玻璃幕墙工程技术规范理解与应用-第一章概论(18)(1)

玻璃幕墙工程技术规范理解与应用张芹编写第一章概论第一节规范修订的历史背景二十一世纪开始，我国幕墙行业进入到一个新发展阶段——从世界幕墙生产(使用)大国，向世界幕墙技术强国发展的新阶段。我国建筑幕墙工业从1978年开始起步，经过20多年发展，特别是90年代的高速发展，到二十一世纪初，我国已成世界第一幕墙生产大国和世界第一幕墙使用大国。2003年我国生产（使用）了约950万m2建筑幕墙（其中点式玻璃幕墙约80万m2），当年幕墙产量（使用量）占全世界1400万m2的2/3左右，到2003年底止我国共安装了约6000万m2建筑幕墙，占世界总量11000万m2的一半以上。现在国内幕墙生产企业已能为各种不同建筑，提供所需的各种类型幕墙，国内企业在国内市场中占有80~85%左右份额，境外公司（含港、澳、台公司）占有不到20%市场份额。随着北京申奥、上海申博成功，我国建筑幕墙会从目前平缓增长阶段进入新一轮增长，即从1999—2002年5~7%的年增长率，上升到二位数（11~15%）的年增长率。除了奥运（世博）场馆（展馆）及配套的生活设施有很大一部份要采用建筑幕墙外，申奥、申博成功将带动经济全面发展，申奥、申博成功不仅给北京、上海带来大发展机遇，而且会带动环渤海经济圈和长江三角洲经济圈的发展。这两个经济圈有30个以上城市也会相应进入发展新阶段，这些城市将兴建一大批高层建筑和公共建筑（展览中心、大剧院、旅店、商场），同时，珠江三角洲经济圈、开发大西北、振兴东北，一批城市将兴建高层建筑和公共建筑，而这些建筑都会大量使用建筑幕墙。上海已渡过公共（办公）建筑房地产发展的低谷，进入新一轮发展，上海在90年代兴建了一大批公共（办公）建筑，90年代后期开始放慢发展速度，由于这些高楼出售（租）不能在竣工后全部售（租）完，而有一定比例空置，到2003年上海高层建筑出售（租）率已超过80%，根据房地产发展规律，当出售（租）率达到80%时，就是新一轮发展的开始，因为建筑有一定周期，等到已建房产全部售（租）完后开始开工，就会衔接不上。这样预期建筑幕墙年增长率将逐步增长到15%左右，十五期间建筑幕墙用量预测如下表：表1-1万m2年份合计玻璃幕墙石材幕墙其它小计隐框点式2001750500350504021020028005503807060190200395065040080802202004105070040010010025020051150730450110120300根据建筑幕墙发展二十多年的历史经验，当建筑幕墙某一项技术得到突破，对某些品种幕墙将产生重大影响，甚至是关键性影响，例如硅酮结构胶技术的突破，使隐框玻璃幕墙突飞猛进发展，从1992—1997年，我国隐框玻璃幕墙年增长率平均达35%。世界建筑幕墙发展的历史告诉我们，新式幕墙都是由建筑师创意，幕墙工程师最终实现的，建筑师们要站在建筑幕墙发展潮流的前列，领导这个潮流健康发展。近年来，国内建筑师创意设计了许多新型幕墙，如北京植物园温室，深圳市民中心平行弦网采光顶，上海科技馆卵形大厅，由东南大学高民权教授创意的南京新街口地下商场锥形玻璃采光顶与张拉膜雨蓬组合，巧妙的将点支式玻璃结构与张拉膜组合创造了新的结构体系，令人耳目一新。世界上主要幕墙企业都在我国承包了工程，建成了若干有影响的工程，我国成了世界幕墙博览会。国外承包的工程，部份是以中外合作方式进行的，这样就为我们了解世界幕墙技术新发展，不出国门就能学习国外幕墙技术创造了条件。在建筑幕墙大发展的同时，相关产业如玻璃、硅酮密封胶、铝合金建筑型材等也同步发展，不仅在数量上满足了幕墙的需要（即建筑幕墙的大部份材料由国内生产、提供，仅小部份进口），而且这些行业的产品质量也与世界先进水平相近，有些甚至超过了世界先进水平，这就为建筑幕墙的发展提供了坚实基础。幕墙虽然是由国外开发传到我国的，由于我国生产和使用了如此大数量的幕墙，在生产、使用中积累了丰富的经验，在建造这些幕墙时进行了几千次物理性能试验和抗震试验，揭示了建筑幕墙的内在规律，如此巨大的市场使人们看出了中国发展幕墙技术的学术价值和市场价值，同时也因存在巨大的市场，从政府、学校到企业都筹集资金投入幕墙技术的开发和研究，并在开发研究中取得了丰硕的成果，在某些领域对世界幕墙技术发展作出了新贡献。在生产经验和科学实验的基础上，发扬我国已形成的产、学、研协同配合作战的传统，除了幕墙生产企业、专业试验机构（检测中心）对生产、试验进行总结外，全国很多科研院所、高校（含所属研究所）对建筑幕墙进行了多学科的研究，将上述生产经验、试验结果上升为科学理论，提出一大批研究报告，开发出一大批新技术、新检测方法、新工艺以及新理论和设计原理。同济大学结构学院颜德恒教授根据上海气象台的风速仪纪录分析结果，提出了阵风系数随不同粗糙度地区、不同高度变化的原理，并应用到上海市标准，现在GB50009也按这一原理规定了阵风系数。颜教授还和她的研究生马锦明、马彩霞在世界上率先进行隐框玻璃幕墙抗震性能振动台试验，华南建设学院西院抗震研究中心徐忠根博士、中国建筑科学院王明贵博士先后进行了石材幕墙抗震性能振动台试验，这些试验揭示了模拟地震试验中建筑幕墙反应机理，证明了只要构造设计合理，脆性材料面板幕墙也可具有良好的抗震性能，为大规模建造隐框玻璃幕墙和石材幕墙奠定了理论基础，并据此编出了世界上第一个国家标准《建筑幕墙抗震性能振动台试验方法》（GB/T18575）。中国建筑科学院赵西安教授提出的板材“沿四周边缘为简支边，中肋支承线为固定边”的原则，为正确划分板区格支承条件奠定了基础。郑金峰教授和中国建筑科学院林若慈高工根据光学原理研究成果编制的《玻璃幕墙光学性能》（GB/T18091），深入剖析了玻璃幕墙的光影响及相关光学性能指标和技术要求，澄清了关于光污染的种种非议，使玻璃幕墙健康发展。李子毅教授和厦门市建委甘南山高级工程师对玻璃幕墙在厦门市9914号台风中受损情况的全面调查、分析，使人们对玻璃幕墙安全、可靠性有了更明确的认识。上海金茂大厦建设过程中碰到风荷载的强度与其沿高度分布要比我国当时规范规定的小、型材壁厚小于当时规范要求的问题，这两个问题都由我国专家论证、试验顺利解决，这对于我国工程设计走出国门非常重要。清华大学李少甫教授领导的“建筑玻璃与金属结构研究所”在点支式幕墙的理论研究和计算机软件开发上做出了重大贡献（例如提出“对一个确定的结构，其预应力施加有一个可行的范围，即保证结构受力索的拉力小于其容许的最大拉力，平衡索的拉力仍大于零而不松驰”的原理，对拉索幕墙设计有重大指导作用）。我国已开发出多种建筑幕墙设计、计算软件，并在大部分幕墙企业推广使用，初步实现了建筑幕墙与采光顶设计、计算电脑化。我国在幕墙技术开发上有了新进展，在进一步阐明“雨幕原理”(在外壁消除渗漏三要素中的作用要素，达到水淋不到内壁，而使内壁消除渗漏三要素中水的要素，达到不渗漏或少渗漏)的基础上，开发出超高性能单元式幕墙（水密性≥2500Pa），新开发的具有三向转角微调功能、幕墙连接构件一侧固定定位、一侧活动并复位的单元式幕墙连接装置，使单元式幕墙在吊装、固定过程中能顺畅就位，避免了单元式幕墙在吊装过程中受损。在二十多年幕墙发展过程中，我国自行培养的一大批幕墙技术人才，这支人才队伍以博士、硕士为骨干，他们不仅成功的设计了很多大型工程幕墙，同时在幕墙试验和理论研究领域有许多重大成果，这支上千人的队伍分布在幕墙生产企业、专业试验机构（检测中心）、高等院校、科研院所，他们是我国幕墙技术的骨干力量。我国已建起了幕墙技术人才培养机制，自行编写了各种类型幕墙（隐框玻璃幕墙，金属与石材幕墙，单元式幕墙，点式幕墙等）系统教材，随着幕墙技术的发展，不断对幕墙技术人员进行培训和再教育，提高他们的技术素质，正因为有了这样的人才培训机制，极大的促进了幕墙行业的健康发展。我国建筑幕墙发展的成就和发展的需要，对规范进行提出了修订要求，也为修订规范准备了条件。第二节规范修订的主要内容：（1）规范的适用范围。JGJ102-2003规范规定规范适用于非抗震设计和抗震设防烈度为6、7、8度抗震设防地区的民用建筑玻璃幕墙的设计、制作、安装施工、验收及维修保养。规范适用范围未包含工业建筑玻璃幕墙，主要考虑到工业建筑范围很广，往往有不同于民用建筑的特殊要求，如可能存在腐蚀、辐射、高温、高湿、振动、爆炸等特殊条件，本规范难以全部涵盖。当然，一般用途的工业建筑，其玻璃幕墙的设计、制作等可参照本规范的有关规定；有特别要求的，应专门研究处理，采取相应的措施。设防烈度为9度的建筑物，尚无采用玻璃幕墙的可靠经验，并且9度时地震作用很大，主体结构的变形很大，甚至破坏可能比较严重，而目前玻璃幕墙的设计、制作、安装水平难以保证幕墙在9度抗震设防时达到规范第1.0.3条的要求，因此规范未将9度设防地区列入适用范围。对因特殊需要，不得不在9度抗震设防区使用的玻璃幕墙工程，应专门采取更有效的抗震措施。JGJ102-2003规范取消了玻璃幕墙适用高度的限制，同时增加了玻璃幕墙高度大于200m或体型、风荷载环境复杂时，宜进行风洞试验确定风荷载；原规范JGJ102--96的房屋高度适用范围是不超过150m，本次修订取消了规范的适用范围，主要原因是：A．编制规范96版本时，超过150m的玻璃幕墙工程不多，经验还比较少；1996--2002年间，国内超过150m的玻璃幕墙工程迅速增加，积累了丰富的工程经验，为本规范扩展其应用范围提供了技术依据和工程经验。另外，本规范扩大应用范围也跟主体结构适用的最大高度调整有关，行业标准《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3---2002中增加了B级高度高层建筑的有关规定，使房屋最大适用高度有较大提高，非抗震设计时最高已达300m。B．玻璃幕墙自身质量较轻，按目前的地震作用计算方法，其地震作用效应非常有限，且地震作用的大小与幕墙高度无直接关系。经验表明，玻璃幕墙的设计主要取决于风荷载作用，对于体形复杂的幕墙工程或房屋高度较高（比如超过200m）的幕墙工程应确保风荷载作用下的可靠性。规范第5.3.4条已有相关的规定和要求。C．在保证重力、风荷载、地震作用计算合理，并且幕墙构件的承载力和变形能符合规范有关要求的前提下，高度是否超过150m并不是主要的控制因素。D．国外相关标准一般也没有最大适用高度的限制。（2）根据新的《建筑结构荷载规范》和《建筑抗震设计规范》，修订了玻璃幕墙风荷载计算、地震作用计算、作用效应组合等内容；（3）取消了有关温度作用效应的计算的内容；A．幕墙玻璃热炸裂是由于玻璃不同部位的温度不均匀，玻璃暴露在阳光直射的部份吸收红外线和可见光转化为热量，温度升高，这一部分玻璃受热膨胀(升长)，而处于镶嵌槽或阴影下的那—-部分玻璃因受不到阳光的辐射，不能同步膨胀(升长)，内部热应力形成，受热多的区域对受热少的区域产生张应力，这种张应力超过玻璃的抗拉强度就会导致玻璃破裂。在玻璃边缘存在微小裂纹情况下更易引发热炸裂。JGJ96-102式5.4.4给出了了验算玻璃中部与边缘温差应力σt2的计算公式：σt2=0.74Eαμ1μ2μ3μ4(Tc-Ts)，但规范修订时取消了该公式（该公式引自JASS14-85，JASS14=96已取消该公式），这并不是不再要求考虑热裂应力，而是由于该公式本身不够成熟，按该公式计算的结果不能真实反映热裂应力的本质，会导致对热裂应力的误解，必须对热裂应力的发生和发展进行深入的研究，待成熟后再列出计算公式，在没有计算公式的情况下，要采取必要的构造措施来防止热炸裂。B．玻璃在温度变化影响下会热胀冷缩，玻璃的线胀系数为1×10-5，一块边长1500mm的玻璃，当温度升高800c时会伸长1.2mm。如果在安装玻璃时，玻璃与镶嵌槽底紧密接触，一旦伸长就会产生挤压应力，这种应力很大，σt=αEΔT。当ΔT=800C时，σt=1×10-5×0.72×105×80=57.6N／mm2，大于浮法玻璃强度标准值，因此在设计玻璃幕墙节点时，应使玻璃边缘与镶嵌槽底板间留有配合间隙，防止玻璃产生挤压应力。JGJ102-9