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[前言] 我國是玻璃幕墻建造大國和使用大國，現有大量玻璃幕墻在作為建筑外圍護結構在使用。我國玻璃幕墻的設計、生產、安裝、檢測、維護都基本成熟，但每年仍有玻璃幕墻事故發生，危害人民群眾的財產和人身安全，其中，開啟窗的墜落事故比例較高。本文擬從開啟窗的設計入手，探尋開啟窗系統設計存在的問題和解決方法。
[關鍵詞] 開啟窗 防墜落 開啟窗設計
玻璃幕墻從上世紀80年代開始進入我國，經過了幾十年的發展，目前我國已經是全球最大的玻璃幕墻生產國和消費國。人們在感受玻璃幕墻帶來的輕盈、通透的感受時，也對玻璃幕墻產生的一系列安全問題提出質疑。住房城鄉建設部、安全監管總局于2015年3月4日聯合發布《住房城鄉建設部國家安全監管總局關于進一步加強玻璃幕墻安全防護工作的通知》{建標〔2015〕38號}限制了玻璃幕墻的使用范圍，幕墻產業也是在不斷的改進和升級中持續發展。
從目前對完工的玻璃幕墻工程項目檢查情況看，玻璃幕墻的問題主要集中在幕墻的頂部、底部、邊部、收口轉角位置、外挑裝飾構件和開啟窗等部位。而大面積的固定玻璃幕墻出現問題的比較少。本文擬對玻璃幕墻的開啟窗從設計角度進行分析，并希望通過設計的前期控制，盡量避免和減少玻璃幕墻開啟窗的安全隱患，促進玻璃幕墻的創新和升級，促使幕墻行業向高質量的發展邁進。
一、 玻璃幕墻開啟窗的現狀
玻璃幕墻的開啟窗是幕墻體系中重要的組成部分，幕墻體系的通風、排煙都通過開啟窗實現。而且，幕墻開啟窗是幕墻體系中可以活動的機構，對幕墻產品的加工，裝配要求更高。由于開啟窗體系的復雜性，在幕墻的空氣滲透（詞條“空氣滲透”由行業大百科提供）性能和雨水滲透性（詞條“滲透性”由行業大百科提供）能指標值上，幕墻開啟窗的指標會低于同等級別的固定幕墻。
幕墻系統作為建筑的圍護系統，在使用過程中幕墻開啟窗經常需要啟閉，因此，出現問題也比較多。幕墻開啟窗出現的問題是多種多樣的。比如，漏風、滲水，開啟關閉不順暢，甚至開啟窗的五金件失效。比較嚴重的情況是出現開啟窗配件脫落甚至整窗脫落。在極端天氣情況下，出現的問題尤其突出。
產生問題的原因是多種多樣的，比如，開啟窗膠條的選擇會影響開啟窗的密封性能;開啟窗合頁或者四連桿及風撐等五金配件的選擇會影響開啟窗的啟閉是否順暢;開啟窗的鎖具（詞條“鎖具”由行業大百科提供）會影響開啟窗是否啟閉方便。而開啟窗的型材是開啟窗的支撐構件，型材的選擇決定了開啟窗的抗變形性能、強度性能。從而影響開啟窗的密封性能、抗風壓（詞條“風壓”由行業大百科提供）性能和使用安全性能。開啟型材與五金的合理搭配，也會很大程度影響開啟窗的性能。
目前從設計階段看，開啟窗作為幕墻體系中重要的活動部分，其強度計算是按照關閉狀態下考慮的。不僅缺少對開啟窗在開啟狀態下的受力分析，而且關閉狀態下的受力分析存在一定的缺陷。因此，開啟窗出現安全事故的幾率較大，在開啟狀態下出現的事故更多。
本文通過對外開上懸窗的開啟關閉狀態進行初步的受力分析，可以看出，開啟窗的開啟狀態下是最薄弱的，進而在設計中對開啟窗應注意的問題進行總結。
極端天氣下，玻璃幕墻成了空中的嚴重危險源。(圖01)
圖 01
圖2開啟窗滑撐破壞
二、 幕墻開啟窗的種類和基本配置
幕墻開啟窗種類較多，從開啟的形式上可以分成外平推開啟窗、內開內倒開啟窗、內倒開啟窗、內平開開啟窗、外開上懸開啟窗等。不同的開啟窗的性能差異比較大，大部分幕墻的外開窗玻璃是通過結構膠粘接在開啟框型材上的，下端有承擔玻璃自重的托板。
目前，大部分幕墻工程的開啟窗采用外開上懸的方式。內平開或者內倒開啟窗對建筑外觀有影響，因此采用的工程不多，但內開窗的安全性相對較好。
現針對幕墻工程中使用量最大的外開上懸窗為例進行分析，其它開啟方式可以此做為參考。外開上懸窗的基本構造是利用鋁合金型材組成開啟窗框和開啟窗扇，通過專用的五金件解決轉動、鎖閉、支撐等功能。通過密封膠條實現開啟窗關閉狀態的密封。外開上懸的開啟窗的基本節點如圖03;開啟的基本剖面如圖04。
圖 03
圖 04
外開上懸的開啟窗的五金件一般包括開啟機構、鎖閉機構、支撐機構。通常情況下采用四連桿、金屬（詞條“金屬”由行業大百科提供）合頁或者型材擠壓的掛鉤做為開啟窗的懸掛和開啟機構，多點鎖做為鎖閉機構，窗撐為開啟窗開啟時的支撐機構。
1 合頁、多點鎖、窗撐 配置圖如圖05：
圖05
2 四連桿(鉸鏈)、多點鎖、窗撐配置圖如圖06：
圖 06
三、 幕墻開啟窗設計的現狀
幕墻在設計階段都會根據實際情況進行詳細的幕墻結構計算，國內常用的幕墻設計軟件都能很方便的對幕墻系統進行校核。但是，目前的常規幕墻計算軟件主要是針對幕墻主龍骨（詞條“主龍骨”由行業大百科提供）、連接件（詞條“連接件”由行業大百科提供）、結構膠、預埋件等進行驗算，而幕墻開啟窗的計算存在不足。大部分只是校核了開啟扇玻璃的應力和變形以及開啟窗玻璃的結構膠受力情況，而并沒有對幕墻開啟窗的窗扇型材進行校核。這就造成不論多大的開啟窗尺寸，不論在什么地區，不論使用的高度，都采用同一種規格的開啟窗框型材和窗扇型材。
幕墻設計人員通常是根據開啟窗的尺寸和寬高比例選擇幕墻開啟窗的五金件。這樣，幕墻開啟窗系統中的型材和五金都沒有經過比較量化的具體受力分析，開啟窗型材做為開啟窗的主要支撐構件，缺乏合理的計算數據。
四、幕墻開啟窗的受力分析
立面幕墻的主要荷載是風荷載、重力荷載和地震荷載。在幕墻計算中，風荷載通常情況下是控制荷載。幕墻開啟窗面材將荷載通過結構膠傳遞到鋁合金窗扇型材上，窗扇型材通過五金將荷載傳遞到開啟窗框上和幕墻主龍骨上。
幕墻開啟窗的組件比較多，受力比較復雜，分析其受力時應注意以下內容：
1 開啟窗面板（詞條“面板”由行業大百科提供）玻璃(或其它材料)
開啟窗玻璃通常情況為四邊支撐板，可通過軟件進行計算。目前的設計文件中，通常都包括此項計算內容。
2 開啟窗面板玻璃的結構膠
開啟窗玻璃通常是通過結構膠粘接，因此，需要對結構膠進行校核。目前的設計文件中，通常都包括此項計算內容。
3 開啟窗的金屬托件
結構膠承受長期荷載是非常不利的，因此，應該避免結構膠承受玻璃的重力。金屬托件應能承受玻璃的重量。
4開啟窗窗扇
開啟窗的窗扇是通過型材組裝形成，主要是承受自身荷載和玻璃傳遞的荷載，由于開啟窗窗扇有兩種工況，應分別考慮開啟窗的關閉狀態和開啟狀態。
開啟窗關閉時，開啟窗扇是通過合頁、滑撐、鎖點、執手等五金件固定，因此，窗扇是根據五金件的形式確定其受力方式，可以采用SAP等軟件模擬計算，主要考慮關閉狀態下開啟窗扇型材的受力。
開啟窗開啟時，開啟窗扇是通過滑撐、合頁、窗撐等五金件固定，因此，窗扇應根據五金件的形式確定其受力方式。可以采用計算軟件模擬計算。主要考慮開啟狀態下的支撐條件。目前設計過程中，這方面的研究較少。
5 五金件和連接螺釘
開啟窗在受力時，其支點是五金件的受力，可以通過結構計算結果，核對支撐點安全性。
6開啟扇組角
開啟窗的組角形式主要包括型材組角件組角、螺釘連接、銷釘固定。型材的組角質量影響開啟窗扇整體的剛度。應該盡量讓組角構造形成剛接，可以共同作用，抵抗變形。不能讓玻璃成為抗平面變形的主體。
7開啟窗合頁或掛鉤承載能力
如果開啟窗采用型材掛鉤的形式，則需要考慮掛鉤式構造的強度。采用開啟扇掛鉤型材的體系需要十分注意掛鉤型材之間的配合，并且設置鎖止機構，避免在使用過程中開啟扇脫鉤。否則會引起比較嚴重的后果。
如果開啟窗采用合頁或者滑撐，主要校核合頁和滑撐的承載能力，其中滑撐通常是根據開啟窗的重量、開啟窗的尺寸選擇匹配的滑撐規格;合頁的選擇通常是根據開啟窗的重量和寬度尺寸進行布置。
8五金件的固定螺釘與型材壁厚的關系
開啟窗的五金件通過螺釘固定，應選擇機制螺釘，不應選擇自攻螺釘。開啟窗型材的壁厚通常為2mm，螺釘固定時母材壁厚比較薄會影響連接強度。很多工程設計中采用增加背襯的螺母（詞條“螺母”由行業大百科提供）板或者不銹鋼鉚螺母的方式提高連接的可靠性。鉚螺母見圖7示意：
圖7 鉚螺母
9開啟扇鉸鏈和風撐的抗沖擊能力
開啟狀態下，瞬時風壓的變化會對鉸鏈和風撐形成沖擊力。這種瞬間荷載對連接點的沖擊比較大。而且，由于開啟窗支撐五金件的力臂關系，荷載在傳遞到支撐五金時，會存在放大的可能。尤其是掛鉤型材的開啟窗構造，一旦出現掛鉤脫離形成局部受力，其荷載會成倍增加。
10開啟扇五金件的裝配精度
開啟窗在關閉狀態下，應保證鎖點盡量同時受力，以便均衡的分擔荷載。這對開啟窗的構造是至關重要的。如果裝配精度差，鎖閉狀態下，僅有個別鎖點受力，則加大了局部鎖點的受力，很容易造成破壞。
開啟窗的多點鎖傳動時，雙向傳動的鎖系統優于單向的鎖系統。雙向傳動的鎖閉機構會避免開啟窗扇在關閉時水平移位。
采用滑撐時，對側的滑撐固定位置應該根據開啟窗的規格、尺寸，由設計人員確定，加工組裝是應嚴格按照尺寸定位，并且確保兩側的定位偏差不能超過要求，否則在啟閉時會產生內部應力，會嚴重影響其使用壽命。
11 開啟窗型材的加工和組裝精度
開啟窗型材的加工和組裝精度影響開啟窗的使用。如果開啟窗扇和窗框之間的間隙控制不好，會影響五金件的安裝效果，進而影響開啟窗的使用壽命。
五、外開上懸開啟窗扇料的強度計算舉例
案例受力計算的基本條件
荷載情況：
開啟窗的荷載主要包括風荷載、重力荷載和地震荷載。
開啟窗狀態：
開啟窗包括兩種狀態，分別是開啟狀態和關閉狀態。關閉狀態時體形系數按照幕墻墻角區考慮;開啟狀態由于角度的問題，按照突出物考慮，體形系數取2.0。
邊界條件：
窗扇型材組成矩形，型材角部按照剛性結合考慮;
以合頁的中心為支點，四連桿上固定的螺釘為支點;計算中支點的反力是校核五金件強度和連接螺釘強度的依據。
荷載取值：
以北京為例，按照北京市C類地區，50m標高計算;
W01=1.1×1.81×0.45×1.6=1.44KN/m2(關閉狀態按墻角區體型系數計算)
W02=1.1×1.81×0.45×2.0=1.8KN/m2(開啟狀態按物體型系數2.0計算)
玻璃采用6mm+12A+6mm中空鋼化玻璃，玻璃的自重荷載為0.31 KN/m2
開啟窗型材和玻璃的重力荷載取0.4 KN/m2
地震荷載qe=5×0.16×0.4=0.32KN/m2
荷載標準值(關閉狀態)q=0.4+1.44+0.5×0.32=2.0 KN/m2
荷載標準值(開啟狀態)q=0.4+1.8+0.5×0.32=2.36 KN/m2
荷載設計值(關閉狀態)q=1.3×0.4+1.5×1.44+1.3×0.5×0.32=2.89 KN/m2
荷載設計值(開啟狀態)q=1.3×0.4+1.5×1.8+1.3×0.5×0.32=3.43 KN/m2
開啟窗窗扇的規格按照1200mm×1200mm，1000mm×1500mm，1500mm×1000mm三種尺寸計算。(圖08)
圖 08
根據開啟窗的基本節點，開啟扇型材的截面特性如下：
型材X軸主慣性距: 17.742cm4
X軸的慣性距: 15.017cm4
型材Y軸主慣性距: 5.532cm4
Y軸的慣性距: 8.256cm4
型材X軸上抗彎距: 4.459cm3
X軸下抗彎距: 6.727cm3
型材Y軸左抗彎距: 2.342cm3
Y軸右抗彎距: 4.652cm3
型材X軸的面積矩: 3.439cm3
型材Y軸的面積矩: 2.225cm3
型材面積: 3.986cm2
根據以上條件，計算結果如下：
1200×1200開啟窗(合頁)撓度和強度計算(圖09);
圖09
1200×1200開啟窗(四連桿)撓度和強度計算結果;(圖10)
圖10
1000×1500開啟窗(合頁)撓度和強度計算結果;(圖11)
圖 11
1000×1500開啟窗(四連桿)撓度和強度計算結果：(圖12)
圖 12
1500×1000開啟窗(合頁)撓度和強度計算結果：(圖13)
圖 13
1500×1000開啟窗(四連桿)撓度和強度計算結果：(圖14)
圖14
六、 選擇開啟窗的注意因素
通過上面的計算，我們發現開啟窗在開啟狀態下是十分薄弱的，而且，模擬的情況并沒有考慮風荷載對連接件往復受力產生的疲勞破壞，因此，實際情況會更加復雜和更加不利。幕墻設計時，開啟窗的選擇應注意很多因素。
1 從建筑設計上，應該對開啟窗慎重選擇：
高層和超高層建筑建議采用內開窗(圖15 )、通風器(圖16)、有外遮擋層的開啟窗(圖16)，這樣能有效避免開啟窗損壞產生嚴重后果。
圖15
圖 16
圖17
高層和超高層建筑使用外開窗的，應盡量控制開啟窗面積，可以參考中裝協或者地方標準規定的開啟窗面積限制規定。建議采取管控措施，避免外開窗在大風情況下開啟。
2 增加對開啟窗的受力分析;
除了對開啟窗關閉狀態下的受力分析以外，還應該對開啟窗的開啟狀態進行分析，其能承受的風壓值可以作為幕墻開啟窗使用時的要求加以明確。即，在幾級風情況下，應關閉開啟窗。
對開啟窗扇型材進行受力分析，主要是針對關閉狀態下，窗扇型材在五金件的支撐條件下的受力分析，可以有效合理的選擇開啟扇型材。
對開啟窗鎖點、風撐、四連桿、合頁等五金件進行受力分析，根據關閉狀態下的開啟窗支點反力，對五金件的強度進行校核。
對開啟窗五金件連接螺釘進行受力分析，根據窗扇受力情況，選取五金件位置的反力，對連接螺釘進行校核;
3 開啟窗的構造上應注意以下問題：
開啟窗五金件和型材之間的固定十分重要，應采用機制螺釘進行連接，如果型材的壁厚不能達到連接螺釘的公稱直徑，應增加螺母板;
開啟窗五金配件活動構件的安裝位置應有精度要求，避免因為四連桿、窗撐的安裝位置偏差造成開啟窗啟閉時導致受力不均而產生應力的情況。
開啟窗的鎖點安裝應有精度要求，開啟窗鎖閉后應保證膠條的壓縮量合理，避免壓合過松影響氣密性能，也應該避免壓合過緊對五金件產生很大應力。
4 采用開啟狀態下受力更加合理的開啟窗五金體系。
5 利用互聯網技術、自動控制等手段，自動控制開啟窗狀態，避免大風極端天氣下處于開啟狀態。
七、總結
幕墻開啟窗做為幕墻體系的重要構件，在幕墻體系中是受力最復雜、活動最頻繁、使用者接觸最多的部位。因此，應受到足夠的重視。以往設計中僅僅通過開啟窗的重量選擇五金件的思路是遠遠不能滿足實際工程需要的。特別是在臺風地區和超高層建筑，更應加強開啟窗的選擇和設計，避免安全事故的發生。
幕墻開啟窗的性能直接影響幕墻的使用，開啟窗從設計、加工、安裝都應該嚴格地控制，使用中的檢查和維護也十分重要。本文對開啟窗的設計進行初步的梳理，希望對幕墻中的開啟窗選型設計起到一定的作用。當然，設計過程中有些是簡化性的，比如，玻璃的剛度并未參與到開啟窗的受力;連接螺釘僅僅計算抗剪并不能夠真正體現螺釘的頻繁往復受力情況，實際情況要復雜的多。
行業協會在歷年的工作報告中曾指出：“矢志不渝、努力拼搏，堅定樹立中國建造幕墻行業走向幕墻強國的信心”，號召行業同仁不要因循守舊、滿足現狀，要積極進取，努力拼搏，科學創新，發揚“工匠精神”，使中國幕墻由大國向強國挺進。玻璃幕墻是建筑幕墻主要組成部分，需要進一步發展和完善，質量須從源頭抓起，設計是關鍵環節，嚴控各種風險、精益求精、安全至上，由數量發展過度到質量發展的軌道上，安全上注重每一環節每一個細節，使行業能夠可持續健康發展。
參考文獻：
[1] 《建筑幕墻》 GB-T 21086
[2] 《玻璃幕墻工程技術規范》 JGJ-102 2013
