1、臺風對建筑門窗幕墻的破壞
臺風是我國沿海地區常年遭遇的自然災害之一，每年給我國造成的經濟損失和對生命的危害不可估量。隨著我國沿海地區超高層建筑的增多，近年來臺風對沿海地區建筑門窗幕墻，包括金屬屋面（詞條“金屬屋面”由行業大百科提供）的影響和破壞非常顯著，如2016年廈門百年不遇的“莫蘭蒂”、2017年打破珠海瞬時大風風速紀錄51.9米/秒(16級)的“飛鴿”和2018年在深圳登陸并襲擊廣東的“山竹”等均超過14級的強臺風，都給當地的建筑門窗（詞條“窗”由行業大百科提供）幕墻造成了嚴重的損壞和破壞，其中尤以大面積玻璃破損、開啟扇整體脫落、門窗整體垮塌和幕墻構件脫落較為常見。
圖1
1.1 玻璃破損
大面積玻璃破損，是強臺風給建筑門窗幕墻造成最為常見的破壞，有些甚至非常嚴重。圖1為香港海濱廣場在臺風“山竹”作用下，玻璃幕墻玻璃大面積嚴重破損的情況。圖2、圖3為2016年廈門部分門窗幕墻的玻璃破壞狀況。
圖2
圖3
1.2 開啟扇整體脫落
幕墻和門窗的開啟部位是幕墻和門窗抗風承載能力（詞條“承載能力”由行業大百科提供）較弱的部位，開啟扇在臺風期間由于鎖閉不嚴或抗風承載力不足導致開啟扇整體脫落下墜。圖4為墜落到地面的窗扇框架，圖5為窗扇脫落后的窗框和殘留的風撐，圖6為被風掀起即將墜落的窗扇。
圖4
圖5
1.3 門窗整體垮塌
門窗的整體垮塌雖然不為多見，但對于存在設計和安裝缺陷的門窗，在強臺風作用下，出現整體垮塌是不可避免和必然的。從圖7中可以明顯看出門窗設計存在的嚴重缺陷，整樘窗的立柱和橫梁（詞條“橫梁”由行業大百科提供）在風荷載受載最大的部位出現了十字連接。圖8和圖9在窗框與結構洞口的連接安裝上出現了連接不可靠的問題。
圖6
圖7
圖8
圖9
1.4 其它的破壞
強臺風除了對幕墻門窗的采光部位造成破壞外，對非透明部位幕墻、吊頂、雨棚和屋面等同樣造成多種嚴重的破壞。圖10為金屬板幕墻的面板脫落，圖11為金屬屋面被掀開。
圖10
圖11
2、應對臺風破壞的反思
在經歷了近幾年臺風的破壞后，人們對門窗幕墻的安全意識有了進一步的提高。對于臺風給我們造成的影響和破壞，建筑門窗幕墻在工程設計和施工方面存在的問題需要我們去認真面對和思考，并采取有效的方法去處理。
2.1 風荷載設計的選取
近幾年造成門窗幕墻嚴重破壞的強臺風基本都在14級以上，使得有部分人認為為確保建筑門窗幕墻在強臺風作用下的安全，在進行門窗幕墻的抗風設計時，應提高建筑門窗幕墻的抗風承載能力水平，對現行設計規范的風荷載取值是否可行存在疑惑。有的建設單位在門窗幕墻項目設計方案中，提出門窗幕墻的抗風設計要保證在任何臺風作用下均不能出現破壞的現象，有的為了照顧的安全和建設成本的最優化，甚至在同一項目的不同方位的墻面采用兩種風荷載取值的方法。
我們應該認識到，針對強臺風造成的破壞，除了有材料方面自身缺陷的因素外，如玻璃存在的離散性和風攜碎物撞擊等引起的破壞外，確實存在門窗幕墻自身抗風承載能力不足的可能性，如大面積玻璃非正常破損等現象。但這些承載能力不足的現象，并不完全是現行設計規范的風荷載取值存在問題而造成的，而應是在某種條件下產生的。按照現行《建筑設計荷載規范》GB50009-2012和《玻璃幕墻工程技術規范》JGJ102-2003的要求，建筑門窗幕墻作為圍護結構的風荷載標準值最低取值不應低于1KN/m2，此值實際上已高于氣象臺預報12級臺風(2min平均風速32.7m/s，GB/T19201-2006《熱帶氣旋等級》)約0.67KN/m2的風荷載值(忽略氣象臺預報與規范間的風速倍差，以下同)。對于沿海地區的建筑，如深圳的超高層建筑，按照現行規范50年一遇的基本風壓計算，其風荷載標準值(Wk)約為3.2KN/m2，用于強度和安全驗算的風荷載設計值(1.4Wk)約為4.5KN/m2，將其換算成風速約為71.7m/s,相比較深圳平安大廈頂層(約600m)在強臺風“山竹”登陸期間錄到的最大風速55m/s而言應該是安全的。由深圳氣象局提供的氣象資料表明，“2018年9月15-17日，受臺風“山竹”影響,深圳市陸地出現11-13級陣風，沿海和高地出現14-16級陣風，……。”。圖12為香港天文臺錄得的數據，2018年強臺風“山竹”期間香港的最大風速為170km/h(47.22m/s),略高于14級強臺風，而市區則為12級陣風，圖13中后側數據為陣風128km/h。
圖12
圖13
圖14
從上面的分析中，我們可以看到按照現行荷載規范的計算，在正常的條件下建筑門窗幕墻的安全應該不會有問題的，這從深圳和香港的建筑門窗幕墻在臺風“山竹”期間的大部分表現可以得到證實。但為什么正常的按照規范設計的建筑門窗幕墻在強臺風作用下還會出現不正常的破壞?如圖1所示的香港海濱廣場玻璃幕墻玻璃的大面積破壞。在此我們用香港海濱廣場玻璃幕墻的破壞作為例子來分分析和探求這種不正常破壞的原因。香港海濱廣場位于香港紅磡黃埔花園南側，臨海而立。海濱廣場為一建筑群，包括包括海濱廣場一座、2座、海逸酒店和后期新建的超高層住宅，圖14為其平面圖。從平面圖中可以看到，整個建筑的正面朝西偏北方向，與臺風風向大致相迎，同時建筑群正對著的兩條街道(德安街和德豐街)與建筑群的分割間隙和朝向基本一致，這無形中形成了一個極佳的狹窄風道和邊角效應，造成局部區域風速的急劇增加，從而對兩側和角部玻璃幕墻陡添了巨大的作用力，引致玻璃幕墻玻璃的大面積破壞。圖15中紅色線條為玻璃破壞的位置，圖16所示為海濱廣場一、二座之間的間隙僅為兩輛大巴車通道的寬度。從圖1中還可以看到，玻璃破壞集中在20層以下，20層以上的部位基本無損，特別是北側200m多高的海名軒，處群樓外基本無一玻璃破損，這主要得益于20層以上部位不存在狹窄風道現象。圖17為廣場的西南側，玻璃幕墻完好無損。這種大面積的非正常玻璃破壞除了在海濱廣場出現外，在香港港島灣仔的中環廣場也有同樣的問題，圖18為緊鄰中環廣場的玻璃破壞情況。
圖15
圖16
圖17
從香港海濱廣場這一典型例子可以看到，造成玻璃幕墻玻璃大量非正常破壞的關鍵因素之一應與存在于集密建筑群間或建筑自身結構間的狹窄間隙所引致的“穿堂風”效應相關，也包括建筑表面造型異常突變引致的風荷載變化。對于建筑群間形成的狹窄效應和建筑群體間風力相互干擾的效應，在GB50009-2012第8.3.2條已有相應的設計規定，但在現有建筑設計和幕墻設計中，卻較少獲得認真的關注和執行。隨著土地資源日益稀缺，建筑間密度的增大，這種狹窄效應和群體間風力相互干擾產生的破壞值得認真的反思。這包括城市建設規劃化管理部門、建設單位和建筑設計單位應在審批和發展新建項目的過程中，對新建項目的發展對已有建筑可能產生的影響，以及后于自身項目的未來新建項目對自身項目的影響給予切實評估。其次是標準規范制定單位對規范的要求如何進一步細化，例如當采用風洞試驗來確定風荷載，而試驗數據與規范計算數據相差較大時，如何處理兩者間的關系。再則建筑門窗幕墻設計和施工單位應嚴格按規范進行設計，當項目中存在狹窄效應等類似情況，應給予高度重視，在提高設計標準的同時，對涉及的部位盡可能通過實樣試驗對設計加以驗證。
圖18
圖19
圖20
2.2 門窗幕墻開啟扇設計
門窗幕墻開啟扇在臺風作用下產生整體脫落是極其危險的現象，并且成為近年來的多發事件。這種現象不僅在臺風期間出現，在平時由于天氣瞬間變化時也經常出現。這種現象的出現，除了開啟扇在臺風或天氣變化時沒有鎖閉到位外，與開啟扇自身的設計缺陷有關。在目前開啟扇的設計中，開啟扇與窗框之間的支承連接形式較多，常見的包括外開上旋滑撐或懸掛連接、外開滑撐平推連接、內外平開滑撐或鉸鏈連接等，其中外開上旋滑撐和懸掛連接開啟扇在幕墻的應用較多，而出現脫落問題最多的為上旋懸掛形式的開啟扇。上旋懸掛形式開啟扇的破壞形式除了最常見的掛鉤脫落和風撐拉脫外，開啟扇上部組角部位因連接不可靠，承載能力不夠(包括重量)產生窗扇下部整體拉脫并墜落已成為常見的現象，圖20為窗扇下部整體拉脫的狀況，左圖為墜落地上的窗扇，右圖為留在窗框上的窗扇上邊框和角碼。對于上旋懸掛形式的開啟扇，除了應設置有效的防止掛鉤脫落的裝置外，尚應強化組角件連接可靠性，完善組角件與窗扇框架間的連接強度。同時應強化窗扇與窗框間風撐的連接可靠性，防止風撐被拉脫而失效的現象。圖21為出現窗扇墜落的窗扇與窗框風撐的連接及風撐拉脫后的狀況，圖22為設計修改后的連接狀況，風撐與窗扇的連接采用螺栓穿透連接，風撐與窗框的連接螺釘直接固定到幕墻立柱上。
圖21
除了臺風的影響，從對近30年來具有建筑門窗幕墻的檢查發現，開啟部位始終是出問題最多的地方，包括嚴重滲漏，啟閉不暢，以及開啟扇墜落的嚴重安全事故。對于開啟扇的設計如何去應對這些問題，值得認真思考和采取對應的措施。隨著建筑美學的發展，建筑立面的大分隔板塊越來越多，造成了開啟扇板塊尺寸越來越大，板塊尺寸的增大，造成了重量的增加，現在的開啟扇重量在面積相同的條件下，可以是以前的3倍有多(3層玻璃)，同時也造成風承載面增大。所有這些因素給開啟扇的連接設計、連接構件的承載能力和質量提出了嚴酷的要求，有的甚至不可實現。對于開啟扇的面積，JGJ102-2003提出不宜大于1.5m2，但并沒有實際的封頂尺寸要求，造成現在的建筑設計存在盲目追求大開窗而不違規的現象，給建筑埋下了安全的隱患。根據具有建筑門窗幕墻的實際情況，應考慮將開啟扇面積限定在1.8m2以內，對于外平開窗則應該更小，不應超過1.0m2，且應控制其高寬比。在目前的標準規范中，尚未有對門窗幕墻開啟部位的完整設計和計算要求，應盡快的加以完善。為了防止臺風期間開啟部位鎖閉疏忽或瞬間天氣突變造成未鎖閉或處于開啟狀態的開啟 扇被風掀落，可考慮提高窗扇抗風掀的能力，并研發開啟扇的抗風掀試驗方法。同時可開發一些安全自鎖的裝置，確保開啟扇在強臺風期間或突發狀態下的安全。
圖22
圖23
圖24
2.3安全要點的設計和施工監管
建筑門窗幕墻最為重要的安全要點應為門窗幕墻與建筑結構的連接點，如果此節點出現松動、脫鉤和任何影響承載能力的缺陷，將導致門窗幕墻可能出現從建筑結構上整體坍塌和脫落的嚴重安全事故，特別是在強臺風影響期間，這種問題更為顯著。圖8、圖9為臺風期間窗戶整體從建筑洞口脫落和墜地，圖23為單元式幕墻板塊整體從掛鉤脫落后下墜。作為門窗幕墻安全要點的連接點出現問題，既有設計問題，也有施工過程存在的質量問題，此處僅討論與設計有關的試驗驗證和施工監管的問題。
門窗幕墻的實樣模型試驗驗證，最主要的目的是對設計效果的驗證。但在目前的試驗驗證中，門窗的試驗基本沒有能真實的反映出門窗與洞口的實際安裝連接狀況，幕墻的試驗驗證同樣存在不完整性。所以門窗幕墻的實樣模型試驗在與建筑結構連接點的驗證方面是不完全真實的，應該引起高度的重視。為彌補這一缺陷，我們應該強化門窗幕墻與建筑結構連接點在施工過程中的現場檢測和施工質量監管，在門窗幕墻的安全上筑起第一道安全的保障。特別是這些連接部位，在工程施工完畢后均處于隱蔽狀態，在門窗幕墻正常使用的日常檢查和維護維修過程中非常難于觀察到，一旦問題出現時，已有可能造成不可估量的重大損失和安全事故。目前，工程施工過程中包括門窗幕墻與結構安裝連接在內的隱蔽工程驗收大多基本流于形式，并沒有實施嚴格的監管，這可以從許多門窗幕墻工程的隱蔽工程驗收記錄表中反映出來。大部分的隱蔽工程記錄記載的僅有“驗收合格”等字眼，既沒有發現任何問題，也沒有處理問題的意見和結果，這是完全不可能的現象。最近，香港某一地鐵站施工中出現了鋼筋長度可能短缺的問題，整個建筑業界、法律界和政府都被牽涉進去。為了確保工程安全，他們制定了方案，不惜重金挖開已施工好的建筑結構，重新進行檢驗。這種為了建筑安全的嚴謹精神值得我們學習和仿效，嚴格的、到位的對門窗幕墻的安全要點進行現場檢測和施工安全管控。現在數字化和信息化已非常普遍和發達，我們應該在工程現場的管理中大量引入這些科學可行的手段，像門窗幕墻與建筑結構連接的重要節點，除了采用文字記錄外，應增加和保留圖片或視頻之類的影視檢查資料，如圖24所示的單元式板塊的插接狀況，使我們對工程施工質量和安全有更可靠、直觀和全面的了解和評判。
3 結語
通過對近幾年沿海各地強臺風對建筑門窗幕墻影響的有限分析可以看到，嚴格按照現行標準規范進行設計和施工監管的建筑門窗幕墻，在抵抗強臺風的作用具有足夠可靠的能力，絕大部分的建筑門窗幕墻整體結構穩定，性能良好。對于強臺風期間門窗幕墻，包括金屬屋面出現的一些破壞，我們應該加以科學的分析和面對。我們可以通過進一步的科學研究、試驗和探索，進一步的完善我們的標準規范體系，通過強化我們的工程現場管理水平，來不斷地提高建筑門窗幕墻抵抗強臺風和超強臺風的能力。
參考文獻
[1]林樹枝.高層建筑抗風設計的幾點思考.廈門：裝配式建筑研究中心，2018
[2] 《熱帶氣旋等級》GBT19201-2006
