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(yè)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(tǒng)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(yè)大百科提供），且多位于風壓（詞條“風壓”由行業(yè)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(yè)標準JGJ 102-2003《玻璃幕墻工程技術規(guī)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(guī)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(fā)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(qū)域為人流密集的商業(yè)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(qū)內，鋁合金扇框已斷裂（詞條“斷裂”由行業(yè)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(yè)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(yè)主委托，立即成立工作組并第一時間抵達現場，查看發(fā)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、結構膠和鋁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(yè)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(guī)范》GB50009-2012規(guī)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(qū);B類指田野、鄉(xiāng)村、叢林、丘陵以及房屋比較稀疏的鄉(xiāng)鎮(zhèn);C類指有密集建筑群的城市市區(qū);D類指有密集建筑群切房屋較高的城市市區(qū)[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(tǒng)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(tài)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(yè)標準規(guī)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(yè)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(tài)。根據伯努利方程可以推算出理想狀態(tài)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(yè)標準規(guī)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(yè)大百科提供）技術規(guī)范》JGJ 102-2003對幕墻開啟扇的使用有明確規(guī)定：幕墻工程竣工驗收時，承包商應向業(yè)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(yè)主和物業(yè)單位應密切關注當地天氣預報，遇惡劣天氣提前告知小業(yè)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(yè)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(yè)主選擇，最終業(yè)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 所有五金件和緊固件材質均選用優(yōu)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(tǒng)。
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(jié)省了開模（詞條“開模”由行業(yè)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(guī)的幕墻設計已經略顯落后。尤其近幾年，幕墻發(fā)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(fā)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(jiān)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(jiān)總局聯合發(fā)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(guī)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(yè)大百科提供）。
參考文獻：
[1]JGJ 102-2003,玻璃幕墻工程技術規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,北京.2003
[2] GB50009-2012,建筑結構荷載規(guī)范[S].中國建筑工業(yè)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
