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[前言] 我國是玻璃幕墻建造大國和使用大國，現(xiàn)有大量玻璃幕墻在作為建筑外圍護結(jié)構(gòu)在使用。我國玻璃幕墻的設(shè)計、生產(chǎn)、安裝、檢測、維護都基本成熟，但每年仍有玻璃幕墻事故發(fā)生，危害人民群眾的財產(chǎn)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(shè)計入手，探尋開啟窗系統(tǒng)設(shè)計存在的問題和解決方法。
[關(guān)鍵詞] 開啟窗 防墜落 開啟窗設(shè)計
玻璃幕墻從上世紀(jì)80年代開始進(jìn)入我國，經(jīng)過了幾十年的發(fā)展，目前我國已經(jīng)是全球最大的玻璃幕墻生產(chǎn)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(chǎn)生的一系列安全問題提出質(zhì)疑。住房城鄉(xiāng)建設(shè)部、安全監(jiān)管總局于2015年3月4日聯(lián)合發(fā)布《住房城鄉(xiāng)建設(shè)部國家安全監(jiān)管總局關(guān)于進(jìn)一步加強玻璃幕墻安全防護工作的通知》{建標(biāo)〔2015〕38號}限制了玻璃幕墻的使用范圍，幕墻產(chǎn)業(yè)也是在不斷的改進(jìn)和升級中持續(xù)發(fā)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(zhuǎn)角位置、外挑裝飾構(gòu)件和開啟窗等部位。而大面積的固定玻璃幕墻出現(xiàn)問題的比較少。本文擬對玻璃幕墻的開啟窗從設(shè)計角度進(jìn)行分析，并希望通過設(shè)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(jìn)玻璃幕墻的創(chuàng)新和升級，促使幕墻行業(yè)向高質(zhì)量的發(fā)展邁進(jìn)。
一、 玻璃幕墻開啟窗的現(xiàn)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(fēng)、排煙都通過開啟窗實現(xiàn)。而且，幕墻開啟窗是幕墻體系中可以活動的機構(gòu)，對幕墻產(chǎn)品的加工，裝配要求更高。由于開啟窗體系的復(fù)雜性，在幕墻的空氣滲透（詞條“空氣滲透”由行業(yè)大百科提供）性能和雨水滲透性（詞條“滲透性”由行業(yè)大百科提供）能指標(biāo)值上，幕墻開啟窗的指標(biāo)會低于同等級別的固定幕墻。
幕墻系統(tǒng)作為建筑的圍護系統(tǒng)，在使用過程中幕墻開啟窗經(jīng)常需要啟閉，因此，出現(xiàn)問題也比較多。幕墻開啟窗出現(xiàn)的問題是多種多樣的。比如，漏風(fēng)、滲水，開啟關(guān)閉不順暢，甚至開啟窗的五金件失效。比較嚴(yán)重的情況是出現(xiàn)開啟窗配件脫落甚至整窗脫落。在極端天氣情況下，出現(xiàn)的問題尤其突出。
產(chǎn)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(fēng)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(yè)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(gòu)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(fēng)壓（詞條“風(fēng)壓”由行業(yè)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(shè)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(guān)閉狀態(tài)下考慮的。不僅缺少對開啟窗在開啟狀態(tài)下的受力分析，而且關(guān)閉狀態(tài)下的受力分析存在一定的缺陷。因此，開啟窗出現(xiàn)安全事故的幾率較大，在開啟狀態(tài)下出現(xiàn)的事故更多。
本文通過對外開上懸窗的開啟關(guān)閉狀態(tài)進(jìn)行初步的受力分析，可以看出，開啟窗的開啟狀態(tài)下是最薄弱的，進(jìn)而在設(shè)計中對開啟窗應(yīng)注意的問題進(jìn)行總結(jié)。
極端天氣下，玻璃幕墻成了空中的嚴(yán)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(nèi)開內(nèi)倒開啟窗、內(nèi)倒開啟窗、內(nèi)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(jié)構(gòu)膠粘接在開啟框型材上的，下端有承擔(dān)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(nèi)平開或者內(nèi)倒開啟窗對建筑外觀有影響，因此采用的工程不多，但內(nèi)開窗的安全性相對較好。
現(xiàn)針對幕墻工程中使用量最大的外開上懸窗為例進(jìn)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(gòu)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(zhuǎn)動、鎖閉、支撐等功能。通過密封膠條實現(xiàn)開啟窗關(guān)閉狀態(tài)的密封。外開上懸的開啟窗的基本節(jié)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(gòu)、鎖閉機構(gòu)、支撐機構(gòu)。通常情況下采用四連桿、金屬（詞條“金屬”由行業(yè)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(gòu)，多點鎖做為鎖閉機構(gòu)，窗撐為開啟窗開啟時的支撐機構(gòu)。
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(shè)計的現(xiàn)狀
幕墻在設(shè)計階段都會根據(jù)實際情況進(jìn)行詳細(xì)的幕墻結(jié)構(gòu)計算，國內(nèi)常用的幕墻設(shè)計軟件都能很方便的對幕墻系統(tǒng)進(jìn)行校核。但是，目前的常規(guī)幕墻計算軟件主要是針對幕墻主龍骨（詞條“主龍骨”由行業(yè)大百科提供）、連接件（詞條“連接件”由行業(yè)大百科提供）、結(jié)構(gòu)膠、預(yù)埋件等進(jìn)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(yīng)力和變形以及開啟窗玻璃的結(jié)構(gòu)膠受力情況，而并沒有對幕墻開啟窗的窗扇型材進(jìn)行校核。這就造成不論多大的開啟窗尺寸，不論在什么地區(qū)，不論使用的高度，都采用同一種規(guī)格的開啟窗框型材和窗扇型材。
幕墻設(shè)計人員通常是根據(jù)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(tǒng)中的型材和五金都沒有經(jīng)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(gòu)件，缺乏合理的計算數(shù)據(jù)。
四、幕墻開啟窗的受力分析
立面幕墻的主要荷載是風(fēng)荷載、重力荷載和地震荷載。在幕墻計算中，風(fēng)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(jié)構(gòu)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(fù)雜，分析其受力時應(yīng)注意以下內(nèi)容：
1 開啟窗面板（詞條“面板”由行業(yè)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(jìn)行計算。目前的設(shè)計文件中，通常都包括此項計算內(nèi)容。
2 開啟窗面板玻璃的結(jié)構(gòu)膠
開啟窗玻璃通常是通過結(jié)構(gòu)膠粘接，因此，需要對結(jié)構(gòu)膠進(jìn)行校核。目前的設(shè)計文件中，通常都包括此項計算內(nèi)容。
3 開啟窗的金屬托件
結(jié)構(gòu)膠承受長期荷載是非常不利的，因此，應(yīng)該避免結(jié)構(gòu)膠承受玻璃的重力。金屬托件應(yīng)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(yīng)分別考慮開啟窗的關(guān)閉狀態(tài)和開啟狀態(tài)。
開啟窗關(guān)閉時，開啟窗扇是通過合頁、滑撐、鎖點、執(zhí)手等五金件固定，因此，窗扇是根據(jù)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(guān)閉狀態(tài)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(yīng)根據(jù)五金件的形式確定其受力方式�？梢圆捎糜嬎丬浖M計算。主要考慮開啟狀態(tài)下的支撐條件。目前設(shè)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(jié)構(gòu)計算結(jié)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(zhì)量影響開啟窗扇整體的剛度。應(yīng)該盡量讓組角構(gòu)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(gòu)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(shè)置鎖止機構(gòu)，避免在使用過程中開啟扇脫鉤。否則會引起比較嚴(yán)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(jù)開啟窗的重量、開啟窗的尺寸選擇匹配的滑撐規(guī)格;合頁的選擇通常是根據(jù)開啟窗的重量和寬度尺寸進(jìn)行布置。
8五金件的固定螺釘與型材壁厚的關(guān)系
開啟窗的五金件通過螺釘固定，應(yīng)選擇機制螺釘，不應(yīng)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(shè)計中采用增加背襯的螺母（詞條“螺母”由行業(yè)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(fēng)撐的抗沖擊能力
開啟狀態(tài)下，瞬時風(fēng)壓的變化會對鉸鏈和風(fēng)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(guān)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(gòu)造，一旦出現(xiàn)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(guān)閉狀態(tài)下，應(yīng)保證鎖點盡量同時受力，以便均衡的分擔(dān)荷載。這對開啟窗的構(gòu)造是至關(guān)重要的。如果裝配精度差，鎖閉狀態(tài)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(tǒng)優(yōu)于單向的鎖系統(tǒng)。雙向傳動的鎖閉機構(gòu)會避免開啟窗扇在關(guān)閉時水平移位。
采用滑撐時，對側(cè)的滑撐固定位置應(yīng)該根據(jù)開啟窗的規(guī)格、尺寸，由設(shè)計人員確定，加工組裝是應(yīng)嚴(yán)格按照尺寸定位，并且確保兩側(cè)的定位偏差不能超過要求，否則在啟閉時會產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力，會嚴(yán)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(jìn)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(fēng)荷載、重力荷載和地震荷載。
開啟窗狀態(tài)：
開啟窗包括兩種狀態(tài)，分別是開啟狀態(tài)和關(guān)閉狀態(tài)。關(guān)閉狀態(tài)時體形系數(shù)按照幕墻墻角區(qū)考慮;開啟狀態(tài)由于角度的問題，按照突出物考慮，體形系數(shù)取2.0。
邊界條件：
窗扇型材組成矩形，型材角部按照剛性結(jié)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(jù)。
荷載取值：
以北京為例，按照北京市C類地區(qū)，50m標(biāo)高計算;
W01=1.1×1.81×0.45×1.6=1.44KN/m2(關(guān)閉狀態(tài)按墻角區(qū)體型系數(shù)計算)
W02=1.1×1.81×0.45×2.0=1.8KN/m2(開啟狀態(tài)按物體型系數(shù)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(biāo)準(zhǔn)值(關(guān)閉狀態(tài))q=0.4+1.44+0.5×0.32=2.0 KN/m2
荷載標(biāo)準(zhǔn)值(開啟狀態(tài))q=0.4+1.8+0.5×0.32=2.36 KN/m2
荷載設(shè)計值(關(guān)閉狀態(tài))q=1.3×0.4+1.5×1.44+1.3×0.5×0.32=2.89 KN/m2
荷載設(shè)計值(開啟狀態(tài))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(guī)格按照1200mm×1200mm，1000mm×1500mm，1500mm×1000mm三種尺寸計算。(圖08)
圖 08
根據(jù)開啟窗的基本節(jié)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(jù)以上條件，計算結(jié)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(jié)果;(圖10)
圖10
1000×1500開啟窗(合頁)撓度和強度計算結(jié)果;(圖11)
圖 11
1000×1500開啟窗(四連桿)撓度和強度計算結(jié)果：(圖12)
圖 12
1500×1000開啟窗(合頁)撓度和強度計算結(jié)果：(圖13)
圖 13
1500×1000開啟窗(四連桿)撓度和強度計算結(jié)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(fā)現(xiàn)開啟窗在開啟狀態(tài)下是十分薄弱的，而且，模擬的情況并沒有考慮風(fēng)荷載對連接件往復(fù)受力產(chǎn)生的疲勞破壞，因此，實際情況會更加復(fù)雜和更加不利。幕墻設(shè)計時，開啟窗的選擇應(yīng)注意很多因素。
1 從建筑設(shè)計上，應(yīng)該對開啟窗慎重選擇：
高層和超高層建筑建議采用內(nèi)開窗(圖15 )、通風(fēng)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(chǎn)生嚴(yán)重后果。
圖15
圖 16
圖17
高層和超高層建筑使用外開窗的，應(yīng)盡量控制開啟窗面積，可以參考中裝協(xié)或者地方標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的開啟窗面積限制規(guī)定。建議采取管控措施，避免外開窗在大風(fēng)情況下開啟。
2 增加對開啟窗的受力分析;
除了對開啟窗關(guān)閉狀態(tài)下的受力分析以外，還應(yīng)該對開啟窗的開啟狀態(tài)進(jìn)行分析，其能承受的風(fēng)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(fēng)情況下，應(yīng)關(guān)閉開啟窗。
對開啟窗扇型材進(jìn)行受力分析，主要是針對關(guān)閉狀態(tài)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(fēng)撐、四連桿、合頁等五金件進(jìn)行受力分析，根據(jù)關(guān)閉狀態(tài)下的開啟窗支點反力，對五金件的強度進(jìn)行校核。
對開啟窗五金件連接螺釘進(jìn)行受力分析，根據(jù)窗扇受力情況，選取五金件位置的反力，對連接螺釘進(jìn)行校核;
3 開啟窗的構(gòu)造上應(yīng)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(yīng)采用機制螺釘進(jìn)行連接，如果型材的壁厚不能達(dá)到連接螺釘?shù)墓Q直徑，應(yīng)增加螺母板;
開啟窗五金配件活動構(gòu)件的安裝位置應(yīng)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(dǎo)致受力不均而產(chǎn)生應(yīng)力的情況。
開啟窗的鎖點安裝應(yīng)有精度要求，開啟窗鎖閉后應(yīng)保證膠條的壓縮量合理，避免壓合過松影響氣密性能，也應(yīng)該避免壓合過緊對五金件產(chǎn)生很大應(yīng)力。
4 采用開啟狀態(tài)下受力更加合理的開啟窗五金體系。
5 利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、自動控制等手段，自動控制開啟窗狀態(tài)，避免大風(fēng)極端天氣下處于開啟狀態(tài)。
七、總結(jié)
幕墻開啟窗做為幕墻體系的重要構(gòu)件，在幕墻體系中是受力最復(fù)雜、活動最頻繁、使用者接觸最多的部位。因此，應(yīng)受到足夠的重視。以往設(shè)計中僅僅通過開啟窗的重量選擇五金件的思路是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實際工程需要的。特別是在臺風(fēng)地區(qū)和超高層建筑，更應(yīng)加強開啟窗的選擇和設(shè)計，避免安全事故的發(fā)生。
幕墻開啟窗的性能直接影響幕墻的使用，開啟窗從設(shè)計、加工、安裝都應(yīng)該嚴(yán)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(shè)計進(jìn)行初步的梳理，希望對幕墻中的開啟窗選型設(shè)計起到一定的作用。當(dāng)然，設(shè)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(xiàn)螺釘?shù)念l繁往復(fù)受力情況，實際情況要復(fù)雜的多。
行業(yè)協(xié)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(yè)走向幕墻強國的信心”，號召行業(yè)同仁不要因循守舊、滿足現(xiàn)狀，要積極進(jìn)取，努力拼搏，科學(xué)創(chuàng)新，發(fā)揚“工匠精神”，使中國幕墻由大國向強國挺進(jìn)。玻璃幕墻是建筑幕墻主要組成部分，需要進(jìn)一步發(fā)展和完善，質(zhì)量須從源頭抓起，設(shè)計是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，嚴(yán)控各種風(fēng)險、精益求精、安全至上，由數(shù)量發(fā)展過度到質(zhì)量發(fā)展的軌道上，安全上注重每一環(huán)節(jié)每一個細(xì)節(jié)，使行業(yè)能夠可持續(xù)健康發(fā)展。
參考文獻(xiàn)：
[1] 《建筑幕墻》 GB-T 21086
[2] 《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》 JGJ-102 2013
