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既有建筑幕墙安全评估与风险检测

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拾荒者 | 2019-10-5 20:59
  近年来,我国既有建筑幕墙安全事故频发,有时甚至形成对公共安全的隐患.不断有幕墙破裂或坠落造成人员伤亡和财产损失的事故发生。大量的事故表明无论是玻璃幕墙还是石材陶瓷或其他幕墙建筑都存在着严重的安全隐患,在繁华地区或人口密集区域,每一块有自爆风险的玻璃幕墙就像人们头顶上的利剑和炸弹。解决这些安全隐患已经到了刻不容缓的地步。
  
作者:中国建材检验认证集团股份有限公司

包亦望,刘小根,万德田,邱岩,刘正权

  我国玻璃幕墙工业从上世纪80年代初开始起步,20多年来,我国各大中小城市相继建造了大量的玻璃幕墙,其中寿命超过10年安全期的玻璃幕墙存在着很大的安全隐患,成为城市上空、特别是闹市区的“定时炸弹”和“空中杀手”,危及公众人身安全和财产安全。

  源于中国建筑装饰协会幕墙工程委员会几年前的数据表明,中国是目前世界最大的玻璃幕墙生产与使用国,拥有既有玻璃幕墙建筑9500多座,玻璃幕墙累计建成面积超过9000万平方米。北京市的玻璃幕墙建筑,无论产值、数量还是面积、档次,都居全国乃至全世界前列。到2005年底,全市有玻璃幕墙建筑2000多座,面积1400万平方米,仅长安街沿线就有数百座玻璃幕墙建筑。现在北京的玻璃幕墙已经超过1500万平方米。其中,5年以上的玻璃幕墙超过500万平方米;已过10年安全期的约为550万平方米;服役期超过15年以上的玻璃幕墙约为150万平方米。这些建筑大多在繁华的市区,任何一起玻璃幕墙的自爆和坠落事故都可能造成灾难性的后果。

  近年来,我国既有建筑幕墙安全事故频发,有时甚至形成对公共安全的隐患.不断有幕墙破裂或坠落造成人员伤亡和财产损失的事故发生。大量的事故表明无论是玻璃幕墙还是石材陶瓷或其他幕墙建筑都存在着严重的安全隐患,在繁华地区或人口密集区域,每一块有自爆风险的玻璃幕墙就像人们头顶上的利剑和炸弹。解决这些安全隐患已经到了刻不容缓的地步。

  建设部和各级政府部门都对检测既有建筑幕墙的安全性能问题越来越重视。虽然幕墙常规性能检测的各种标准和规范多达数十种,但至今为止在世界范围内还没有检测既有玻璃幕墙安全性能的切实有效的技术,以及相关的规范和标准。发达国家现在主要提倡玻璃幕墙的玻璃全部换成夹层安全玻璃,但这样成本太高,中国现在还主要以钢化玻璃为主。

  为了尽快解决这些严峻的城市公共安全问题,国家科技部和地方政府对此下达了多项文件和相关技术研发的研究任务。中国建材检验认证集团(CTC)针对这种严峻问题,先后主持完成国家科技部项目《玻璃幕墙在线性能和可靠性检测技术》、北京市公共安全项目《玻璃幕墙安全检测技术》及科技部国际合作项目《安全玻璃的可靠性评价与无损在线测试》等科研项目。研发出了系列既有幕墙风险检测新技术、新方法、新仪器。申报相关专利6项,制订了建筑幕墙风险检测系列国家标准4项。上述成果初步结束了目前我国建筑幕墙风险检测无技术可循、无标准可依,无设备可用的现状,实现了幕墙面板破裂或整体脱落风险的早期预测、提前更换。这项技术于2013年获北京市科技进步三等奖,这些新技术的问世对于提高城市公共安全、减少幕墙事故或灾难具有重要意义。

  导致安全事故的幕墙风险主要表现为两种方式,一是幕墙的破裂或自爆并且从高空散落伤人;二是幕墙整块坠落,砸到人后果极为严重。引起这两类事故的原因则有多种多样,包括锚固件松动脱落,结构胶老化脱落,玻璃破裂等等,无论什么原因,在失效或灾难降临之前总会有种种迹象或前兆可以被检测到。下面我们介绍几种风险检测预测的技术和方法。

一.钢化玻璃自爆源与内应力的检测方法及设备   

  钢化玻璃的自爆被认为是建筑幕墙的癌症,不仅在幕墙门窗,在很多家庭用具和公共设施也都常涉及钢化玻璃及其自爆问题。引起钢化玻璃自爆的原因往往是由于玻璃内部缺陷或杂质,这种缺陷附近的应力集中,在光弹仪下能够观测到玻璃内部应力集中产生的应力光斑。光弹扫描仪可对建筑玻璃幕墙视进行无损在线风险检测以及图像处理和识别。光弹扫描仪不仅可用于检测既有幕墙中钢化玻璃的杂质、缺陷及自爆源检测,也可对安装之前的钢化玻璃进行预检测,事先剔除有风险的钢化玻璃。另外,光弹扫描仪还可对玻璃深加工过程中残留在玻璃内部的应力进行分析,如夹层玻璃、光伏玻璃、真空玻璃残余应力,玻璃装配应力,以及真假钢化的玻璃的辨别等。解决该问题的相关新技术主要是通过光弹扫描的方法对杂质和缺陷进行检测 [1,2],配合国家标准:GB/T 30020-2013 [3];与之相配合的检测仪器为钢化玻璃缺陷扫描仪。

  采用这种方法和设备,可以对既有玻璃幕墙中的钢化玻璃进行扫描检测,预报具有自爆风险的玻璃,减少突发事故的发生。另外,为了防患于未然,也可以对安装之前的钢化玻璃进行扫描检测,排除有风险的钢化玻璃被安装到高层建筑上,这比玻璃自爆伤人后检修和更换玻璃的成本至少低数百倍。

  作为一个例子,用这种方法对某建筑大楼的幕墙玻璃进行检测,发现有多块幕墙玻璃内部有缺陷和杂质,这种微小杂质可以是硫化镍、单质硅、氧化铝等,只要它们由于各种原因在玻璃的拉应力区发生局部应力集中,就可导致自爆风险。扫描仪现场检测到的玻璃内部杂质如图1所示。

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图1、(a)采用光弹扫描仪观测到的某高层建筑玻璃幕墙上钢化玻璃自爆源图片,三天后发生了钢化玻璃的自爆;(b)钢化玻璃自爆源处的杂质。


二.幕墙面板脱落风险方法及动态性能检测仪   

  高层建筑幕墙和外围材料的松动与坠落是悬在城市上空的一把利剑。例如,2014年12月北京某高层建筑石材幕墙脱落,造成行人一死一伤。类似灾难举不胜举,给人民群众带来难以承受的风险。任何坠落风险之前一定会有先兆,其中最明显的先兆就是幕墙的支撑(无论是结构件或是胶粘)有松动,这种松动表现未固有频率地下降。为此,我们提出了通过振动测试方法获得幕墙玻璃的固有频率来识别玻璃幕墙支承结构松动损伤及其结构胶的老化程度。试验室研究了四边夹支及隐框玻璃幕墙在其支承结构体系出现松动、老化和损伤后幕墙玻璃的固有频率变化规律。试验结果表明了四边夹支幕墙玻璃的固有频率随其边界支承松动而不断衰降,且分布在低于玻璃边界四边固支和高于四边简支对应的频率约20%的区间内;根据试验结果,结合矩形薄板边界约束与其动态参数关系,建立起了一套以幕墙玻璃固有频率变化来评价建筑幕墙支承结构松动损伤及玻璃脱落风险的标准,由于幕墙固有频率是一个比较容易获得的动态特性参数,因此,该方法是一种现场检测既有玻璃幕墙安全性能的简便方法:相关的专利已经授权[4],现场检测的幕墙松动与坠落风险检测仪也已经可用。

  这种检测被认为是一种相对法[5],它通过比较幕墙的固有频率的变化来判别风险,比较的形式有多种,基本的比较是测试的频率跟理想状态的频率比较。另外还有横向比较和纵向比较,横向比较就是将相同尺寸和相同支撑条件的幕墙全部测试一遍,检查其中固有频率最低的几块为风险最大。纵向比较是同一块幕墙在不同时间段的检测,如果固有频率发生突然的大的下降则认为有问题了。通过测量幕墙面板振动频率方法对幕墙面板边缘支承松动及损伤进行识别,从而实现对幕墙面板坠落进行风险评估。研发的建筑幕墙面板松动动态性能检测仪可对幕墙面板在给定的支撑条件下的振动固有频率进行现场测量,分辨出又松动风险的幕墙或外围材料。并可实现对幕墙面板脱落风险进行安全等级划分。不仅对于玻璃幕墙,对于石材幕墙、金属幕墙一级各种建筑外围材料的脱落风险均可用这种检测预测方法。经验表明,这种方法比喷淋后红外摄像的方法更为可靠和方便。

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图2、  玻璃幕墙风险现场无损检测,横向比较后发现3号玻璃频率最低,检查原因是周边的胶已经脱开一半以上。


三.中空玻璃风险检测方法及设备  

  近几年,我国新建楼房使用最广的节能玻璃是中空玻璃。也是今后几年还可能加速应用在各种建筑幕墙和门窗的主要隔热玻璃。当前我国中空玻璃市场比较混乱,部分厂家为降低成本偷工减料,生产管理控制不严,使中空玻璃的使用寿命大大缩短,中空玻璃周边密封不严出现漏气将会导致两种严重后果,一是功能性后果,即保温隔热不能保持,二是结构性问题,漏气后只有受力面单片玻璃承受载荷,容易发生破裂和脱落风险。虽然劣质中空玻璃使用寿命非常短,但是由于其价格较低,且在安装使用前消费者不容易发现质量有问题,所以销售量非常大,有的地方劣质玻璃已占70%以上既有幕墙中的中空玻璃如果漏气。因此检测中空玻璃是否漏气时一种防患于未然的风险预测方法。

  针对这一问题,解决方案非常简单,利用漏气与不漏气的真空玻璃刚度差别和受力后中空层厚度的差异,设计了一种“玻璃幕墙中空玻璃密封性检测系统”,主要是通过杠杆砝码对玻璃中央加载并利用相对法比较加载前后的中空层厚度的变化,通过变形相对比较法检测中空玻璃中空层密封性能,设计了一种便捷的中空玻璃幕墙集中载荷的加载装置,用于检测既有建筑幕墙中空玻璃密封单元漏气失效(如二道密封胶脱胶、断胶、玻璃穿透裂纹等造成中空层密封失效),从而对中空玻璃坠落或破裂风险进行预测和预警[6,7]。

四.真空玻璃真空失效检测方法及其真空衰减率现场检测仪   

  真空玻璃虽然目前在建筑上的用量还不够大,但是,随着节能环保要求的落实和绿色建筑的发展,今后真空玻璃的推广应用将会逐步扩大。虽然真空玻璃的隔热隔音效果是所有建筑材料中最好的,但是,真空玻璃是各种建筑玻璃里面最脆弱的种类。服役中的真空玻璃真空度也会由于各种因素而衰减,现场检测这种衰减和失效对保障结构安全和功能维持具有重要意义。为了检测建筑服役中的真空玻璃的真空度效果和可靠性,我们发明简单的光弹检测真空保有率的方法“一种服役中真空玻璃真空度在线检测方法(ZL200810118025.6)”[8],并制订国家标准《真空玻璃真空度衰减率现场检测方法-光弹法》[9], 利用研发的真空玻璃真空度衰减率现场检测仪对建筑服役真空玻璃进行检测,可以很方便确定玻璃的可靠性。真空玻璃真空度衰减不仅影响真空玻璃的隔热性能,还给真空玻璃安全服役带来安全隐患。采用光弹法观测真空玻璃支撑物附近应力光斑大小来检测真空玻璃真空保有量。设计出了真空玻璃真空度衰减率现场检测仪,通过在线检测真空玻璃支撑应力光斑大小和形貌,并配备数据采集和分析软件,实现对真空玻璃真空度衰减率进行定性或半定量评估,检测结果可用于判断及预测、预警真空玻璃结构性能失效及安全问题。也可以用于真空玻璃生产厂商的产品进行检测。

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图3、真空玻璃真空度完好时的支撑应力光斑


  为了以上各种技术在高楼上的操作方便,我们设计制造一种可以携带试验装置的机器人进行爬墙测试。机器人作为高空幕墙安全性测试时携带检测设备的载体,具有双腔体吸附,保证仪器安全;控制距离可达到50米,带有测量机械手臂,机械手臂可根据工作需要抬起或放下。机械手臂上可装配高清CCD无线摄像头或动态激振装置等,实验员可以在地面上通过遥控控制并传输试验数据。

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图4、现场检测高空攀爬机器人


五.小结   

  既有建筑幕墙,特别是玻璃幕墙,存在各种影响城市公共安全的风险,随着幕墙建筑不断增加和幕墙老龄化,这种风险也随之增加,严重影响人民生命财产安全和社会和谐。为防患于未然,对于服役中的建筑幕墙定期进行风险检测和监测是十分重要的。其中,钢化玻璃幕墙的或门窗的自爆、各种建筑外围材料的坠落、中空玻璃获真空玻璃的漏气等问题,可采用本文报道的新技术来检测和预测。

  致谢:

  本研究得到以下科研项目的支持

  1)科技部国际合作项目,《安全玻璃可靠性评价与无损在线测试》

  2)北京市公共安全重点项目,《玻璃幕墙安全检测技术研究》

  3)科技部科研院所专项,《玻璃幕墙在线性能和可靠性检测技术》


  参考文献

  [1] 包亦望,万德田,邱岩等,发明专利(ZL 200810119762.8 ):一种检测钢化玻璃幕墙杂质和缺陷的方法与装置

  [2] 包亦望,刘立忠,邱岩等,发明专利 (ZL200810167250.9)一种预测玻璃幕墙自爆风险的方法。

  [3]包亦望,邱岩等, 国家标准《玻璃缺陷检测方法—光弹扫描法》

  [4]包亦望,邱岩  , 发明专利(ZL200810167250.9)一种检测玻璃幕墙松动和预测坠落风险方法

  [5] Bao YW, Zhou YC, Bu XX, et al. Evaluating elastic modulus and strength of hard coatings by relative method. Materials Science and Engineering A, 2007, 458(1-2): 268-274

  [6] 包亦望,刘小根,发明专利(ZL200910236858.7 )一种检测服役中中空玻璃密封性能方法及装置

  [7]包亦望,刘小根等,国家标准《中空玻璃密封性失效现场检测方法》2015

  [8]包亦望,刘小根等, 发明专利(ZL200810118025.6)“一种服役中真空玻璃真空度在线检测方法”

  [9]包亦望,刘小根等, 国家标准《真空玻璃真空度衰减率现场检测方法-光弹法》

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