浅谈针对某单位科研试验楼幕墙玻璃破损机理及防范措施

浅谈针对某单位科研试验楼幕墙玻璃破损机理及防范措施

【摘 要】论文针对北京某科研单位试验楼幕墙玻璃破损问题进行探讨,通过对近几年幕墙玻璃破损情况的统计及有效的破损机理分析和改进实践,经过了两年的试用、观察,有效地降低了幕墙玻璃破损现象的发生概率,避免了建筑物幕墙玻璃破损后带来的安全性问题。论文的研究对降低未来建筑物使用玻璃幕墙作为外墙装饰可能引起的安全隐患具有推广和借鉴意义。

【Abstract】This paper discusses the damage problem of curtain wall glass of the scientific research experimental building of a unit in Beijing. Through the statistics of the damage situation of the curtain wall glass in recent years and the effective analysis of the damage mechanism and improvement practice, after two years of trial and observation, it effectively reduces the occurrence probability of the damage phenomenon of curtain wall glass, and avoids the safety problems caused by the damage of building curtain wall glass. The research in this paper has the promotion and reference significance to reduce the potential safety risks caused by the use of glass curtain wall as exterior wall decoration of buildings in the future.

【关键词】幕墙玻璃;机理分析;防范措施

【Keywords】curtain wall glass; mechanism analysis; preventive measures

【中图分类号】TU228 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069(2020)08-0194-03

1 玻璃幕墙概述

玻璃幕墙是大楼建筑的常见材料。自从我国改革开放以来,20多年的时间里玻璃幕墙建筑呈现出大规模、高速发展的态势。玻璃幕墙是由金属框架构建,由使用特殊方法处理的玻璃制品安装在金属框架上拼接而成。北京某科研单位试验楼建筑就是采用玻璃幕墙作为建筑的外观形式。

该单位科研试验楼外立面为玻璃幕墙结构,由钢化玻璃组装而成。全楼总共2954块玻璃,其中,东侧玻璃268块,南侧玻璃1171块,西侧玻璃268块,北侧玻璃1352块。该试验楼的玻璃幕墙属于全隐框幕墙,通过硅酮结构密封胶将6(Low-E)+12A+6的中空Low-E钢化玻璃与铝合金框架粘结在一起,幕墙所受载荷主要是由密封胶承受。

2 幕墙玻璃破损的统计情况

该试验楼于2014年底正式投入使用,在近年来的使用过程中,每年都会发生幕墙玻璃破损的情况。截至2020年上半年,幕墙玻璃总共破损了101块,其中,2015年破损11块(东侧破损1块,南侧破损6块,西侧破损1块,北側破损3块),2016年破损18块(东侧破损2块,南侧破损10块,西侧破损2块,北侧破损4块),2017年破损23块(东侧破损2块,南侧破损15块,西侧破损2块,北侧破损4块),2018年破损27块(东侧破损2块,南侧破损11块,北侧破损13块,试验楼与旁侧副楼之间的连廊东侧玻璃破损1块)。2019年破损19块(东侧破损2块,南侧破损13块,北侧破损4块),2020年上半年破损3块(南侧破损3块),各年份幕墙玻璃破损情况统计见图1。

破损的玻璃分布较为分散,各楼层、各方位均有玻璃破损的情况发生。按照楼层及方位划分统计的情况见图2和图3。

通过图2可以看出,各层均有幕墙玻璃破损的情况发生,六层至八层玻璃破损较多,尤其是八层最为突出。根据各层发生玻璃破损的趋势可以看出,除五层外,基本上楼层越高破损的块数越多。

通过图3可以看出,楼南侧和北侧玻璃破损的数量较多,这与南北两侧幕墙玻璃的数量较多有关。按照破损比例计算,东侧为3.7%,南侧为5%,西侧为1.9%,北侧为2%,全楼的破损率达到了3.4%。

3 幕墙玻璃破损的原因分析

据查阅相关资料及标准,钢化玻璃也称安全玻璃,该试验楼的幕墙玻璃就是由物理钢化方法制作完成。此方法由普通玻璃先切割成指定尺寸,经加热炉加热至接近软化温度(700℃),保温一段时间后迅速冷却而得到。这种生产工艺使得玻璃外表面产生压应力,内层产生张应力,因而具有较好的机械强度,表现为抗冲击强度和抗弯强度均为普通玻璃的3~5倍,但边角处的硬度较差。同时,其还具有良好的热稳定性,并且在破碎时碎片成蜂窝状钝角小颗粒,不易伤人。不过钢化玻璃还有一个不可避免的特性,即自爆现象,由于受到国内生产加工水平的限制,国家规定允许的钢化玻璃的批次自爆率不能超过3‰。 该科研单位试验楼由于其功能用途的特殊性,同时,其地理位置位于市政地铁通道的斜上方,受外界环境因素影响,地基沉降引起建筑物幕墙金属框架变形,试验过程中产生的机械振动、高低温试验与室内外环境温度产生的反差、地铁通行时产生的振动等因素,对试验楼建筑幕墙玻璃破损都会带来不同程度的影响。

经过上述近几年幕墙玻璃破损的统计情况,幕墙玻璃破损率(3.4%)已经远远超出了国家规定允许的批次自爆率(3‰)。幕墙玻璃的破损不仅仅是因自爆而发生,其原因也是多方面的,为了有效进行玻璃幕墙破损的机理分析,以该试验楼幕墙钢化玻璃碎裂为顶事件进行故障分析,见表1。

3.1 铝合金框架结构变形(X1)

因为中空钢化玻璃是通过硅酮结构密封胶与铝合金框架粘结在一起,在楼宇发生沉降时,铝合金框架发生的变形会间接引起钢化玻璃扭曲变形,进而破坏了钢化玻璃内部应力的平衡,引起破损。此情况为玻璃破损因素之一。

3.2 环境振动(X2)

试验楼厂房开展大功率试验系统发动机驱动的试验项目和道路模拟试验系统试验过程中均有振动产生,其地理位置位于地铁的斜上方,地铁经过时也会产生一定的振动。振动通过地面经铝合金框架作用于钢化玻璃上,经过长期振动作用,钢化玻璃产生疲劳碎裂。此情况为玻璃破损因素之一。

3.3 温度变化(X3)

时值夏季,由于天气较热,办公区域均开启空调,楼内外温差较大。同时,楼内开展高低温试验时,楼内温度与外界环境温度也会产生较大的温差。这就会致使玻璃沿厚度方向产生不均匀、不对称温度梯度,应力增大而趋向自爆,甚至有些会在激冷时产生“风爆”。此情况为玻璃破损因素之一。

3.4 压差变化(X4)

长时间处于密闭状态的房间,在外界温差影响及外力影响的情况下,会导致房间内外存在压力差,进而影响钢化玻璃内外应力分布,形成自爆。通过破损情况,可以排除因素X4。

3.5 玻璃内部有结石、杂质(X5)

结石、杂质存在于玻璃中,与玻璃体有着不同的膨胀系数,钢化处理后结石周围裂纹区域的应力集中会成倍地增加。当结石膨胀系数小于玻璃,结石周围的切向应力处于受拉状态,因结石而存在的裂纹扩展极易发生,特别是处在张应力区更易导致炸裂伴随。此情况为玻璃破损因素之一。

3.6 玻璃中含有硫化镍结晶物(X6)

硫化镍在幕墙行业被称为“玻璃幕墙的癌症”,硫化镍呈小水晶状,一般不会破损,但加热会改变硫化镍的相态,高温下的α态体积较小,常温或低温的β态体积较大,在玻璃原片制作过程中有可能引入硫化镍,温度变化引起的硫化镍体积变化会导致玻璃内部局部应力集中,最终形成自爆。

因硫化镍结晶物相变而自爆的钢化玻璃在爆裂点处会形成蝴蝶状裂痕,且通过角度变化观察爆裂点处会有黑色颗粒存在。此情况为玻璃破损因素之一。

3.7 边部加工缺陷(X7)

由于钢化玻璃的生产工艺流程为切片、预处理、印刷、钢化、包装,在切片和预处理过程中有可能对钢化玻璃边角形成刮痕或损伤,从而导致钢化后的玻璃应力分布不均衡而引起自爆。此情况为玻璃破损因素之一。

3.8 内应力过大(X8)

在钢化玻璃的钢化过程中,玻璃的内应力大小取决于钢化过程中对加热冷却的时间和速度的控制,加热过快,玻璃内外温差太大,玻璃表面已软化,中心层还处于固化状态应力未消除,出炉后玻璃会因中心层张应力过大而碎裂。由于该因素是在加工过程就可能会导致碎裂,且经过近几年的应用,未发生批次性大量玻璃碎裂问题,因此,可以排除因素X8。

3.9 锐器重击(X9)

钢化玻璃虽然具有较强的抗冲击强度(170MPa),但当锐器重击的力量超过该强度时,钢化玻璃将会以重击点成不规则放射性碎裂,且碎片会布满整块玻璃。可以排除因素X9。

3.10 运输过程边角磕碰(X10)

在运输过程中,由于包装、放置、搬运方式不当,都有可能对钢化玻璃边角造成磕碰、划伤,导致应力分布不均衡而碎裂。可以排除因素X10。

3.11 安装间隙控制不当(X11)

在中空钢化玻璃安装过程中,通过硅酮结构密封胶将其与铝合金框架粘结在一起,若玻璃间的间隙控制不当,在使用过程中环境因素、自然因素影响下,有可能导致玻璃挤压变形,引起应力分布不均衡而碎裂。根据钢化玻璃碎裂状态描述,均为单片玻璃碎裂,若由间隙控制不当应该是内外层均会碎裂,因此,可以排除故障因素X11。

综合以上的分析可以看出,针对该试验楼幕墙玻璃破损的因素主要有:铝合金框架结构变形;环境振动;温度变化;玻璃内部有结石、杂质;玻璃中含有硫化镍结晶物;边部加工缺陷以及安装间隙控制不当这7种。多种因素致使该试验楼出现了幕墙玻璃破损情况。

4 幕墙玻璃破损的防范措施

针对该试验楼已经建设完成的实际情况,通过以上幕墙玻璃破损的机理分析,规范后续维修更换安装施工的具体细则,是降低幕墙玻璃破损率以及解决此类问题最好的方式。具体措施如下。

4.1 加强幕墙玻璃制造加工时的工艺管控

玻璃在生产制作过程中会出现结石、杂质,甚至是硫化镍结晶物,这些物质在玻璃内残留非常容易造成钢化玻璃的自爆。玻璃在加工切割时产生的微小裂口也可能造成玻璃的破裂。综合以上原因,对于玻璃生产制造过程中工艺的管控尤为重要。该科研单位对幕墙玻璃的制造全过程加强了监督管控,从材料的制作方面減少玻璃自爆现象的发生。

4.2 降低建筑物外环境的影响

对于大功率试验系统发动机驱动试验和道路模拟系统试验的试验地基进行了条件改善,对于高低温环境试验也进行了改造,将高低温试验整体改造成固定的封闭空间。通过对试验环境的改造,降低试验振动以及高低温环境对楼宇幕墙玻璃带来的影响。

4.3 加强对建筑物地基沉降的监测

市政地铁已经开通一年多的时间,该试验楼建筑也已投入使用五年多的时间,通过近两年时间的监测,建筑物沉降现象已微乎其微,对建筑物的整体影响非常小。

4.4 加强室内外温度变化的适应能力

加强对建筑物室内外温度变化的适应能力,尽可能地将室内外温差控制在10℃以内,减小幕墙玻璃因温度的骤变而产生破裂的情况。

4.5 规范幕墙玻璃维修更换施工步骤

2018年初,该单位组织维修更换幕墙玻璃的厂家进行了施工实施方案的讨论,制定了相应的维修更换施工方案,严格把控更换过程中的每一处细节。截至目前,更换过的玻璃未再次发生破损的情况,有效地降低幕墙玻璃破损的概率。

5 结语

从2018年开始针对北京某科研单位试验楼幕墙玻璃破损情况实施一系列改善措施以来,均未发现有再次破损的情况发生。截至2020年7月底,幕墙玻璃只破损了3块,防范措施的实施取得了很好的效果。所有防范措施的实施针对的维修范围只是此试验楼的维修,但也是经历了摸索和实践,在逐步完善过程中使之得到有效实施。防范措施的实施不仅能够改善建筑物的使用环境,同时,还强化了维修过程中的施工步骤,使之程序化、规范化,降低维修更换后幕墙玻璃的破损率,减少因幕墙玻璃破损带来的安全隐患。

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