2016年臺(tái)風(fēng)“海馬”來(lái)襲前，幾個(gè)同事受命在廠區(qū)進(jìn)行防臺(tái)風(fēng)前的安全檢查。當(dāng)查到辦公樓幕墻開(kāi)啟窗的鎖閉情況時(shí)，發(fā)現(xiàn)有好幾個(gè)窗扇出了問(wèn)題，不僅鎖閉不了，甚至有個(gè)窗扇都不能正常閉合。一使勁，居然搞壞了一側(cè)的不銹鋼撐擋!
也是這次臺(tái)風(fēng)，造成深圳市某大廈多個(gè)開(kāi)啟窗扇出現(xiàn)損壞脫落。由于該項(xiàng)目位于鬧市區(qū)，所以一時(shí)造成了很壞的社會(huì)影響。事后經(jīng)多方聯(lián)合調(diào)查，發(fā)現(xiàn)開(kāi)啟扇損壞脫落的主要原因是因?yàn)殚_(kāi)啟扇尺寸太大，施工單位雖然依據(jù)所計(jì)算的風(fēng)荷載和自重選用了對(duì)應(yīng)的窗用五金件，但因?yàn)槎喾N原因造成其承載能力并不能滿足實(shí)際要求。最后這個(gè)項(xiàng)目付出了很大代價(jià)，專門(mén)委托五金廠家研發(fā)訂制了一批加強(qiáng)型的專用配件，并進(jìn)行全部更換才算較為徹底地解決了問(wèn)題。
再往前兩年，深圳某個(gè)超高層建筑掉了個(gè)幕墻開(kāi)啟扇，找我們?nèi)ピ\斷評(píng)估。結(jié)果發(fā)現(xiàn)掛鉤式開(kāi)啟扇兩側(cè)定位撐擋不同步情況相當(dāng)普遍，甚至有的已經(jīng)損壞。對(duì)此，施工單位一臉無(wú)辜，把責(zé)任完全推給不懂得操作的使用者。
這幾個(gè)案例對(duì)于幕墻行業(yè)的從業(yè)者來(lái)說(shuō)都不算是很特別，算是比較常見(jiàn)的情況。要說(shuō)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，應(yīng)該是非常深刻;應(yīng)對(duì)辦法、解決措施也已是相當(dāng)成熟。但為什么幕墻開(kāi)啟扇總是一而再、再而三地出問(wèn)題呢?
1、從深圳的“43號(hào)文”談起
2016年深圳住建局下發(fā)了《關(guān)于加強(qiáng)建筑幕墻安全管理的通知》(簡(jiǎn)稱43號(hào)文)，據(jù)說(shuō)是受到了幾起社會(huì)影響力較大的幕墻安全事故影響而緊急出臺(tái)的。這個(gè)文件在建設(shè)部38號(hào)文的基礎(chǔ)上又增加了更嚴(yán)格的措施，貫徹執(zhí)行非常堅(jiān)決。
上海市的地方標(biāo)準(zhǔn)則更進(jìn)一步，已經(jīng)具體到將幕墻開(kāi)啟扇尺寸限制在1.8平米以內(nèi)。即將發(fā)布的新版幕墻規(guī)范也對(duì)幕墻開(kāi)啟扇的面積做出了限制。2016年底，中裝協(xié)下發(fā)了一份文件中也有具體的規(guī)定：開(kāi)啟扇尺寸不宜大于1.5平米，嚴(yán)禁大于2平米。
作為一個(gè)幕墻人，對(duì)政府及行業(yè)主管單位加強(qiáng)幕墻安全管理的態(tài)度無(wú)疑是支持的，但對(duì)某些的具體內(nèi)容感覺(jué)還需要斟酌：比如限定幕墻開(kāi)啟窗的面積，似乎是行之有效的好方法。但對(duì)于建筑設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)，恐怕就難以接受了。
舉例來(lái)說(shuō)：目前常規(guī)玻璃幕墻的橫向分格模數(shù)大體在1.3~1.5米之間，如果限定2平米的開(kāi)啟扇面積，窗的豎向分格高度就不能超過(guò)1.5~1.3米。按照這個(gè)計(jì)算結(jié)果，大多數(shù)幕墻都做不到開(kāi)啟玻璃與相鄰固定（詞條“固定”由行業(yè)大百科提供）玻璃一樣大的外觀效果，這對(duì)建筑師來(lái)說(shuō)，絕對(duì)不是一個(gè)滿意的結(jié)果。
深圳的43號(hào)文和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的出臺(tái)，其實(shí)都反映出整個(gè)社會(huì)對(duì)幕墻安全性問(wèn)題的一種焦慮心態(tài)。這迫使我們開(kāi)始對(duì)之前司空見(jiàn)慣的問(wèn)題引起足夠的重視：同樣一種設(shè)計(jì)方法，固定部分不出問(wèn)題，但開(kāi)啟部分出問(wèn)題。這說(shuō)明現(xiàn)有的開(kāi)啟部分設(shè)計(jì)方式存在缺陷：要么是考慮的內(nèi)容不全面，要么是給定的安全系數(shù)實(shí)際不足。所以需要從設(shè)計(jì)理論或設(shè)計(jì)規(guī)程上想辦法，至少這是一種積極的態(tài)度。
2、開(kāi)啟窗是特殊的幕墻部件
為什么說(shuō)幕墻開(kāi)啟窗的設(shè)計(jì)不能套用現(xiàn)有的幕墻設(shè)計(jì)要求呢?是因?yàn)殚_(kāi)啟窗是一種特殊的幕墻部件：在幕墻系統(tǒng)中，只有它是活動(dòng)部件，而其他的都是靜止構(gòu)件�；顒�(dòng)部件至少包括了兩種靜止工作狀態(tài)和一種運(yùn)動(dòng)工作狀態(tài)，同時(shí)開(kāi)啟窗還涵蓋了最多數(shù)量的功能需求和最復(fù)雜的人機(jī)關(guān)系需求，這是其特殊的根本原因。
2.1、開(kāi)啟窗的靜止?fàn)顟B(tài)
開(kāi)啟窗在開(kāi)啟和閉合工作狀態(tài)下的時(shí)候，承載情況及工作需求的差異是比較大的，理論上來(lái)說(shuō)應(yīng)當(dāng)分別對(duì)待。但查過(guò)很多資料，發(fā)現(xiàn)對(duì)幕墻窗的開(kāi)啟狀態(tài)進(jìn)行分析內(nèi)容幾乎是空白：
首先，首先是開(kāi)啟狀態(tài)下窗體的力學(xué)模型發(fā)生改變(鎖點(diǎn)失效)，在負(fù)風(fēng)壓組合的工況中，甚至連五金配件（詞條“五金配件”由行業(yè)大百科提供）的承載狀態(tài)都與其設(shè)計(jì)承載狀態(tài)有很大的不同。以滑撐連接固定的窗扇為例，其在打開(kāi)狀態(tài)下滑撐僅相當(dāng)一個(gè)滑動(dòng)鉸接的支點(diǎn)。當(dāng)窗扇開(kāi)啟到最大限位角度時(shí)，滑撐與撐擋共同作用，形成了帶有懸伸段的四點(diǎn)支撐板的力學(xué)模型。
與我們常識(shí)相反的是，在這種新的力學(xué)模型中撐擋成了受力最大的五金件(撐擋外側(cè)有窗扇懸伸段)。而事實(shí)上在配件選用時(shí)主要關(guān)注的是滑撐的承載能力，對(duì)于撐檔總將其作為開(kāi)啟穿窗的輔助定位配件來(lái)看待，更別提進(jìn)行結(jié)構(gòu)校核計(jì)算。所以很多窗扇在開(kāi)啟狀態(tài)下被風(fēng)吹落，都是從撐擋破壞開(kāi)始的。
其次，開(kāi)啟扇在開(kāi)啟狀態(tài)下時(shí)需要校核的內(nèi)容及標(biāo)準(zhǔn)也需要分析，特別是安全系數(shù)該如何取值?因?yàn)殚_(kāi)啟扇是活動(dòng)部件，所以其連接構(gòu)造要承受交變的沖擊荷載（詞條“荷載”由行業(yè)大百科提供）。其失效形式恐怕已不是簡(jiǎn)單的彎曲破壞或是剪切破壞，有無(wú)可能是松動(dòng)、失穩(wěn)、疲勞等更為復(fù)雜的破壞形式?
2.2、開(kāi)啟窗的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)
開(kāi)啟窗的運(yùn)動(dòng)工作狀態(tài)則是一個(gè)更為復(fù)雜的內(nèi)容：首先需要進(jìn)行開(kāi)啟軌跡的分析與框扇碰撞檢查。開(kāi)啟窗開(kāi)啟過(guò)程中扇、框發(fā)生不嚴(yán)重干涉時(shí)，窗也能勉強(qiáng)打開(kāi)。但這類干涉反復(fù)發(fā)生，有關(guān)連接構(gòu)件就會(huì)因頻繁承受較大的荷載造成損壞。
其次，是有關(guān)構(gòu)件的可靠性分析。比如，掛鉤式開(kāi)啟扇的防脫落構(gòu)造。附圖的兩個(gè)防脫構(gòu)造中，圖1的構(gòu)造看似有用，計(jì)算也能算過(guò)。但在使用過(guò)程中仍可能會(huì)出問(wèn)題。原因是構(gòu)件的剛度（詞條“剛度”由行業(yè)大百科提供）不足，固定螺絲在沖擊荷載的反復(fù)作用下仍可能會(huì)松動(dòng)，導(dǎo)致防脫落構(gòu)造失效;而圖2的構(gòu)造中，防脫落構(gòu)件鑲嵌在槽內(nèi)，即便螺釘脫落也不會(huì)滑出，顯然可靠很多。
圖3所示的穿軸式的連接構(gòu)造相對(duì)來(lái)說(shuō)可靠性更高一些。只要做好軸向的限位，理論上是不會(huì)出現(xiàn)開(kāi)啟扇脫落的情況。但是在實(shí)際使用過(guò)程中，有時(shí)也會(huì)有斷軸的情況發(fā)生。除了有關(guān)荷載取值不足外(未考慮動(dòng)力系數(shù))，窗框(含橫梁)承載時(shí)產(chǎn)生的撓度（詞條“撓度”由行業(yè)大百科提供）也是一個(gè)重要的誘因。因?yàn)檫@會(huì)導(dǎo)致多于兩個(gè)以上的銷(xiāo)軸不發(fā)揮作用，所以在計(jì)算時(shí)只應(yīng)考慮兩端銷(xiāo)軸受力，并且考慮到金屬疲勞問(wèn)題，還應(yīng)在構(gòu)造上多采取一些減少應(yīng)力集中的工藝措施。
同樣的情況，也可能出現(xiàn)在滑撐的連接構(gòu)造上。好的設(shè)計(jì)會(huì)將滑撐嵌在一個(gè)寬度匹配的槽口之中，依靠構(gòu)造措施承受滑撐傳遞給窗框的主要荷載，滑撐上的固定螺釘則負(fù)責(zé)將其固定在槽口內(nèi)。但圖省事的做法很可能采取完全依賴幾個(gè)螺絲的固定，長(zhǎng)期工作后五金件很快被損壞。
另外，通常不銹鋼滑撐上設(shè)有一個(gè)承受長(zhǎng)期重力荷載的圓孔(其他孔為長(zhǎng)孔)。理論上其承受的剪切力有限(窗扇的自重)，采用拉釘就能滿足要求。但實(shí)際上由于該處頻繁承受沖擊荷載，定位拉釘被剪斷的比比皆是。當(dāng)這個(gè)定位拉釘失效后，窗扇就會(huì)掉角，影響正常開(kāi)啟。如果暴力操作，很可能造成更大的損壞甚至是事故，這也是可靠度不足的一個(gè)表現(xiàn)。
所以在上海地方標(biāo)準(zhǔn)中，就規(guī)定了在開(kāi)啟窗的螺釘連接部位需要局部加大壁厚或是采用背襯鋼絲母板進(jìn)行連接加固，這些做法都是提高連接可靠性的有效措施。
第三，是開(kāi)啟窗的人機(jī)關(guān)系設(shè)計(jì)。比如開(kāi)啟窗的啟閉力設(shè)計(jì)就需要按照使用者的正常臂力設(shè)計(jì)。如果窗扇開(kāi)啟所需的力過(guò)大，超出人的正常臂力水準(zhǔn)，就需要通過(guò)設(shè)置類似下圖的省力的機(jī)構(gòu)或助力裝置，以便于開(kāi)啟窗的正常使用。
僅僅是做了簡(jiǎn)單的分析，就可以清楚地發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的幕墻設(shè)計(jì)很難全面覆蓋到開(kāi)啟窗的種種特殊情況。從本質(zhì)上講，是不完善的設(shè)計(jì)規(guī)程導(dǎo)致了幕墻開(kāi)啟窗成為了影響幕墻安全的高危部件。所以解決幕墻開(kāi)啟窗的安全問(wèn)題，最積極的方法不是限制開(kāi)啟面積之類的硬性規(guī)定，而是制定正確的設(shè)計(jì)規(guī)程，真正從根子上解決幕墻開(kāi)啟窗的安全問(wèn)題。
3、漫談幕墻開(kāi)啟窗的設(shè)計(jì)規(guī)程
幕墻開(kāi)啟窗的設(shè)計(jì)規(guī)程應(yīng)圍繞其三種標(biāo)準(zhǔn)工作形態(tài)來(lái)展開(kāi)的，主要可以分成“功能性”與“結(jié)構(gòu)性”兩個(gè)部分的內(nèi)容分別進(jìn)行設(shè)計(jì)：
3.1開(kāi)啟窗的功能性設(shè)計(jì)
開(kāi)啟窗的功能性設(shè)計(jì)主要是描述開(kāi)啟窗的啟閉過(guò)程及相關(guān)的影響和作用。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，大致包含下面的內(nèi)容：
A、 啟閉軌跡設(shè)計(jì)
啟閉軌跡設(shè)計(jì)主要是描述開(kāi)啟窗活動(dòng)構(gòu)件的運(yùn)行軌跡及起止位置。通過(guò)這些參數(shù)來(lái)確定幕墻活動(dòng)構(gòu)件是否會(huì)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中發(fā)生碰撞或干涉、其起止位置是否能夠滿足安裝工藝需求或使用功能需求、達(dá)到平面內(nèi)變形級(jí)別時(shí)窗扇是否還能正常啟閉等;
B、 啟閉力設(shè)計(jì)
開(kāi)啟扇啟閉力可以通過(guò)其質(zhì)量、啟閉位置、開(kāi)啟五金配件的摩擦力等參數(shù)計(jì)算出來(lái)。而根據(jù)人機(jī)關(guān)系原理，根據(jù)幕墻開(kāi)啟窗的室內(nèi)安裝高度可以確定操作人員啟閉操作時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)臂力值。如啟閉力超過(guò)操作人員的標(biāo)準(zhǔn)臂力值，則需要改變開(kāi)啟方式或使用額外的傳動(dòng)裝置;
C、 安全防護(hù)設(shè)計(jì)
幕墻開(kāi)啟窗在三種工作形態(tài)下均應(yīng)對(duì)可能出現(xiàn)的非正常狀態(tài)進(jìn)行分析，并依據(jù)幕墻開(kāi)啟窗非正常狀態(tài)出現(xiàn)的概率和由此造成的影響來(lái)確定是夠需要采取針對(duì)性的安全防護(hù)措施。比如有的窗扇剛度不足，就需要在框扇交合的對(duì)應(yīng)位置安裝一組楔形定位塊，還有前面提到的掛鉤式構(gòu)造的防脫落裝置等，都是針對(duì)性的安全防護(hù)設(shè)計(jì);
D、 可維護(hù)設(shè)計(jì)
開(kāi)啟窗的活動(dòng)構(gòu)件均應(yīng)可以拆換或維護(hù)。這一條看似簡(jiǎn)單，但實(shí)際上經(jīng)常出問(wèn)題。比較常見(jiàn)的情況是開(kāi)啟扇受到外側(cè)裝飾帶或遮陽(yáng)（詞條“遮陽(yáng)”由行業(yè)大百科提供）裝置的限制，開(kāi)啟角度有限，根本就不能拆換滑撐等五金配件，給使用維護(hù)帶來(lái)巨大麻煩。
3.2開(kāi)啟窗的結(jié)構(gòu)性設(shè)計(jì)
A、 開(kāi)啟狀態(tài)下的荷載取值及結(jié)構(gòu)計(jì)算
幕墻開(kāi)啟窗在開(kāi)啟狀態(tài)下風(fēng)荷載取值沒(méi)有明確的規(guī)定，但仍可以參照荷載規(guī)范中的檐口等突出構(gòu)件來(lái)取值�？紤]到窗扇在極端天氣下依然存在被開(kāi)啟或忘記鎖閉的概率，并且其一旦脫落會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的安全問(wèn)題，所以需要從嚴(yán)控制。建議在風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值（詞條“標(biāo)準(zhǔn)值”由行業(yè)大百科提供）作用下，打開(kāi)的開(kāi)啟扇不得出現(xiàn)連接失效脫落以及不得出現(xiàn)不可恢復(fù)的變形、破損及影響正常開(kāi)啟功能的變化。
由于開(kāi)啟窗的工作特性，對(duì)打開(kāi)的開(kāi)啟扇可不做撓度方面的限定。幕墻開(kāi)啟窗在風(fēng)荷載作用下突然啟閉所產(chǎn)生的沖擊荷載也不做計(jì)算，這主要是因?yàn)椴煌拈_(kāi)啟配件間的阻尼差異很大，沒(méi)辦法保證計(jì)算結(jié)果的精確性。但可以要求通過(guò)實(shí)物實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)試窗體連接的可靠度。
B、 框扇構(gòu)件的結(jié)構(gòu)校核
由于開(kāi)啟窗的密封功能需求，決定了其撓度值要更為嚴(yán)格。通�？颉⑸乳g密封膠條的設(shè)計(jì)壓縮量約2mm，扣除組各種誤差，有效值還會(huì)更少。所以幕墻開(kāi)啟扇閉合狀態(tài)下的撓度變形量最好不大于2mm，如果按照鎖點(diǎn)間距300~500mm計(jì)算，其構(gòu)件允許撓度值宜控制在1/250之內(nèi)。
C、 連接構(gòu)件的結(jié)構(gòu)校核
由于幕墻開(kāi)啟窗所承受的沖擊荷載難以確定，所以仍可按開(kāi)啟窗的開(kāi)啟和鎖閉兩種狀態(tài)下進(jìn)行靜載的受力分析計(jì)算(注意，開(kāi)啟狀態(tài)下只有風(fēng)撐、折頁(yè)和撐擋等開(kāi)啟配件參與承載)，但建議增加1.4的動(dòng)力系數(shù)以確保連接點(diǎn)安全可靠。
4、結(jié)束語(yǔ)
無(wú)論是JGJ102還是GBT21086中對(duì)幕墻開(kāi)啟窗的設(shè)計(jì)要求都沒(méi)有專門(mén)的規(guī)定。而幕墻開(kāi)啟窗又是如此重要，總要有解決的辦法。這篇文章完全是有感而發(fā)，希望引起大家對(duì)幕墻開(kāi)啟窗設(shè)計(jì)困局的關(guān)注，從而推動(dòng)將幕墻開(kāi)啟窗的設(shè)計(jì)規(guī)程納入到有關(guān)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)中去。
