幕墙玻璃破裂与坠落防治探讨

方明星，胡红霞，刘立鼎，徐亚男，崔 洋

(中国建筑第七工程局有限公司，河南 郑州 450000)

随着新科技、新技术在建筑工程中的逐步应用，使得我国的高层建筑有了更广阔的发展空间。幕墙，作为建筑的表皮，已逐渐成为展示城市繁荣的窗口。建筑幕墙的应用始于20世纪初，自1981年广州交会流花展馆建成我国的第一个玻璃幕墙起，玻璃幕墙开始逐步在我国的各大建筑中得到应用。

据估计，目前我国玻璃幕墙面积超过12亿m2，已成为世界第一的玻璃幕墙生产和使用大国。巨大的玻璃幕墙存量以及日趋老化的趋势，使得近年来钢化玻璃破裂并坠落伤人的事件频发，玻璃幕墙的安全问题开始备受人们的重视和关注。

然而，通常所见的玻璃幕墙安全问题，并不代表是由于玻璃幕墙而存在的问题。例如，钢化玻璃自爆的问题，它更多反映的是钢化玻璃自身存在的缺陷，并不能完全代表现有幕墙的安全问题。除此之外，低价中标，原材料采购质量问题，设计施工因素，随意压缩工期，对既有幕墙维护管理不当等原因，也是玻璃幕墙出现安全问题的潜在影响因素。

1 幕墙玻璃破裂与坠落的原因分析

1.1 硫化镍杂质导致幕墙玻璃破裂

建筑幕墙玻璃要求使用钢化玻璃。钢化玻璃是一种安全玻璃，具有质量轻、机械性能好的特点，但玻璃内部含有一种叫做硫化镍的杂质，会造成钢化玻璃的自爆。多年来，国内外研究表明，镍元素主要由原料石英砂或者砂岩带入，硫元素由燃料及辅料带入。在1400～1500 ℃ 高温熔窑中,镍和硫元素发生化学反应形成硫化镍。当温度超过 1000 ℃ 时，硫化镍以液滴形式随机分布于熔融状态下的玻璃液体中;当温度下降至 797 ℃ 时，液态硫化镍发生结晶并固化，形成高温态的α硫化镍晶相，即六方晶体;当温度继续降至 379 ℃ 时，进一步转变成为低温状态的β硫化镍，即三方晶系，同时体积膨胀2.38%[1]。此时，玻璃内部存在巨大的相变张应力，这是使玻璃出现自爆破裂现象的内在原因。

1.2 二次加工制作导致幕墙玻璃破裂

玻璃表面和边部在二次加工、运输、储存和施工过程中，会留下微裂纹、划痕、裂口、毛刺等缺陷，这些缺陷均会形成应力集中，导致钢化玻璃发生自爆破裂风险。在热应力和荷载的作用下，一旦达到或者接近玻璃损伤应力临界值时，裂纹快速扩张最终导致玻璃破裂。

1.3 热应力导致幕墙玻璃破裂

热应力是指加热或冷却时，材料不同部位出现温差，导致热胀或冷缩不均所产生的应力。幕墙玻璃中常见应力有暂时应力和永久应力两种。暂时应力是由于玻璃导热性较差而产生的，玻璃在应变点温度以下加热或冷却时，各部位将形成温度梯度，从而产生热应力。暂时应力与温差相关，温差越大，暂时应力也越大。当暂时应力值超过玻璃的破裂极限强度时，玻璃就会自爆破裂。永久应力即钢化应力，是由于玻璃局部温差产生的应力，它的大小取决于成品在应变点温度以上时的冷却速率、玻璃的黏度及玻璃的厚度等因素。幕墙玻璃因热应力自爆主要是由暂时应力造成的。

1.4 设计施工不当导致幕墙玻璃破裂

设计施工不当导致的玻璃破裂与坠落主要表现在以下几个方面：

1)玻璃与金属固定件之间的间距及接触面处理不当。玻璃幕墙规范对嵌入尺寸、空隙空间和接触面处理都有明确的要求。要确保玻璃在温度变化和其他因素影响下具有自由伸缩的空间，避免硬性接触，一旦出现阻碍玻璃自由伸缩的因素，玻璃就会有破裂风险[2]。同时，玻璃的槽口两侧和底部不能用硬性的材料填塞，这些材料的体积变化会对玻璃产生挤压使得玻璃破裂。建筑幕墙玻璃的安装有严格的技术要求，在安装的过程中必须遵循《玻璃幕墙工程技术规范》。在此规范中，对幕墙玻璃的承托构件的长度、厚度等都有明确规定，要求每块玻璃必须在下端设置两个长度大于 100 mm、厚度大于 2 mm 的铝合金或者不锈钢的托条，用来承受玻璃的重荷载，玻璃与托条接触面必须要使用压膜成型的氯丁橡胶垫块隔开，避免硬性接触。

2)因龙骨安装尺寸控制不当、玻璃加工误差等原因造成玻璃与龙骨或固定框贴合不够。玻璃在平面外力作用下会产生翘曲，当固定件阻碍玻璃的翘曲变化时，造成局部应力过大，从而使玻璃发生破裂。

3)对于玻璃幕墙的层间，通常做法是在玻璃后衬铝单板。在设计时，若后衬板和玻璃的距离太少且两者中间的空气层没有留通气孔，在太阳的直射下，中间的空气层温度急剧升高，由此造成的玻璃温度过高和气体的膨胀使得玻璃炸裂。

4)玻璃的厚度、类型和平面尺寸设计不合理，无法承受所受风荷载，导致玻璃窗框整体坠落或者玻璃破裂。

5)沉降缝和变形缝处的幕墙结构设计不合理，因主体变形而导致玻璃破裂[3]。

6)随着建筑幕墙应用的推广，幕墙生产企业大量出现，实力良莠不济。市场竞争不规范，施工监管不到位，导致材料和施工质量不符合标准规范和设计要求，这是当前玻璃幕墙坠落和破裂最根本的原因。

幕墙玻璃破裂与坠落的原因不仅仅是单因素，通常是由多个因素综合造成的。玻璃夹渣、气泡等自身缺陷导致的破裂只能控制降低，不可避免，危害相对较小。而设计不合理，二次加工制作处理不当，运输和施工监管不到位等是幕墙玻璃发生破裂与坠落的重要原因。太阳辐射、风荷载、地震荷载等外加荷载也是幕墙玻璃坠落和破裂的直接诱因。

2 幕墙玻璃破裂与坠落的防治对策2.1 钢化玻璃二次热处理

钢化玻璃二次热处理，即玻璃钢化后，工厂出厂前对其进行二次的热浸处理。通过钢化玻璃回炉，经过升温到恒温再到冷却的一系列步骤，促使钢化玻璃内部的不稳定晶态的硫化镍发生引爆或者转化和消除。经过这样的处理，可以把钢化玻璃自爆率控制在0.1%以内。二次热处理玻璃所需保温时间长，规范未进行强制要求，所以很多工程因为赶工期或考虑成本而放弃这个降低玻璃自爆率的再加工过程。为玻璃幕墙安装后，埋下安全隐患。

2.2 加工制作缺陷的预防措施

玻璃边缘拉应力最大，加工缺陷也最严重，改善玻璃边缘的加工质量是降低玻璃破裂的关键。首先在玻璃加工过程中要做好玻璃的防护，避免划伤，玻璃边缘进行细磨倒角处理，倒角面要平整，倒角大小、砂轮转速等要符合规范的规定[4]。其次玻璃运输过程中要注意做好玻璃的包装，进行软隔离，异形玻璃对尖角部位要着重保护。二次加工制作导致的缺陷主要是人为原因，所以加强对工人的培训，规范加工工艺及程序，能够有效减少由于玻璃加工缺陷而产生的玻璃自爆。

2.3 对设计施工过程的质量加强管理

1)严格新建幕墙设计方案审查。为确保幕墙安全可靠，应加强对幕墙设计的管理，建立健全新建建筑幕墙设计方案审查制度，将建筑幕墙可能存在的安全风险消除在方案设计阶段，以提升既有幕墙的安全性和可靠性。另外，现在的建筑设计在建筑外观的设计上，如新颖复杂的立面造型、超大面板板块的设计、新型建筑材料的出现等设计，很多都突破了现行设计规范和规定，给建筑幕墙在设计上提出了新的挑战，我国现行的《玻璃幕墙工程技术规范》，已难以适应日益增加的安全要求。依据现行设计规范，按照不同区域的条件制定和实施更严格的地方性标准规范，并以此对建筑幕墙的设计方案进行审查，合理的总体布置安排减小温度梯度，减小玻璃分格尺寸，合理的玻璃固定构造，采用夹胶玻璃等措施将大大地降低新建建筑幕墙的安全风险。

2)施工过程中加强质量管理。幕墙玻璃安装工艺和施工程序控制不到位是幕墙玻璃破裂与坠落的重要原因之一。所以，要规避幕墙玻璃破裂坠落风险就要对其安装过程中的质量进行控制，对各项工序进行细致的检查和监管。幕墙施工企业要对操作人员进行培训与考核，保证其专业技术水平。

3)健全现有幕墙检查机制和研发现场检测新技术。现有幕墙的安全检查和鉴定工作，不同于一般的幕墙性能检测，既有幕墙的检查需要有较高专业水平和经验的建筑幕墙从业人员，包括长期从事幕墙设计、施工和管理，且能全面掌握和熟悉幕墙规范和检测方法的高级专业人员来担任，并按照检查程序和检查内容逐项对既有幕墙进行现场检查和工程档案的核对。根据检查结果，若有必要可提出进一步的幕墙性能检测要求，包括检测项目、检测方案和检测方法等。严格执行既有幕墙的日常安全检查，通过专项的检测，依据检测结果判定既有幕墙是否存在风险，并出具可靠性鉴定报告和相应的维修或改造方案。由于既有幕墙的安全检查基本都在现场进行，特别是对于隐蔽工程和结构密封胶的现场检查，目前尚无较好的检测方法。为适应既有幕墙检测的特点，我们必须进一步研究和开发出一些新的检测技术，如现场无损检测技术，既能发现既有幕墙存在的问题，又能保持既有幕墙的完整。

3 结语

为改善既有幕墙陆续发生破裂和坠落的现状，提高我国既有幕墙的安全，应从强化安全监管入手，建立规范化和法制化的建筑幕墙市场秩序和意识，严格落实既有幕墙安全管理责任人制度和安全检查制度。特别是加强建筑幕墙设计、采购、施工和运营全过程的质量控制和安全管理，尽快地完成既有幕墙相关标准规范的制定和实施。同时，相关部门应加强专业人才队伍建设，让具有较高水平专业知识的人员来监管全过程的关键节点，有效提升监管水平。在对既有幕墙的安全改造过程中，我们尚需结合我国绿色建筑发展的需要，大力研发既有幕墙的建筑节能和室内环境改造技术，全面提升我国既有幕墙的各项性能。