玻璃幕墻風壓檢測系統設計應用*

宋心智, 王海文, 陳子琦

(1.陜西金信建筑工程質量檢測有限公司,陜西 西安 710086; 2.陜西省機械研究院,陜西 咸陽 712099;3.西安工業大學機電工程學院,陜西 西安 710086)

0 引 言

隨著建筑科學技術的進步以及城市土地使用的限制，高層建筑越來越多的出現在世界各大城市，而且大多數的高層建筑都采用大型建筑幕墻來進行裝飾和減輕重量。因建筑幕墻破裂、墜落等問題導致的傷人事件屢見不鮮，為了保證幕墻自身性能和安全性，確保人民群眾的生命財產安全，建筑幕墻檢測隨之發展起來。參照國家相關檢測標準[1]，幕墻檢測主要是對建筑幕墻進行物理三性測試，包括空氣滲透、雨水滲漏和抗風壓三種特性實驗。其中建筑幕墻檢測所用的風壓加載系統是整個檢測試驗臺中最關鍵的部分。

筆者重點介紹風壓檢測系統的主要組成部分，著重介紹正負壓切換機構的設計思路和工作方式。通過隱框玻璃幕墻物理性能檢測試驗，證明了此風壓系統的可行性，對玻璃幕墻風壓檢測系統的設計具有一定的參考價值。

1 風壓系統的主要構成

玻璃幕墻檢測的基本原理為：將玻璃幕墻試件安裝在靜壓箱體上，其靜壓箱體為五面封閉墻體，一面預留開口供玻璃幕墻的安裝；通過風壓調節系統和風管路系統完成對靜壓箱體內空氣壓力的控制，通過供壓系統向靜壓箱體內提供不同壓力差，并利用相關傳感器測出相關參數，以此完成玻璃幕墻檢測[2]。玻璃幕墻檢測風壓系統主要作用是使玻璃幕墻兩側產生不同的壓力差及周期變化的壓力差，以模仿實際工況下風載荷的變化[3]。玻璃幕墻檢測風壓系統主要由供壓系統、測量裝置、控制系統等部分組成。如圖1所示。

圖1 風壓系統主要構成

1.1 供壓系統

供壓系統主要由風機、正負壓切換機構、變頻控制器、風管路系統等組成，其可向靜壓箱體施加正負兩個方向的壓力差[4]。如圖2所示。采用高壓通用風機并利用風管路系統為靜壓箱體供壓。風機的運轉速度由風機變頻器控制，利用正負壓切換裝置及風量控制裝置準確控制玻璃幕墻兩側壓力差。同時利用相關傳感器測量氣密、位移變形數據并上傳到計算機控制系統，方便后續的試驗數據保存及分析[5]。

圖2 玻璃幕墻檢測供壓系統

1.2 正負壓切換裝置

正負壓切換裝置是玻璃幕墻檢測風壓系統中最為重要的一環[6]。其工作原理為：風機按照一個方向轉動，持續為靜壓箱體提供風壓，以滿足檢測時風壓的要求，并通過控制風壓調節系統中伺服閥門開啟的角度改變壓力箱內風壓的方向和大小，如圖3所示為正負壓切換機構簡圖。

圖3 正負壓切換機構

如果要降低箱體內工作風壓，在風機正常運轉的同時，將閥門2和4開啟，關閉閥門1和3。通過降低風機的轉速和改變伺服閥門的角度實現對工作風壓的調節。同時在風管路中安裝泄壓閥和流量計，滿足控制風壓的安全性和方便性要求。并在進、出氣口配備消音裝置，降低工作噪聲。

根據該正負壓切換裝置的工作原理，該裝置具有以下優點。

(1) 風機始終沿同一方向運轉，不需要改變運轉方向來實現風壓方向的改變。解決了通過頻繁改變風機運轉方向實現正負壓切換的方式，同時提高了風機的可靠性，延長了使用時間。

(2) 系統響應快，通過控制伺服閥門開啟的角度以控制靜壓箱體內的壓力變化，這樣比通過控制風機的轉速以實現箱體內風壓的變化所需的響應時間更快。

(3) 控制組合方式多，伺服閥門和風機構成靜壓箱體控制風壓的主要輸入量，可通過改變輸入量的方式實現對風壓的靈活控制，增加了控制方式的多樣性和靈活性。

(4) 安全性高，因安裝了流量計及泄壓閥，在風壓達到警戒值時可通過泄壓閥完成對壓力的釋放，以保證整個檢測系統的安全可控，保證了玻璃幕墻檢測的安全。

1.3 數據采集系統

幕墻檢測風壓系統中數據采集系統主要采集箱體內外的壓力差和空氣流量，主要由空氣壓力傳感器、空氣流量傳感器和信號采集模塊構成。

(1) 空氣壓力傳感器：空氣壓力傳感器的主要作用是實時監測靜壓箱體內空氣壓力的變化情況，將監測數值上傳到計算機監控系統。因玻璃幕墻檢測風壓范圍為0～6 000 Pa左右，因此選擇空氣壓力傳感器的測量范圍為0～8 000 Pa。根據檢測要求選擇空氣壓力傳感器基本誤差為0.2%，如圖4所示。

圖4 空氣壓力傳感器 圖5 空氣流量傳感器

(2) 空氣流量傳感器：在對玻璃幕墻進行檢測時需要對風管路內的氣體流量進行數據監測。根據風管路內的氣體流量選用合適的空氣流量傳感器，本次選用熱感式流量傳感器。其測量量程為：1～50 m/s，其基本誤差為1%，如圖5所示。

(3) 信號采集模塊：它可以獲取檢測試驗過程中的相關數據，并將相關數據上傳到計算機監控系統，完成對箱體壓力、空氣流量數據的監測同時上傳到計算機監控系統。

1.4 應用控制系統

應用控制系統其工作原理為：利用數據采集系統中各種傳感器采集到的現場試驗數據和供壓系統中的控制信號，對各種試驗數據進行分析與處理并對供壓系統進行控制，以完成對玻璃幕墻的檢測。

2 玻璃幕墻檢測風壓系統工作原理

玻璃幕墻檢測風壓系統工作時，先啟動應用控制系統，通過數據采集系統檢測箱體內風壓情況。根據數據采集系統和檢測時不同的風壓要求，應用控制系統控制供壓裝置向靜壓箱體供壓。數據采集系統實時對箱體內的風壓進行監測，控制系統實時控制風機轉速、閥門，以實現對靜壓箱體風壓的實時控制。系統工作原理如圖6所示。

圖6 幕墻檢測風壓系統工作原理

3 玻璃幕墻檢測風壓系統的構成

3.1 供壓系統構成

玻璃幕墻檢測風壓系統由風機、正負壓切換裝置、風機變頻器以及管道組成。根據檢測要求，供壓系統需要向靜壓箱體提供至少9 000 Pa的風壓。因此為實現最大測試風壓，選擇1臺9-26-710D/50kW高速離心風機，如圖7所示。該風機可為不同尺寸的幕墻提供檢測風壓。變頻器選擇西門子MM440 110 kW風機專用變頻器，它可以極大地降低了風機的使用噪音，降低風機的啟動扭矩，增加使用壽命，減少對電網的沖擊。由于風管路較長，為了減少風壓損失，風管采用直徑為500 mm的鋼管。

圖7 高速離心風機

3.2 數據采集系統構成

數據采集系統的主要作用是采集現場各種數據信號，通過工業以太網和通訊現場總線傳遞傳感器數據及設備控制信號，系統可以簡化布線工作，有效提高各種傳感器信號的抗干擾性[7]。空氣壓力傳感器、空氣流量傳感器以及數據采集卡是數據采集系統的主要組成部分。數據采集系統的空氣壓力基本誤差為0.2%、空氣流量基本誤差為1%，可實現了數據自動采集等功能。

3.3 應用控制系統構成

應用控制系統的主要任務是分析處理采集的相關試驗數據，控制供壓系統中的風機、閥門、變頻器的運轉[8]。其主要由BL1800控制器、PLC以及計算機控制系統組成。其中BL1800將相關傳感器采集到的風壓、氣體流量等數據發送給計算機控制系統，以實現對靜壓箱體內風壓的監測和控制。PLC主要負責將控制命令傳送給風機變頻器，以便控制風機的運轉速度。應用控制系統完成整個幕墻檢測系統的信號處理、顯示和控制過程，應用控制系統界面如圖8所示。

圖8 應用控制系統

4 風壓檢測系統應用

借助設計的玻璃幕墻風壓檢測系統，對現有的玻璃幕墻物理性能試驗臺進行改造，在此試驗臺上完成對隱框玻璃幕墻物理三性的檢測，如圖9所示。在檢測過程中，風壓系統能滿足國標中對風壓的要求。其檢測結果如表1、2、3所示。從表1、2的可知，試驗測得幕墻試件空氣滲透量隨壓差不斷增加而增大，且大體呈線性增加趨勢。表3中單位面積空氣滲透量作為判斷指標，可以判斷幕墻試件的氣密等級。通過對隱框玻璃幕墻的物理性能的試驗，證明了此設計的可行性。

圖9 隱框玻璃幕墻檢測

表1 正壓空氣滲透數據

表2 負壓空氣滲透數據

表3 空氣滲透量參數計算

5 結 語

文中將玻璃幕墻檢測的基本原理作為設計依據，完成了對風壓系統的設計。對其各分系統進行了詳細介紹，其中風機和正負切換機構是整個系統中核心部分；數據采集系統完成整個檢測過程中數據信號的采集，并上傳至計算機控制系統；應用控制系統完成整個檢測過程中信號的處理、顯示以及控制。文中對幕墻檢測風壓系統的研究，為保障幕墻的安全提供了可靠的檢測手段，促進了建筑幕墻的健康、可持續發展。