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用政策法規推動玻璃幕墻安全性的提升

來源:2020論文集  作者:高琦 李春超 劉忠偉  日期:2020-11-6
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   近年來,各地玻璃幕墻不斷出現安全問題,已經引起全社會的普遍關注。玻璃幕墻的安全問題主要表現在鋼化玻璃自爆和開啟扇脫落。本文主要論述鋼化玻璃自爆問題。

  本篇文章內容由[中國幕墻網ALwindoor.com]編輯部整理發布:

  一、 玻璃幕墻安全性不確定

  近年來,各地玻璃幕墻不斷出現安全問題,已經引起全社會的普遍關注。玻璃幕墻的安全問題主要表現在鋼化玻璃自爆和開啟扇脫落(詞條“脫落”由行業大百科提供)。本文主要論述鋼化玻璃自爆問題。

  鋼化玻璃自爆原本應為罕見現象,現如今在我國已經發展成為普遍現象,幾乎沒有不發生鋼化玻璃自爆的玻璃幕墻。這主要有兩方面原因,其一是鋼化玻璃自身品質較差;其二是玻璃幕墻多為高層、超高層建筑(詞條“超高層建筑”由行業大百科提供)荷載較大,有些甚至為異形,這也加劇了鋼化玻璃自爆。

  鋼化玻璃自爆具有突然性,且不可預測,因此也就無法事先采取預防措施。現如今鋼化玻璃面積較大,因此厚度也較大,原本作為鋼化玻璃自爆后變成分散細小顆粒的特性也不會完全實現,即鋼化玻璃自爆后往往出現裂而不碎的大碎片,俗稱“鋼化玻璃被”,這種“鋼化玻璃被”發生高空墜落危害性非常大。鋼化玻璃自爆的不可避免和不可預測使得玻璃幕墻的應用沒有安全邊界,即鋼化玻璃符合國家相關標準要求,玻璃幕墻設計、安裝符合國家相關標準規定,鋼化玻璃還會自爆,甚至發生安全事故。人們不知道如何做才能保證玻璃幕墻的安全,而這一切都源于鋼化玻璃自爆。因此與其說玻璃幕墻的安全性莫不如說是幕墻玻璃的安全性更為確切。

  二、 鋼化玻璃自爆的工程表象

  嚴格意義上說,鋼化玻璃只有在無荷載作用下發生的自發性炸裂才稱為鋼化玻璃的自爆。實際工程中,對于沒有外力沖擊、正常使用條件下、具有典型自爆裂紋的鋼化玻璃破裂也歸結為鋼化玻璃自爆。但兩者卻有本質的差異。鋼化玻璃自爆的原因是硫化鎳(詞條“硫化鎳”由行業大百科提供)粒子的膨脹。玻璃中含有硫化鎳夾雜物,硫化鎳夾雜物一般以結晶體(NiS)存在,室溫下存在著 相向 相轉變的熱力學傾向,并伴有2—3%的體積膨脹。硫化鎳粒子存在于平板玻璃中,因而才存在于半鋼化玻璃和鋼化玻璃中。但平板玻璃和半鋼化玻璃沒有自爆現象,只有鋼化玻璃才有自爆,原因是僅有硫化鎳粒子由 相向 相轉變的熱力學傾向是不夠的,必須具備一定的動力學條件才能實現這種相變,進而造成玻璃的自爆。平板玻璃是退火玻璃,其內部無應力。半鋼化玻璃和鋼化玻璃經淬火后其內部具有應力,屬于預應力材料。半鋼化玻璃和鋼化玻璃內部應力狀態見圖1。

  圖1 半鋼化玻璃和鋼化玻璃內部應力

  由圖1可見,半鋼化玻璃和鋼化玻璃內部應力分布趨勢是一致的,都是外表面處于壓應力,內部處于張應力,兩者的區別是鋼化玻璃表面壓應力和內部張應力比半鋼化玻璃的表面壓應力和內部張應力都大。只有玻璃中的硫化鎳粒子位于足夠大的張應力區,硫化鎳粒子才具備相變的動力學條件,因為硫化鎳粒子相變伴隨體積膨脹,足夠大的張應力為硫化鎳粒子體積膨脹提供了動力學條件,這就是平板玻璃和半鋼化玻璃不發生自爆,鋼化玻璃自爆的原因。玻璃中的硫化鎳粒子是隨機分布的,如果玻璃中的硫化鎳粒子位于鋼化玻璃最大張應力部位,該粒子就可能成為鋼化玻璃自爆的起爆點。由硫化鎳粒子造成的鋼化玻璃自爆其爆裂點裂紋形狀往往與蝴蝶相似,被稱為蝴蝶形裂紋,有些在爆裂點中部有一個有色顆粒,被認為是硫化鎳粒子,這兩個特性往往被用來作為鋼化玻璃是否是自爆的判據。硫化鎳粒子在鋼化玻璃自爆前后的體積是不同的,爆裂前體積小,不易被看見;自爆后其體積增大,地點確定,很容易被看見,這也是鋼化玻璃自爆不易預見的原因之一。鋼化玻璃自爆裂紋見圖2。

  圖2 鋼化玻璃自爆裂紋

  硫化鎳粒子造成的鋼化玻璃自爆具有主動性、自發性、無外因,是真正意義上的自爆。

  硫化鎳粒子造成鋼化玻璃自爆需要兩個條件:其一硫化鎳粒子所處位置的張應力大小;其二硫化鎳粒子的尺寸。硫化鎳粒子尺寸越大,它需要的張應力越小,即對應不同的張應力,硫化鎳粒子存在臨界尺寸,鋼化玻璃中張應力越大,硫化鎳粒子的臨界尺寸越小,產生自爆硫化鎳粒子越多,鋼化玻璃自爆的概率越大。

  此外,風荷載、溫差作用、裝配應力等會改變鋼化玻璃內部的應力分布,見圖3。

  圖3 鋼化玻璃在荷載作用下的應力

  由圖3可見,在荷載作用下,原本處于不具備自爆條件的硫化鎳粒子可能變為具備自爆條件而自爆,這就是工程上鋼化玻璃安裝后,特別是采光頂鋼化玻璃自爆的主要原因。

  平板玻璃中除含有硫化鎳粒子外,還含有結石、氣泡和雜質。玻璃是典型的脆性材料,其力學行為服從斷裂力學。玻璃中的結石、氣泡和雜質在玻璃中將會形成裂紋,是鋼化玻璃的薄弱點,特別是裂紋尖端是應力集中處。如果結石、氣泡或雜質處在鋼化玻璃的張應力區,或在荷載作用下使其處于張應力,都可能導致鋼化玻璃炸裂。但這是鋼化玻璃低強度破壞,不是鋼化玻璃自爆,這兩者有本質區別,鋼化玻璃低強度破壞必須有外荷載作用,而鋼化玻璃自爆是可以沒有任何荷載作用而發生破壞。

  沒有國家標準規范鋼化玻璃自爆率,但行業里普遍接受的說法是鋼化玻璃自爆率一般為3—5‰,這一說法源于玻璃中硫化鎳粒子存在率為3—5‰。并不是所以硫化鎳粒子都能引發鋼化玻璃自爆,因此3—5‰應為鋼化玻璃自爆概率,既然是概率就不一定發生,可能一片都不爆,因此鋼化玻璃自爆應為罕見現象。但如果把3—5‰認定為鋼化玻璃自爆率,即發生率,那鋼化玻璃的危害性就太大了。例如玻璃幕墻采用10000片鋼化玻璃,將有30—50片自爆,大的玻璃幕墻工程通常采用在100000片以上鋼化玻璃,將有300—500片自爆,試想這個工程還能運營嗎?

  三、 解決方案

  降低鋼化玻璃自爆率已到了刻不容緩的時候,根本的措施就是提高平板玻璃品質,然而提高平板玻璃品質不是短時間內能夠做到的。為提高玻璃幕墻的安全性,保證玻璃幕墻工程安全運營,至少應做到避免鋼化玻璃碎片高空墜落。采用外片為夾層玻璃(詞條“夾層玻璃”由行業大百科提供)中空玻璃即可避免發生鋼化玻璃自爆碎片高空墜落問題,夾層玻璃可以認定為是防墜落玻璃,只要設計、安裝和使用符合標準規范要求,其安全性是有保證的,該玻璃幕墻據有明確的安全邊界。

  現階段國家和地方以行政法規的形式規范幕墻玻璃的應用是簡捷、快速、有效的方式。2015年住房城鄉建設部和國家安全監管總局聯合發布《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),其中第四條規定:

  玻璃幕墻宜采用夾層玻璃、均質鋼化玻璃或超白玻璃。采用鋼化玻璃應符合國家現行標準《建筑門窗幕墻用鋼化玻璃》JG/T455的規定。夾層玻璃是推薦使用產品之一。

  2012年2月1日起施行《上海市建筑玻璃幕墻管理辦法》,其中第六條(幕墻玻璃的采用要求)規定:

  有下列情形之一,需要在二層以上安裝幕墻玻璃的,應當采用安全夾層玻璃或者其他具有防墜落性能的玻璃:

  (一)商業中心、交通樞紐、公共文化體育設施等人員密集、流動性大的區域內的建筑;

  (二)臨街建筑;

  (三)因幕墻玻璃墜落容易造成人身傷害、財產損壞的其他情形。推薦使用夾層玻璃。

  2013年4月1日起施行《廈(詞條“門”由行業大百科提供)建筑外立面裝飾裝修管理規定》,其中第二十條規定:

  商業中心、交通樞紐、醫院、學校、文化體育場館等人員密集場所的建筑以及臨街建筑,需要在二層以上采用玻璃幕墻的,應當使用安全玻璃,并采取防墜落措施。防墜落安全玻璃即為夾層玻璃。

  浙江省住房和城鄉建設廳2013年4月1日發布施行《建筑幕墻安全技術要求》,其中3.7條規定,玻璃幕墻的玻璃選用應當符合下列安全要求:

  (1)建筑幕墻外片玻璃應當采用安全夾層玻璃、超白鋼化玻璃或者均質鋼化玻璃及其制品。其中,商業中心、交通樞紐、公共文化體育設施等人員密集、流動性大的區域內的建筑,臨街建筑和因幕墻玻璃墜落容易造成人身傷害、財產損壞的其他情形的建筑,二層以上部位外片玻璃應當采用安全夾層玻璃或者其他具有防墜落性能的玻璃。推薦使用夾層玻璃。

  深圳市住房和建設局發布深建物業〔2016〕43號文《關于加強建筑幕墻安全管理的通知》,其中第四條規定:

  玻璃幕墻的面板,除夾層玻璃外應選用均質鋼化玻璃及其制品;人員密集、流動性大的重要公共建筑,且可能造成人身傷害、財產損失的幕墻玻璃面板,傾斜或倒掛的幕墻玻璃必須采用夾層玻璃。

  2017年7月1日起施行《廣州市建筑玻璃幕墻管理辦法》,其中第七條規定:

  在下列建筑的二層以及以上部位設置玻璃幕墻的,應當采用具有防墜落性能的玻璃,并在幕墻下方周邊區域合理設置綠化帶、裙房等緩沖區域或者采用挑檐、頂棚等防護設施:

  (一)商業中心、交通樞紐、公共文化體育設施、廣場等人員密集、流動性大的區域內的建筑。

  (二)臨街建筑。

  (三)下方有出入口、人員通道的建筑。防墜落安全玻璃即為夾層玻璃。

  四、結束語

  目前我國是建筑玻璃生產大國,產量過剩,價格低廉,一些地區技術經濟發達,現階段在我國部分地區外片采用夾層玻璃,配以國家和地方行政法規是提高玻璃幕墻安全性行之有效的方法,應大力提倡。

  作者單位:天津北玻玻璃工業技術有限公司、北京中新方建筑科技研究中心

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專家介紹

 劉忠偉

鋁門窗幕墻委員會專家組

工作單位:北京中新方建筑科技研究中心

技術職稱:教授級高級工程師,工學博士

專業:1.建筑幕墻設計與計算。 2.建筑幕墻應用技術咨詢;《建筑玻璃應用技術規程》JGJ113主編。

專長:建筑玻璃應用科學與技術、建筑物理、建筑節能、建筑幕墻、門窗等專業的設計與研究。

原文地址:http://www.52mqw.com/info/2020-11-6/47590-1.htm
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