用政策法规推动玻璃幕墙安全性的提升

来源:2020论文集 查看原文  时间:2020-11-6

本篇文章内容由[中国幕墙网]编辑部整理发布:

  一、 玻璃幕墙安全性不确定

  近年来,各地玻璃幕墙不断出现安全问题,已经引起全社会的普遍关注。玻璃幕墙的安全问题主要表现在钢化玻璃自爆和开启扇脱落。本文主要论述钢化玻璃自爆问题。

  钢化玻璃自爆原本应为罕见现象,现如今在我国已经发展成为普遍现象,几乎没有不发生钢化玻璃自爆的玻璃幕墙。这主要有两方面原因,其一是钢化玻璃自身品质较差;其二是玻璃幕墙多为高层、超高层建筑,荷载较大,有些甚至为异形,这也加剧了钢化玻璃自爆。

  钢化玻璃自爆具有突然性,且不可预测,因此也就无法事先采取预防措施。现如今钢化玻璃面积较大,因此厚度也较大,原本作为钢化玻璃自爆后变成分散细小颗粒的特性也不会完全实现,即钢化玻璃自爆后往往出现裂而不碎的大碎片,俗称“钢化玻璃被”,这种“钢化玻璃被”发生高空坠落危害性非常大。钢化玻璃自爆的不可避免和不可预测使得玻璃幕墙的应用没有安全边界,即钢化玻璃符合国家相关标准要求,玻璃幕墙设计、安装符合国家相关标准规定,钢化玻璃还会自爆,甚至发生安全事故。人们不知道如何做才能保证玻璃幕墙的安全,而这一切都源于钢化玻璃自爆。因此与其说玻璃幕墙的安全性莫不如说是幕墙玻璃的安全性更为确切。

  二、 钢化玻璃自爆的工程表象

  严格意义上说,钢化玻璃只有在无荷载作用下发生的自发性炸裂才称为钢化玻璃的自爆。实际工程中,对于没有外力冲击、正常使用条件下、具有典型自爆裂纹的钢化玻璃破裂也归结为钢化玻璃自爆。但两者却有本质的差异。钢化玻璃自爆的原因是硫化镍粒子的膨胀。玻璃中含有硫化镍夹杂物,硫化镍夹杂物一般以结晶体(NiS)存在,室温下存在着 相向 相转变的热力学倾向,并伴有2—3%的体积膨胀。硫化镍粒子存在于平板玻璃中,因而才存在于半钢化玻璃和钢化玻璃中。但平板玻璃和半钢化玻璃没有自爆现象,只有钢化玻璃才有自爆,原因是仅有硫化镍粒子由 相向 相转变的热力学倾向是不够的,必须具备一定的动力学条件才能实现这种相变,进而造成玻璃的自爆。平板玻璃是退火玻璃,其内部无应力。半钢化玻璃和钢化玻璃经淬火后其内部具有应力,属于预应力材料。半钢化玻璃和钢化玻璃内部应力状态见图1。

  图1 半钢化玻璃和钢化玻璃内部应力

  由图1可见,半钢化玻璃和钢化玻璃内部应力分布趋势是一致的,都是外表面处于压应力,内部处于张应力,两者的区别是钢化玻璃表面压应力和内部张应力比半钢化玻璃的表面压应力和内部张应力都大。只有玻璃中的硫化镍粒子位于足够大的张应力区,硫化镍粒子才具备相变的动力学条件,因为硫化镍粒子相变伴随体积膨胀,足够大的张应力为硫化镍粒子体积膨胀提供了动力学条件,这就是平板玻璃和半钢化玻璃不发生自爆,钢化玻璃自爆的原因。玻璃中的硫化镍粒子是随机分布的,如果玻璃中的硫化镍粒子位于钢化玻璃最大张应力部位,该粒子就可能成为钢化玻璃自爆的起爆点。由硫化镍粒子造成的钢化玻璃自爆其爆裂点裂纹形状往往与蝴蝶相似,被称为蝴蝶形裂纹,有些在爆裂点中部有一个有色颗粒,被认为是硫化镍粒子,这两个特性往往被用来作为钢化玻璃是否是自爆的判据。硫化镍粒子在钢化玻璃自爆前后的体积是不同的,爆裂前体积小,不易被看见;自爆后其体积增大,地点确定,很容易被看见,这也是钢化玻璃自爆不易预见的原因之一。钢化玻璃自爆裂纹见图2。

  图2 钢化玻璃自爆裂纹

  硫化镍粒子造成的钢化玻璃自爆具有主动性、自发性、无外因,是真正意义上的自爆。

  硫化镍粒子造成钢化玻璃自爆需要两个条件:其一硫化镍粒子所处位置的张应力大小;其二硫化镍粒子的尺寸。硫化镍粒子尺寸越大,它需要的张应力越小,即对应不同的张应力,硫化镍粒子存在临界尺寸,钢化玻璃中张应力越大,硫化镍粒子的临界尺寸越小,产生自爆硫化镍粒子越多,钢化玻璃自爆的概率越大。

  此外,风荷载、温差作用、装配应力等会改变钢化玻璃内部的应力分布,见图3。

  图3 钢化玻璃在荷载作用下的应力

  由图3可见,在荷载作用下,原本处于不具备自爆条件的硫化镍粒子可能变为具备自爆条件而自爆,这就是工程上钢化玻璃安装后,特别是采光顶钢化玻璃自爆的主要原因。

  平板玻璃中除含有硫化镍粒子外,还含有结石、气泡和杂质。玻璃是典型的脆性材料,其力学行为服从断裂力学。玻璃中的结石、气泡和杂质在玻璃中将会形成裂纹,是钢化玻璃的薄弱点,特别是裂纹尖端是应力集中处。如果结石、气泡或杂质处在钢化玻璃的张应力区,或在荷载作用下使其处于张应力,都可能导致钢化玻璃炸裂。但这是钢化玻璃低强度破坏,不是钢化玻璃自爆,这两者有本质区别,钢化玻璃低强度破坏必须有外荷载作用,而钢化玻璃自爆是可以没有任何荷载作用而发生破坏。

  没有国家标准规范钢化玻璃自爆率,但行业里普遍接受的说法是钢化玻璃自爆率一般为3—5‰,这一说法源于玻璃中硫化镍粒子存在率为3—5‰。并不是所以硫化镍粒子都能引发钢化玻璃自爆,因此3—5‰应为钢化玻璃自爆概率,既然是概率就不一定发生,可能一片都不爆,因此钢化玻璃自爆应为罕见现象。但如果把3—5‰认定为钢化玻璃自爆率,即发生率,那钢化玻璃的危害性就太大了。例如玻璃幕墙采用10000片钢化玻璃,将有30—50片自爆,大的玻璃幕墙工程通常采用在100000片以上钢化玻璃,将有300—500片自爆,试想这个工程还能运营吗?

  三、 解决方案

  降低钢化玻璃自爆率已到了刻不容缓的时候,根本的措施就是提高平板玻璃品质,然而提高平板玻璃品质不是短时间内能够做到的。为提高玻璃幕墙的安全性,保证玻璃幕墙工程安全运营,至少应做到避免钢化玻璃碎片高空坠落。采用外片为夹层玻璃的中空玻璃即可避免发生钢化玻璃自爆碎片高空坠落问题,夹层玻璃可以认定为是防坠落玻璃,只要设计、安装和使用符合标准规范要求,其安全性是有保证的,该玻璃幕墙据有明确的安全边界。

  现阶段国家和地方以行政法规的形式规范幕墙玻璃的应用是简捷、快速、有效的方式。2015年住房城乡建设部和国家安全监管总局联合发布《关于进一步加强玻璃幕墙安全防护工作的通知》(建标〔2015〕38号),其中第四条规定:

  玻璃幕墙宜采用夹层玻璃、均质钢化玻璃或超白玻璃。采用钢化玻璃应符合国家现行标准《建筑门窗幕墙用钢化玻璃》JG/T455的规定。夹层玻璃是推荐使用产品之一。

  2012年2月1日起施行《上海市建筑玻璃幕墙管理办法》,其中第六条(幕墙玻璃的采用要求)规定:

  有下列情形之一,需要在二层以上安装幕墙玻璃的,应当采用安全夹层玻璃或者其他具有防坠落性能的玻璃:

  (一)商业中心、交通枢纽、公共文化体育设施等人员密集、流动性大的区域内的建筑;

  (二)临街建筑;

  (三)因幕墙玻璃坠落容易造成人身伤害、财产损坏的其他情形。推荐使用夹层玻璃。

  2013年4月1日起施行《厦门市建筑外立面装饰装修管理规定》,其中第二十条规定:

  商业中心、交通枢纽、医院、学校、文化体育场馆等人员密集场所的建筑以及临街建筑,需要在二层以上采用玻璃幕墙的,应当使用安全玻璃,并采取防坠落措施。防坠落安全玻璃即为夹层玻璃。

  浙江省住房和城乡建设厅2013年4月1日发布施行《建筑幕墙安全技术要求》,其中3.7条规定,玻璃幕墙的玻璃选用应当符合下列安全要求:

  (1)建筑幕墙外片玻璃应当采用安全夹层玻璃、超白钢化玻璃或者均质钢化玻璃及其制品。其中,商业中心、交通枢纽、公共文化体育设施等人员密集、流动性大的区域内的建筑,临街建筑和因幕墙玻璃坠落容易造成人身伤害、财产损坏的其他情形的建筑,二层以上部位外片玻璃应当采用安全夹层玻璃或者其他具有防坠落性能的玻璃。推荐使用夹层玻璃。

  深圳市住房和建设局发布深建物业〔2016〕43号文《关于加强建筑幕墙安全管理的通知》,其中第四条规定:

  玻璃幕墙的面板,除夹层玻璃外应选用均质钢化玻璃及其制品;人员密集、流动性大的重要公共建筑,且可能造成人身伤害、财产损失的幕墙玻璃面板,倾斜或倒挂的幕墙玻璃必须采用夹层玻璃。

  2017年7月1日起施行《广州市建筑玻璃幕墙管理办法》,其中第七条规定:

  在下列建筑的二层以及以上部位设置玻璃幕墙的,应当采用具有防坠落性能的玻璃,并在幕墙下方周边区域合理设置绿化带、裙房等缓冲区域或者采用挑檐、顶棚等防护设施:

  (一)商业中心、交通枢纽、公共文化体育设施、广场等人员密集、流动性大的区域内的建筑。

  (二)临街建筑。

  (三)下方有出入口、人员通道的建筑。防坠落安全玻璃即为夹层玻璃。

  四、结束语

  目前我国是建筑玻璃生产大国,产量过剩,价格低廉,一些地区技术经济发达,现阶段在我国部分地区外片采用夹层玻璃,配以国家和地方行政法规是提高玻璃幕墙安全性行之有效的方法,应大力提倡。

  作者单位:天津北玻玻璃工业技术有限公司、北京中新方建筑科技研究中心


  作者:高琦 李春超 刘忠伟
来源:2020论文集
 
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