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1. 前言
我国玻璃幕墙行业从1983年开始起步，1990年代进入高速发展期，因玻璃幕墙外形简洁、豪华、现代感强，具有很好的装饰效果[1-2]。在上海地区更是因其自重轻，相当于砖砌体墙体的1/12，混凝土墙体的1/10;施工周期短，较一般建筑墙体的施工周期节省2/3时间，而备受青睐。
位于延安东路的上海“联谊大厦”于1984年建成，首开上海玻璃幕墙的先河。截至2016年底，上海约有玻璃幕墙建筑12000幢，已成为我国玻璃幕墙建筑数量最多的城市，总幕墙面积约占全国的20%，且大多存在于人流密集的CBD（词条“CBD”由行业大百科提供）区域。
然而在这短短30年的时间里，我国的幕墙行业却走完了国外建筑幕墙150年的发展史。部分调查研究数据表明[3]，这些既有的玻璃幕墙建筑存在着较大的安全隐患，主要表现为钢化玻璃自爆、面板脱落、开启扇坠落、结构胶老化、连接件失效、五金件缺失等多项问题。
2012年颁布实施的第77号沪府令《上海市建筑玻璃幕墙管理办法》明确规定：“采用玻璃幕墙的建设工程，建设单位应当在初步设计文件阶段，编制玻璃幕墙结构安全性报告，并提交建设行政管理部门组织专家论证(第九条)”;“建设单位在申请施工图设计文件审查时，应当提交结构安全性论证报告、光反射环境影响技术评估报告和专家论证报告(第十条)”。
同期配套出台的沪建交(2012)第100号文《关于实施建筑玻璃幕墙结构安全性论证的通知》，更是明确规定：“本市行政区域内新建、改建、扩建工程和立面改造工程中采用玻璃幕墙的建设工程，均应按照《上海市建筑玻璃幕墙管理办法》的规定，实施建筑玻璃幕墙结构安全性论证(第一条)”;“建设单位在申请委托建筑玻璃幕墙结构安全性论证时，应提交建筑玻璃幕墙结构安全性论证申请表、玻璃幕墙结构安全性报告、玻璃幕墙结构计算书、上海市建设工程报建表、规划部门审批意见(第四条)”。
上述法律法规实施已近五年，玻璃幕墙结构安全性论证(以下简称“安评”)实施过程中各级管理部门、建设单位、设计单位、幕墙企业都碰到了不少问题。结合第一阶段汇总整理幕墙安评的常见设计质量通病的基础上，本文拟从确保城市公共安全的角度出发，进一步分析设计环节中影响幕墙结构安全及使用的关键因素，不断完善建筑玻璃幕墙管理办法的配套措施，并从材料内因和建筑环境二个方面阐述了建筑幕墙设计质量通病的防治技术。
2. 设计质量通病
在第一阶段中，我们通过汇总和整理幕墙安评中常见的设计质量通病，把安评资料按照“设计说明、材料选用、安全设计、结构图纸、结构计算书、其他”六个角度进行了归纳汇总，运用数理统计的方法进行分类汇总(见表1)。
表1 调研项目问题分类汇总
在上海市浦东新区建交委科技委、浦东新区建设工程设计文件审查事务中心的大力支持下，针对所收集到的42项玻璃幕墙安评设计资料，进一步重点提炼了设计环节中影响幕墙结构安全及使用的关键因素，采用文献检索、专家会议、问卷调查等多种形式，归纳和完善常见的设计质量通病最主要存在五个方面：
(1) 玻璃尺寸过大，钢化玻璃的自爆问题始终无较好的解决方法;
(2) 细部构造设计不到位，对连接部位的结构计算缺失;
(3) 外立面的装饰条(遮阳条)在缺少合理的验证前被设计大胆运用;
(4) 建筑材料的防火等级不足、防火分区的设置不当等;
(5) 组合幕墙中的石材幕墙问题较多。
3. 设计质量通病的防治技术
根据上述玻璃幕墙安评中发现的设计质量通病的影响程度不同，除满足国家、行业及地方建设标准强制性条文的要求外，本文从内在本质和外部使用二个方面总结提出玻璃幕墙结构设计的关键因素，并有针对性地展开研究，提出相关的防治技术。
(1)优选原材，本质解决幕墙玻璃自爆
据中国建筑装饰协会幕墙工程委员会对北京、上海、天津、重庆、西安、武汉、深圳、哈尔滨、厦门、温州10个城市96座在用建筑幕墙的质量与安全情况进行抽样调查结果显示[3], 既有幕墙存在安全隐患，可以初步认定为钢化玻璃自爆的板块47块，有重要隐患的幕墙工程9项，占调查项目总数的9.38%。如果去掉钢化玻璃自爆因素，比例下降到2.3%。
玻璃面板是幕墙最常使用的材料，由于玻璃在生产过程中混入了含有硫化镍结晶物，NiS(硫化镍)在379℃时有一相变过程，从高温状态的α-NiS晶系转变为低温状态β-NiS晶系时，体积膨胀2%~4%，且表面粗糙。如果这些杂质是在钢化玻璃张应力区内，则体积膨胀就可能引起炸裂。
新的研究表明[4]，玻璃内单质硅结晶微粒膨胀也会引起玻璃的破裂。单质硅微粒的膨胀系数只是玻璃膨胀系数的一半，而硬度却比玻璃大。由于玻璃内分散着部分单质硅微粒，当温度下降时，引起单质硅微粒周边玻璃的切向应力增大。当应力过大时引起局部拉伸（词条“拉伸”由行业大百科提供）裂缝，并导致整体破碎。
关于钢化玻璃自爆率，国内各生产厂家的说法从0.3%～3%不等，且并不完全一致。这也就意味着，即使是合格的钢化玻璃，在通过所有的审核以及验收过后，它仍旧有一定数量的自爆率。而对于部分大面积(5平米以上)、厚板块(单片超过20mm玻璃或是由两片钢化玻璃组成的板块)实际的自爆率可能更高。
目前，从材料内在本质上解决钢化玻璃“自爆”的主要有热浸处理加工工艺和优质超白玻璃。
热浸处理(Heat Soak Test，简称HST)又称均质处理。主要作用是促使硫化镍在钢化玻璃的工厂热浸炉中快速完成晶相转变，让原本使用后才可能自爆的钢化玻璃人为地提前破碎在工厂的热浸炉中，从而减少安装后使用中的钢化玻璃自爆。按照国外经验，经过均质处理后的钢化玻璃自爆率可降低至0.15%以下。
超白玻璃，是采用浮法（词条“浮法”由行业大百科提供）工艺生产，成分中Fe2O3含量不大于0.015%，具有高可见光透射比的平板玻璃（词条“平板玻璃”由行业大百科提供）。超白玻璃，因其选材基本不用传统玻璃所用的矿物原料(如长石、白云石、石灰石等)，而用的是纯度较高的化工原料，如氢氧化铝、碳酸钙、碳酸镁等，通过有效降低氧化铁的掺量，没有了自爆的内因，所以不会发生钢化玻璃的自爆。
(2)按规范设计，提升玻璃防坠性能
现行的国标《建筑玻璃应用技术规程》JGJ113-2015和地标《建筑幕墙工程技术规范》DGJ08-56-2012对幕墙玻璃面板的安全选用提出明确的要求。
本文结合浦东新区建设工程设计文件审查事务中心提供的42多个多项建筑工程的玻璃幕墙安评资料，对玻璃幕墙的细部设计中反映的与幕墙面板脱落相关的质量通病进行汇总分析，吃透规范，按规范设计，实现确保玻璃幕墙的整体结构安全性能。
a)加强玻璃外片质控
根据国发改委运行[2003]2116号《建筑安全玻璃管理规定》的要求，幕墙必须使用安全玻璃。该规定中所称安全玻璃，是指符合现行国家标准的钢化玻璃、夹层玻璃及由钢化玻璃或夹层玻璃组合加工而成的其他玻璃制品，如安全中空玻璃等。上海地标《建筑幕墙工程技术规范》更是在全国率先提出，临街的建筑如需采用玻璃幕墙宜优先采用夹层玻璃;针对人员密集且流动性大的重要公共建筑的幕墙玻璃面板应采用夹层玻璃。
通过工程前的优质选材，加强玻璃外片的质量控制。选择缺陷相对较少的原片作为中空玻璃的外片，适度钢化保证钢化玻璃表面应力差较小，应力分布均匀，提高钢化玻璃边部的加工质量等。
b)控制玻璃最大面积
通过大量的工程案例发现，超大面积的钢化玻璃发生自爆的概率会远远高于常规尺寸的钢化玻璃。因此，2012年5月1日上海市城乡建设和交通委员会和上海市金属结构行业协会联合颁布的上海市地标《建筑幕墙工程技术规范》DGJ08-56-2012第4.1.6条款要求：“幕墙玻璃面板宜不大于4.5 m2，半钢化玻璃（词条“半钢化玻璃”由行业大百科提供）应不大于2.5 m2，夹层玻璃面板应不大于9.0 m2，钢化玻璃应有防自爆坠落措施、半钢化玻璃应有防坠落构造措施”。
(3)巧设缓冲，合理优化建筑体型
由于建筑学的发展更加丰富了建筑物外立面的体型，而玻璃幕墙作为建筑的外围护结构更加能突显出丰富的空间层次、复杂多变的建筑效果。在建筑体型设计时，应考虑结合玻璃幕墙高空坠落的防护性能，合理选用退台、外挑、底层架空等体型处理手法，确保建筑使用安全。
在建筑的总体规划设计中，应合理划分通行区、活动区、隔离区和缓冲区等功能区域，并处理好相互之间的关系。隔离区和通行区、活动区之间一定要建立明确的边界，建立竖向防护的安全措施，并确保通行区、活动区不得与隔离区交叉和重叠。
塔楼（词条“塔楼”由行业大百科提供）式建筑幕墙中退台的设置有很多优点[5]，一方面丰富了建筑的体型;另一方面还可为楼层空间提供类地面的活动场所。退让出来的露台增加了人性化的使用空间，但同时也形成了一个防面板高空坠落的缓冲区。反之，外挑体型的建筑则因建筑的局促而不法设置合理的缓冲区域，造成潜在的坠落伤害风险。
图3 设置缓冲区域的退台建筑相对安全
(4)遮阳和防火，兼顾安全
合理有效地布置幕墙的外遮阳措施，可以改善室内热舒适环境，降低通风、空调、采暖的负荷，提高建筑节能的效果。然而，在注重建筑遮阳效果和建筑外观效果的同时，更须确保外遮阳装置的安全性能。虽然幕墙外遮阳的结构安全性计算尚无明确的规范可依，但已有部分幕墙设计单位尝试性地开展有限元计算分析，并通过相关的模拟试验来验证，指导具体的工程实践。
幕墙防火性能也越来越多受到设计师的关注。通过研究防止火焰沿着幕墙外墙、屋面传播，面板或保温材料（词条“保温材料”由行业大百科提供）可燃时如何防止立体燃烧，建立防止立体燃烧的幕墙技术指标体系，在设计图纸阶段完善幕墙防火节点和防火分区的设计。
(5)扩大安评范围，延伸至组合幕墙
安评中发现玻璃和石材的组合幕墙的形式很多。特别是石材等重型面板，由于石材幕墙连接性能在使用过程中不断发生退化，温度变化、机械振动以及各种各样的外界因素的影响，这样的受力状态很难用传统的理论进行计算和分析。
建议扩大安评的范围，结合石材幕墙的结构耐久性分析，实现建筑幕墙结构安全论证的全覆盖，整体提升组合幕墙安全性能。
4. 结语
本文收集了浦东新区近年来42项的玻璃幕墙安评的设计资料，在汇总整理幕墙安评的设计质量通病的基础上，进一步分析了设计环节中影响幕墙结构安全及使用的关键因素，并从材料内因、细节设计、使用环境等多个方面阐述了玻璃幕墙防治技术。
通过玻璃幕墙结构安全性论证及评审工作的推广，幕墙行业设计水平得到了整体提升，特别在建筑幕墙的公共安全及运维方面实现了非常有效的管控，这项工作意义重大，并将不断地完善和发展中更好为城市服务。
参考文献
[1] 上海市房屋土地资源管理局科研项目.既有建筑玻璃幕墙综合维修技术研究与应用.2009年.
[2] 上海市科学技术委员会科研项目课题报告.建筑幕墙安全性评估和改造关键技术研究与示范.2014年.
[3] 中国建筑装饰协会幕墙工程委员会会议文件.2006年.
[4] 包亦望，刘立忠，韩松，石新勇，杨建军.钢化玻璃自爆机理的新发现—单质硅微粒引裂.硅酸盐（词条“硅酸盐”由行业大百科提供）学报.2007，(35)9: 1273-1276.
[5] 李晨.城市居住环境下高空坠物及建筑设计防坠措施研究.南昌大学硕士毕业论文，2007年.
