啟扇承重構件,配以限位撐擋實現上懸式開啟;第二種被稱為掛鉤式,采用掛鉤鋁型材作為開啟扇承重構件,再配合限位塊和撐擋共同實現上懸式開啟;第三種被稱為銷軸式,利用不少于兩個銷軸和限位撐擋實現上懸式開啟。雖然銷軸式較其它兩種開啟扇較高的安全性,但銷軸式因其二次更換較困難,現有工程采用此種方式的較少。

  但無論以上哪種方式的開啟,都出現過開啟扇脫落這一嚴重的安全性問題。據統計,出現此問題的建筑大都是高層或超高層建筑(詞條“超高層建筑”由行業大百科提供),且多位于風壓(詞條“風壓”由行業大百科提供)較大的城市。針對此類問題,2016年中國建筑裝飾協會幕墻工程委員會制定的《關于淘汰建筑幕墻落后產品和技術的指導意見》中限制了開啟扇面積:“開啟扇尺寸不宜超過1.5m2,嚴禁超過2.0m2”;行業標準JGJ 102-2003玻璃幕墻工程技術規范》也限制了開啟要求:“開啟扇的開啟角度不宜大于30°,開啟距離不宜大于300mm[1]”;上海等地方標準規范還制定了更為嚴格的條文內容和推薦性加固措施,以防此類事件發生。但在實際工程中,幕墻設計師似乎并未引起注意,此類問題依然存在。本文結合實際工程案例,對開啟扇掉落的根本原因進行深入分析,并提出解決方案,供廣大幕墻設計師借鑒。

  2、項目背景介紹

  該建筑位于我國北方某沿海城市,由兩座高約190米的寫字樓和三層裙樓組成。所在區域為人流密集的商業街,距海邊直線距離約1.3公里。幕墻形式主要為豎明橫隱的中空玻璃幕墻,總計建筑面積約10.3萬平米,幕墻開啟扇為掛鉤式,共計約2930樘。

  幕墻在使用過程中接連出現多次開啟扇掉落情況,開啟扇從90米高以上的位置墜落在周邊街道和住宅區內,鋁合金扇框已斷裂(詞條“斷裂”由行業大百科提供)鋼化玻璃散落在周圍(見圖1和圖2),原洞口暫用木板臨時封堵。雖未造成人員傷亡,但已經屬于嚴重的安全事故,業主針對這一問題立即聯系我單位,并提供事故影像資料、竣工圖紙和損壞的窗扇實體,委托我單位調查原因并盡快排除安全隱患。我單位接到業主委托,立即成立工作組并第一時間抵達現場,查看發現幾樘開啟扇均為組角部位斷裂、撐擋失效,為典型的開啟扇脫落問題。我工作人員現場采集密封膠結構膠型材樣本送國檢中心檢測,并分析圖紙和相關資料,反復驗算結構受力,最終查明原因并為業主提供了可行的解決方案。

  3、幕墻開啟扇隱患原因分析

  3.1 地面粗糙度分類有誤,風荷載計算值偏小

  《建筑結構荷載規范GB50009-2012規定:對于平坦或稍有起伏的地形,風壓高度變化系數應根據地面粗糙度類別按表8.2.1確定。地面粗糙度可分為A、B、C、D四類;A類指近海海面和海島、海岸、湖岸及沙漠地區;B類指田野、鄉村、叢林、丘陵以及房屋比較稀疏的鄉鎮;C類指有密集建筑群的城市市區;D類指有密集建筑群切房屋較高的城市市區[2]。該工程距海邊直線距離約1.3公里,屬典型的A類地形。但查閱施工單位出具的結構計算書,將本工程定義為B類地形,計算風荷載的所有參數均以B類地形取值,導致計算的風荷載值偏小。

  3.2開啟部位面積過大,構件局部受力過大

  統計5樘掉落窗扇的尺寸和面積如表1:

  以表1中編號<4>的開啟扇為例,對其負風壓作用下的工況進行計算。

  幕墻屬于薄壁外圍護構件,垂直于建筑物表面上的風荷載標準值,應按下述公式計算:

  圖3為編號<4>的開啟扇在開啟狀態的受力簡圖。最終計算出單個撐擋的拉力設計值F=5352N,遠超出行業標準規定的“開啟方向不大于1000N力、關閉方向不大于600N力[3]”的使用范圍。在風荷載正、負壓交替作用下,固定撐擋的螺釘與型材連接失效被拔出,窗扇失去撐擋的保護,最終在相對薄弱的邊框端部破壞(如圖4),窗扇掉落。

  3.3惡劣天氣時對開啟扇使用和管理不當

  經驗表明,對于豎直的建筑幕墻,風荷載是主要的作用。因為建筑幕墻自重較輕,即使按最大地震作用(詞條“地震作用”由行業大百科提供)系數考慮,也遠小于風荷載作用。因此,對幕墻構件本身而言,抗風設計是主要的考慮因素。我單位查詢開啟扇掉落當天的天氣情況,最高瞬時風力已經達到10級,且掉落的窗扇當時都是處于開啟狀態。根據伯努利方程可以推算出理想狀態下(氣壓為1013hPa,溫度為15℃,空氣密度 r=0.01225kN/m3,重力加速度g=9.8m/s2)10級風的風壓:

  根據伯努利方程,風的動壓為:

  計算10級風力作用下單個撐擋受到的拉力最大值F=3545N,亦超出行業標準規定的“開啟方向不大于1000N力、關閉方向不大于600N力”的使用范圍。從而更加驗證了窗扇的破壞原因。

  《玻璃幕墻工程(詞條“玻璃幕墻工程”由行業大百科提供)技術規范》JGJ 102-2003對幕墻開啟扇的使用有明確規定:幕墻工程竣工驗收時,承包商應向業主提供《幕墻使用維護說明書》。雨天或4級以上風力的天氣情況下不宜使用開啟部位,6級以上風力時,應全部關閉開啟部位[1]。業主和物業單位應密切關注當地天氣預報,遇惡劣天氣提前告知小業主,關閉并鎖緊開啟扇。

  4、整改方案

  鑒于該建筑的幕墻開啟扇存在重大安全隱患,并且已經嚴重影響業主的正常使用,建議對開啟扇進行全部整改。我單位推薦了四種方案供業主選擇,最終業主方選取其中一種并已開始實施:

  4.1 方案簡介:

  4.11保持原有窗洞口尺寸不變,拆除現有開啟扇及配套窗框,增加一道橫梁將原有開啟部分均分成上下兩部分,上半部分改為固定扇,下半部分改成可開啟部分,將可開啟部分的面積控制在1.5m2以內(如圖5);

  4.12 玻璃需按改變分格后的實際尺寸重新定制;

  4.13 新增橫梁、窗邊框、扇框等型材可以采用原模具生產;

  4.14 新加工的窗扇組角部位需要加強;使用加強角碼、注組角膠,機制螺釘固定等;

  4.15 所有五金件緊固件材質均選用優質不銹鋼材料;

  4.16 使用四點固定式撐擋(定制),鎖具采用六點鎖系統。

  4.2 方案描述:

  減小了開啟扇面積,降低了風荷載作用的影響,增加了安全系數。而且大部分鋁型材仍可用原模具,節省了開模(詞條“開模”由行業大百科提供)費用和時間。但此方案更改了原設計分格,外立面視覺效果與現狀會有較大差異。

  5、結語

  隨著近些年我國建筑領域超高層建筑的不斷涌現,以及各類幕墻形式、材料的更新,常規的幕墻設計已經略顯落后。尤其近幾年,幕墻發生一系列安全事故,一度導致建筑幕墻成為“公共安全問題”的焦點,受到國務院和住建部的關注。2006年住建部組織全國10個城市幕墻安全性普查,存在安全隱患的比例超過9.34%。2012年住建部又發出幕墻安全性排查的通知,掀起全國范圍內幕墻安全普查活動,政府或將出臺更嚴厲、更具體的幕墻安全監管政策。2015年3月,應國務院領導要求,經廣泛征求意見,住建部安監總局聯合發出“關于進一步加強玻璃幕墻安全防護工作的通知”(建標[2015]38號),對幕墻應用范圍做出具體的規定,同時對幕墻的安全性提出更高要求。這就要求我們廣大幕墻設計者與時俱進,不斷革新自己的設計理念。

  本文中的幕墻開啟扇設計可作為失敗的典型案例,希望設計者們引以為戒,避免出現此類問題,否則后果不堪設想。此外,文中提到的整改方案可作為此類幕墻的設計素材,能有效提高開啟扇的安全性、可靠性(詞條“可靠性”由行業大百科提供)

  參考文獻:

  [1]JGJ 102-2003,玻璃幕墻工程技術規范[S].北京:中國建筑工業出版社,北京.2003

  [2] GB50009-2012,建筑結構荷載規范[S].中國建筑工業出版社,北京.2012

  [3] JG/T 128-2007,建筑門窗五金件撐擋[S].中國標準出版社,北京.2007

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專家介紹

 姜仁

鋁門窗幕墻委員會專家組

工作單位:中國建筑科學研究院 建筑物理研究所

技術職稱:研究員(教授)

專業:1、建筑門窗幕墻產品校準,性能檢測類、國家標準的編寫。 2、門窗、幕墻樣品的性能檢測。 3、CAD計算機輔助設計軟件的開發。 4、幕墻工程技術咨詢。 現任職務 國家建筑工程質量監督檢驗檢中心門窗幕墻部 副主任 中國建筑科學研究院建工質檢中心司法鑒定所 資深司法鑒定專家 社會兼職 1 中國建筑學會建筑物理委員會 理事 2 全國幕墻門窗標準化技術委員會 副主任,專家 3 建設部制品與構配件產品標準技術委員會幕墻分會 副秘書長、專家 4 建設部節能門窗標識專家委員會 專家 5 建設部建設工程企業資質管理專家庫 專家 6 中國金屬結構協會鋁門窗幕墻委員會 專家 7 中國建筑裝飾協會門窗幕墻工程委員會 專家 8 中國工程建設標準化協會建筑與市政產品應用分會 理事 9 國家建材行業鋁塑復合材料協會 專家 10 北京市高新技術企業認定專家組 專家 11 北京市建筑裝飾協會專家委員會 專家 12 北京市物資協會幕墻門窗委員會 專家

專長:建筑幕墻性能檢測 計算機軟件開發

原文地址:http://www.52mqw.com/info/2019-4-12/45904-1.htm
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