幕墻玻璃破裂與墜落防治探討

方明星，胡紅霞，劉立鼎，徐亞男，崔 洋

(中國建筑第七工程局有限公司，河南 鄭州 450000)

隨著新科技、新技術在建筑工程中的逐步應用，使得我國的高層建筑有了更廣闊的發展空間。幕墻，作為建筑的表皮，已逐漸成為展示城市繁榮的窗口。建筑幕墻的應用始于20世紀初，自1981年廣州交會流花展館建成我國的第一個玻璃幕墻起，玻璃幕墻開始逐步在我國的各大建筑中得到應用。

據估計，目前我國玻璃幕墻面積超過12億m2，已成為世界第一的玻璃幕墻生產和使用大國。巨大的玻璃幕墻存量以及日趨老化的趨勢，使得近年來鋼化玻璃破裂并墜落傷人的事件頻發，玻璃幕墻的安全問題開始備受人們的重視和關注。

然而，通常所見的玻璃幕墻安全問題，并不代表是由于玻璃幕墻而存在的問題。例如，鋼化玻璃自爆的問題，它更多反映的是鋼化玻璃自身存在的缺陷，并不能完全代表現有幕墻的安全問題。除此之外，低價中標，原材料采購質量問題，設計施工因素，隨意壓縮工期，對既有幕墻維護管理不當等原因，也是玻璃幕墻出現安全問題的潛在影響因素。

1 幕墻玻璃破裂與墜落的原因分析

1.1 硫化鎳雜質導致幕墻玻璃破裂

建筑幕墻玻璃要求使用鋼化玻璃。鋼化玻璃是一種安全玻璃，具有質量輕、機械性能好的特點，但玻璃內部含有一種叫做硫化鎳的雜質，會造成鋼化玻璃的自爆。多年來，國內外研究表明，鎳元素主要由原料石英砂或者砂巖帶入，硫元素由燃料及輔料帶入。在1400～1500 ℃ 高溫熔窯中,鎳和硫元素發生化學反應形成硫化鎳。當溫度超過 1000 ℃ 時，硫化鎳以液滴形式隨機分布于熔融狀態下的玻璃液體中;當溫度下降至 797 ℃ 時，液態硫化鎳發生結晶并固化，形成高溫態的α硫化鎳晶相，即六方晶體;當溫度繼續降至 379 ℃ 時，進一步轉變成為低溫狀態的β硫化鎳，即三方晶系，同時體積膨脹2.38%[1]。此時，玻璃內部存在巨大的相變張應力，這是使玻璃出現自爆破裂現象的內在原因。

1.2 二次加工制作導致幕墻玻璃破裂

玻璃表面和邊部在二次加工、運輸、儲存和施工過程中，會留下微裂紋、劃痕、裂口、毛刺等缺陷，這些缺陷均會形成應力集中，導致鋼化玻璃發生自爆破裂風險。在熱應力和荷載的作用下，一旦達到或者接近玻璃損傷應力臨界值時，裂紋快速擴張最終導致玻璃破裂。

1.3 熱應力導致幕墻玻璃破裂

熱應力是指加熱或冷卻時，材料不同部位出現溫差，導致熱脹或冷縮不均所產生的應力。幕墻玻璃中常見應力有暫時應力和永久應力兩種。暫時應力是由于玻璃導熱性較差而產生的，玻璃在應變點溫度以下加熱或冷卻時，各部位將形成溫度梯度，從而產生熱應力。暫時應力與溫差相關，溫差越大，暫時應力也越大。當暫時應力值超過玻璃的破裂極限強度時，玻璃就會自爆破裂。永久應力即鋼化應力，是由于玻璃局部溫差產生的應力，它的大小取決于成品在應變點溫度以上時的冷卻速率、玻璃的黏度及玻璃的厚度等因素。幕墻玻璃因熱應力自爆主要是由暫時應力造成的。

1.4 設計施工不當導致幕墻玻璃破裂

設計施工不當導致的玻璃破裂與墜落主要表現在以下幾個方面：

1)玻璃與金屬固定件之間的間距及接觸面處理不當。玻璃幕墻規范對嵌入尺寸、空隙空間和接觸面處理都有明確的要求。要確保玻璃在溫度變化和其他因素影響下具有自由伸縮的空間，避免硬性接觸，一旦出現阻礙玻璃自由伸縮的因素，玻璃就會有破裂風險[2]。同時，玻璃的槽口兩側和底部不能用硬性的材料填塞，這些材料的體積變化會對玻璃產生擠壓使得玻璃破裂。建筑幕墻玻璃的安裝有嚴格的技術要求，在安裝的過程中必須遵循《玻璃幕墻工程技術規范》。在此規范中，對幕墻玻璃的承托構件的長度、厚度等都有明確規定，要求每塊玻璃必須在下端設置兩個長度大于 100 mm、厚度大于 2 mm 的鋁合金或者不銹鋼的托條，用來承受玻璃的重荷載，玻璃與托條接觸面必須要使用壓膜成型的氯丁橡膠墊塊隔開，避免硬性接觸。

2)因龍骨安裝尺寸控制不當、玻璃加工誤差等原因造成玻璃與龍骨或固定框貼合不夠。玻璃在平面外力作用下會產生翹曲，當固定件阻礙玻璃的翹曲變化時，造成局部應力過大，從而使玻璃發生破裂。

3)對于玻璃幕墻的層間，通常做法是在玻璃后襯鋁單板。在設計時，若后襯板和玻璃的距離太少且兩者中間的空氣層沒有留通氣孔，在太陽的直射下，中間的空氣層溫度急劇升高，由此造成的玻璃溫度過高和氣體的膨脹使得玻璃炸裂。

4)玻璃的厚度、類型和平面尺寸設計不合理，無法承受所受風荷載，導致玻璃窗框整體墜落或者玻璃破裂。

5)沉降縫和變形縫處的幕墻結構設計不合理，因主體變形而導致玻璃破裂[3]。

6)隨著建筑幕墻應用的推廣，幕墻生產企業大量出現，實力良莠不濟。市場競爭不規范，施工監管不到位，導致材料和施工質量不符合標準規范和設計要求，這是當前玻璃幕墻墜落和破裂最根本的原因。

幕墻玻璃破裂與墜落的原因不僅僅是單因素，通常是由多個因素綜合造成的。玻璃夾渣、氣泡等自身缺陷導致的破裂只能控制降低，不可避免，危害相對較小。而設計不合理，二次加工制作處理不當，運輸和施工監管不到位等是幕墻玻璃發生破裂與墜落的重要原因。太陽輻射、風荷載、地震荷載等外加荷載也是幕墻玻璃墜落和破裂的直接誘因。

2 幕墻玻璃破裂與墜落的防治對策2.1 鋼化玻璃二次熱處理

鋼化玻璃二次熱處理，即玻璃鋼化后，工廠出廠前對其進行二次的熱浸處理。通過鋼化玻璃回爐，經過升溫到恒溫再到冷卻的一系列步驟，促使鋼化玻璃內部的不穩定晶態的硫化鎳發生引爆或者轉化和消除。經過這樣的處理，可以把鋼化玻璃自爆率控制在0.1%以內。二次熱處理玻璃所需保溫時間長，規范未進行強制要求，所以很多工程因為趕工期或考慮成本而放棄這個降低玻璃自爆率的再加工過程。為玻璃幕墻安裝后，埋下安全隱患。

2.2 加工制作缺陷的預防措施

玻璃邊緣拉應力最大，加工缺陷也最嚴重，改善玻璃邊緣的加工質量是降低玻璃破裂的關鍵。首先在玻璃加工過程中要做好玻璃的防護，避免劃傷，玻璃邊緣進行細磨倒角處理，倒角面要平整，倒角大小、砂輪轉速等要符合規范的規定[4]。其次玻璃運輸過程中要注意做好玻璃的包裝，進行軟隔離，異形玻璃對尖角部位要著重保護。二次加工制作導致的缺陷主要是人為原因，所以加強對工人的培訓，規范加工工藝及程序，能夠有效減少由于玻璃加工缺陷而產生的玻璃自爆。

2.3 對設計施工過程的質量加強管理

1)嚴格新建幕墻設計方案審查。為確保幕墻安全可靠，應加強對幕墻設計的管理，建立健全新建建筑幕墻設計方案審查制度，將建筑幕墻可能存在的安全風險消除在方案設計階段，以提升既有幕墻的安全性和可靠性。另外，現在的建筑設計在建筑外觀的設計上，如新穎復雜的立面造型、超大面板板塊的設計、新型建筑材料的出現等設計，很多都突破了現行設計規范和規定，給建筑幕墻在設計上提出了新的挑戰，我國現行的《玻璃幕墻工程技術規范》，已難以適應日益增加的安全要求。依據現行設計規范，按照不同區域的條件制定和實施更嚴格的地方性標準規范，并以此對建筑幕墻的設計方案進行審查，合理的總體布置安排減小溫度梯度，減小玻璃分格尺寸，合理的玻璃固定構造，采用夾膠玻璃等措施將大大地降低新建建筑幕墻的安全風險。

2)施工過程中加強質量管理。幕墻玻璃安裝工藝和施工程序控制不到位是幕墻玻璃破裂與墜落的重要原因之一。所以，要規避幕墻玻璃破裂墜落風險就要對其安裝過程中的質量進行控制，對各項工序進行細致的檢查和監管。幕墻施工企業要對操作人員進行培訓與考核，保證其專業技術水平。

3)健全現有幕墻檢查機制和研發現場檢測新技術。現有幕墻的安全檢查和鑒定工作，不同于一般的幕墻性能檢測，既有幕墻的檢查需要有較高專業水平和經驗的建筑幕墻從業人員，包括長期從事幕墻設計、施工和管理，且能全面掌握和熟悉幕墻規范和檢測方法的高級專業人員來擔任，并按照檢查程序和檢查內容逐項對既有幕墻進行現場檢查和工程檔案的核對。根據檢查結果，若有必要可提出進一步的幕墻性能檢測要求，包括檢測項目、檢測方案和檢測方法等。嚴格執行既有幕墻的日常安全檢查，通過專項的檢測，依據檢測結果判定既有幕墻是否存在風險，并出具可靠性鑒定報告和相應的維修或改造方案。由于既有幕墻的安全檢查基本都在現場進行，特別是對于隱蔽工程和結構密封膠的現場檢查，目前尚無較好的檢測方法。為適應既有幕墻檢測的特點，我們必須進一步研究和開發出一些新的檢測技術，如現場無損檢測技術，既能發現既有幕墻存在的問題，又能保持既有幕墻的完整。

3 結語

為改善既有幕墻陸續發生破裂和墜落的現狀，提高我國既有幕墻的安全，應從強化安全監管入手，建立規范化和法制化的建筑幕墻市場秩序和意識，嚴格落實既有幕墻安全管理責任人制度和安全檢查制度。特別是加強建筑幕墻設計、采購、施工和運營全過程的質量控制和安全管理，盡快地完成既有幕墻相關標準規范的制定和實施。同時，相關部門應加強專業人才隊伍建設，讓具有較高水平專業知識的人員來監管全過程的關鍵節點，有效提升監管水平。在對既有幕墻的安全改造過程中，我們尚需結合我國綠色建筑發展的需要，大力研發既有幕墻的建筑節能和室內環境改造技術，全面提升我國既有幕墻的各項性能。