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幕墻規范的新解讀 — 幕墻設計的一般規定

 

正確理解和執行規范

1.1規范沒有涉及的問題怎么辦

  工程技術規范是已有成熟經驗的總結,而不是對未來技術發展的展望。規范制定的原則是列入成熟的技術,成熟一條寫一條。尚在發展中的新技術、試用中的新技術暫不列入。待應用較廣泛、積累較可靠的經驗、確有依據之后,再行列入。因此,規范并不限制新技術的應用,規范未列入的內容,只要是規范未禁止采用的,一般可以在工程中應用,在應用中總結經驗,使它成熟起來。認為凡是規范未列入的技術不應采用的看法是不妥當的。當然,采用規范沒有列入的新技術,應有充分依據,穩妥可靠,并且幕墻公司應承擔相應的技術責任。

  JGJ 133 的新版本與 2001 版本相比較,增加了非花崗巖石材幕墻的規定。19年前編制2001版本時,內地還沒有采用非花崗巖石材做幕墻,沒有這方面的經驗,也就沒有作出相應的規定。但這并沒有妨礙它在工程中的應用(圖1)。正是由于在應用中積累了豐富的經驗,技術已經成熟,這次修訂時就有條件加以補充。

同樣,JGJ 102的新版本與JGJ 102-2003相比,增加了索網玻璃幕墻的內容。2000年以后,索網在幕墻工程中已大量使用,建成了如新保利大廈、中關村文化商廈這樣的超大尺寸的索網;如昆明機場、深圳北站、成都東站這樣的超大面積索網;如同上海中國航海博物館、北京長安中心這樣的雙曲面索網(圖2),并總結了成套的設計施工技術,所以102規范新版本列入相應的條文。

即使經過增補的幕墻規范新版本,也還是不可能全部包含目前廣泛采用的新材料、新做法幕墻的相關規定。例如目前已經廣泛采用的玻璃纖維加強水泥板(GRC板)幕墻(圖3)和ETFE薄膜氣枕幕墻(圖4),尚沒有規范標準予以規定,但不妨礙它們在工程中的應用。

相反,雖然雙層通風幕墻已在工程中應用,但是對其技術了解還不充分,使用效果還不肯定,設計技術還有許多不明確之處,因此本次修訂沒有列入。

  1.2 并不是所有規范標準和規范條文都要無條件執行

  1.2.1  強制性標準和推薦性標準是不同的

  不能簡單籠統地說:“規范就是法律。”因為我國現行標準區分為強制性標準和推薦性標準兩大類。強制性標準是無特殊理由時都應該執行的標準,沒有商量的空間;而推薦性標準沒有強制力,只是傾向于按此執行,使用該標準時,可以根據實際情況自行決定是否執行其規定。推薦性標準編號帶有 /T 的標志。

  例如,國家標準 GB 是強制性標準,正常情況下都應該遵照執行。而國家標準 GB/T 則是推薦性標準,它的規定沒有強制性,可以根據具體情況適當調整。質檢和監理部門不能要求幕墻廠家無條件、百分之百地執行編號帶有 /T 標志推薦性標準的規定。

  在推薦性國家標準《建筑幕墻》GB/T 21086 表11中,有橫梁立柱撓度不大于30mm的規定。這次修訂規范 JGJ 102 和 JGJ 133 時,未予采用。結構構件的跨度可小至不到一米,也可能大于百米,結構設計采用絕對撓度值控制并不恰當。例如高鐵武漢車站玻璃幕墻的高度達36m,支承鋼立柱的撓度達到110mm,遠遠大于30mm的限制,可是其相對撓度只有1/327,完全可以滿足使用要求。首都機場T3航站樓玻璃幕墻支承桁架的跨度更達到40m,顯然30mm的限值完全不可行(圖5)。JGJ 102 和JGJ 133 是強制性標準,新版本正式頒布后,按這兩本規范的規定執行。


1.2.2  注意條文的松嚴程度,按條文的規范用語執行

  規范條文規定的嚴格性是不同的,應分別掌握,不能一律從嚴。規范的條文分為強制性條文和一般性條文。強制性條文用黑體字印刷,行文采用“必須”、“應”、“不得”、“嚴禁”等文字進行最嚴格的限制,強制性條文必須執行,所作規定必須遵守。一般性條文用宋體字印刷,其嚴格程度稍作放松。一般性條文用詞為“應”、“宜”、“可”(相應反面詞為“不應”、“不宜”、“可不”)三個等級,要區別對待。采用“應(不應)”等級的規定,正常情況下要執行;采用“宜(不宜)”的規定,優先采用;采用“可(可不)”等級的規定,可以靈活掌握,選擇采用。認為只要規范條文涉及到的事項都一律按“必須”執行,不得偏離的看法是不妥當的。

  1.3要以最新規定為準

  由于各技術規范均在不斷修改、更新,而各本規范不可能同時修訂、同時頒布,總是輪流先后更替,因此,在規范應用中,采用“以最新版本為準“的原則。在技術規范條文中,凡是引用相應規范時,如果只標明所引用相關標準的編號而無發布年份的,則以最新頒布的版本為準,隨相關標準新版本的發表而變更,無須特別說明。

  目前使用的《建筑裝飾裝修工程施工驗收規范》 GB 50210-2001是十多年前的版本,對玻璃幕墻的規定是引自JGJ 102 -96 ,而JGJ 102-96 早已被 JGJ 102 – 2003 所取代,因而GB 50210關于玻璃幕墻的許多規定已經失效,相關規定應當按照 JGJ 102 -2003 規范執行。

  1.4 超出規范適用范圍的幕墻怎么辦

  規范的適用范圍不等于該項技術的適用范圍。由于規范是成熟技術的總結,只能是歸納總結量大面廣、使用較多、技術成熟的經驗,所以規范總則中有“本規范適用于……”的適用范圍的規定。在規范適用范圍內的工程,可以采用規范的相應規定進行設計、施工而無需其它額外、專門的措施。反之,超出了適用范圍時,除應遵守規范中的有關規定外,尚應采取其它更有效的技術措施,保證幕墻的結構安全和建筑功能滿足要求。必要時可以進行技術論證。

規范的適用范圍    

      2.1規范的適用范圍并不等同于該項技術的適用范圍

  規范是成熟技術經驗的總結,所以只涵蓋一定的范圍。一項技術可以應用很大的范圍,但是只有某一個較小的范圍應用廣泛,經驗豐富,技術成熟。規范就是依照這個成熟范圍的技術編制,因而規范的規定也就適用于這一個預定范圍,這就是規范的適用范圍,并不等于這種技術只能在這范圍內使用。當然,超出規范適用范圍,僅僅按規范規定進行設計和施工,可能就不能滿足要求,往往還需要更多的技術措施,必要時還要進行實驗,進行技術論證。

  因此不能將規范的適用范圍理解為該項技術的使用范圍,認為超出規范適用范圍就不得采用該項技術,這樣一來就會產生許多矛盾,也限制了技術的向前發展。

  2.2 JGJ 133 規范新版本的適用范圍

  JGJ 133-2001版本編制于 1996~1998年間,是上一個世紀的產物,距今已經19年。當時在我國內地幕墻剛剛在發展,高度超過150m的鋁板幕墻不多,高度超過100m的花崗石幕墻只有筆者參與的深圳新時代廣場工程(175m,1997)。所以原規范總則第1.0.2條規定規范的適用范圍是:

  1 建筑高度不大于150m的民用建筑金屬幕墻工程;

  2 建筑高度不大于100m的、設防烈度不大于8度的民用建筑幕墻工程。

  近十多年來內地超過150m的鋁板幕墻工程大量建成(圖6),所以新版規范將金屬幕墻的適用范圍擴展到全部高度。

早在18年前 JGJ 133 規范開始編制時,本文作者參與的深圳新時代廣場花崗石幕墻高度已經達到175m;15年前的2000年,JGJ 133規范即將頒布,本文作者參與的廣州環市中心大廈花崗巖幕墻的高度更達到190m(圖7)。2001年JGJ 133規范頒布,規范的適用范圍是100m以下的石材幕墻,但規范的適用范圍并不是指石材幕墻這項技術本身的適用高度,因此并不妨礙此后高度100m以上的石材幕墻大量興建。目前最高的廣州廣晟大廈為280m,廣州銀行大廈為260m(圖8),我國幕墻公司承建的科威特AL HAMBRO大廈石材幕墻高度更達到412m(圖1)。現在100m以上的石材幕墻已經積累了豐富的工程經驗,不存在不可克服的技術難點,所以將新規范對花崗巖石材幕墻的適用范圍擴展到全部高度。由于非花崗巖石材材性較差,安全方面的問題要有更多的考慮,所以新的JGJ 133規范同時也規定了高度大于100m的石材幕墻應采用花崗石面板。

至于抗震設防的石材幕墻的適用范圍,新JGJ 133 規范仍維持6、7、8 度。振動臺試驗和2008年汶川地震表明,石材幕墻是可以抵抗9度地震的(圖9)。但是我國內地9度設防的地區很少,9度地區采用石材幕墻的經驗也很少,所以這次修訂沒有擴大適用范圍到9度。

因此9度設防的石材幕墻是可以建造的,但是已經超出了JGJ 133 規范的適用范圍,必須進行技術論證,采取必要的加強措施。2004年,9度設防的四川省涼山州第一人民醫院門急診大樓石材幕墻工程開建,為此本文作者專門進行了研究,在提出的技術咨詢報告中建議:采用花崗巖面板并加背貼玻璃纖維布,背栓連接,采用高強度結構膠SS921、SS922和高延伸性密封膠SS911(圖10、圖11)。

  2.3   JGJ 102 新版本的適用范圍

  JGJ 102-2003 第1.0.2條規定了其適用范圍是非抗震設計和抗震設防烈度為6、7、8度抗震設計的民用建筑玻璃幕墻。涵蓋了全部高度,涵蓋了全國絕大部分地區,適用范圍已經非常廣泛。在此之前,四川省涼山州第一人民醫院的9度設防玻璃幕墻是通過技術論證解決的,論證報告中對此作出了說明(圖12)。

汶川地震表明:9度區和10度區的玻璃幕墻震害極為輕微,基本上完好無損(圖13)。因此,本次修訂將適用范圍擴大到9度設防的玻璃幕墻。

近年來,我國內地超高層建筑玻璃幕墻工程大量興建,建成、在建和設計中500m以上的工程達26座,蘇州中南中心的高度達到729m,全部采用玻璃幕墻(圖14)。

  迪拜哈里法塔是目前已經建成的最高建筑,由中國承建,玻璃幕墻高度達828m;目前正在結構施工的沙特王國塔高度達1007m,其玻璃幕墻目前正由中國幕墻公司進行設計。所以當今全世界最高的三座玻璃幕墻:王國塔、哈里法塔和中南中心,都是中國造(圖15)。

  所以,JGJ 102 新版本的適用范圍已經擴展到全部玻璃幕墻。

結構設計使用年限    

      目前,只有結構設計對使用年限有明確的規定。

  主體結構的設計使用年限一般工程為50年,特殊工程為100年。幕墻是維護結構,是可以拆換的結構,所以其結構設計使用年限不低于25年。就是說,在25年內,面板、支承結構、連接部件都不應產生安全問題。

  作為結構構件的面板材料(玻璃、石材、金屬板)、直接支承面板結構的鋁型材和鋼型材、鋼連接件的有效壽命至少超過25年,可以滿足設計使用年限要求。硅酮結構密封膠的實際壽命也不止25年,過去廠家出具結構膠10年保證書只是例行的商業操作。目前國內主要硅酮膠廠家已可以出具25年保證書。因此,幕墻結構設計使用年限為不小于25年是適當的,國內外幕墻工程的經驗證明也是可以辦得到的。

  預埋件屬于不容易更換的部件,其設計使用年限應按50年考慮。

  大跨度支承鋼結構的工作特點和結構構造和主體結構基本相同,其設計使用年限宜按主體結構考慮。

  在一些公共建筑的幕墻系統中,構成比較復雜,既有面板和直接支承面板的一級結構,又有支承一級結構的二級結構(圖16、圖17)。原則上面板和直接支承面板的一級結構,設計使用年限應不小于25年;支承一級結構的較大的二級結構設計使用年限應與主體結構相同。

結構設計使用年限只是設計幕墻的時候,決定各種設計參數取值和構造措施選擇的標準,并不是幕墻結構的實際使用年限。從一般情況來看,實際使用年限會高于設計使用年限。

  至于建筑功能和幕墻外觀的使用年限,目前尚沒有一致的說法。

  某些業主要求幕墻保用50年甚至更長,目前尚無確切依據。尤其是建筑外觀和水密、氣密功能,能否維持50年以上,沒有太多的工程實踐。

  大家最關心的結構使用年限是硅酮結構膠的使用壽命問題,現在采用的加速老化試驗到底能說明多少問題,大家心里都不大有數。500小時或者3000小時加速老化試驗能代表結構密封膠在真實條件下工作多少年,沒有對比依據。為此,廣州白云公司的硅酮結構密封膠的50年極限老化試驗已經在1012年開始。試驗分別在廣州試驗場(高溫、高濕、強紫外線)和新疆吐魯番試驗場(冬季嚴寒,夏季高熱,極端干燥,強紫外線)進行,50年試驗期間分時段采樣檢驗,與加速老化試驗進行對照(圖18、圖19)。

幕墻抗震設計的標準    

      4.1  三階段設計

  非抗震設計的幕墻,在正常工作條件下應保持良好的性能。

  抗震設計的幕墻,應按三個階段的不同標準進行設計:

  1) 在小于設防烈度 1.5 度的小震作用下,結構處于彈性狀態,幕墻各種功能保持完好,能正常使用。在這個階段進行內力和變形計算。

  2) 在設防烈度的中震作用下,結構處于彈塑性狀態,幕墻平面內側移達到彈性位移的3倍,幕墻可能有局部損壞,但經過修理可以繼續使用。

  3) 在高于設防烈度1.0 度的大震作用下,幕墻面板有可能破損,幕墻可能不能繼續使用。但是幕墻的骨架不應墜落。

  2008年5月12日四川汶川地震和2010年月日青海玉樹地震表明:按7度設防的幕墻經受住了9度地震的沖擊。震害調查表明:我國的幕墻規范經受了地震的考驗,按照規范進行設計施工的幕墻工程,達到了設防烈度下保持完好或基本完好的要求,甚至在超烈度的強震下,也還能保持完整(圖20~圖22)。

4.2平面內變形試驗

  進行幕墻的四性試驗時,平面內變形試驗就應按上述原則進行。

  到設計彈性變形值時,幕墻試件應保持完好,氣密、水密性能滿足設計要求,幕墻試件正常工作。幕墻設計達到小震完好的目標。

  到設計彈性變形值的3倍時,幕墻試件基本完好,面板和連接沒有明顯破損,密封性能可能有局部失效,經修理后還可以繼續進行試驗。幕墻設計達到中震可修的目標。

  有些業主和監理要求到設計彈性變形的3倍時,還要保持氣密水密性能完好無損,這就超出了抗震設計3階段中關于第2階段中震可修的規定,屬于超規范的過高要求。

  4.3  結構密封膠的計算

  根據結構設計的統一標準,結構的內力位移計算是對小震、對彈性狀態進行的。這一規定,同樣適用于結構密封膠的設計計算。

  結構密封膠的寬度計算是對風力、小震地震力和面板自重進行的。地震力按規范給出的小震地震力取用。

  結構密封膠的厚度是針對風力下的變形、小震下的彈性變形和溫度變形進行計算的。風力作用下和地震作用下的變形應取彈性變形的設計值,最多取用到規范規定的彈性變形限值。按照中震可修的標準,允許密封膠有局部破損,并不要求結構密封膠在中震時完好無損,所以要求按彈性變形的3倍來設計結構密封膠的厚度是不合理的。

五    尺寸    

      5.1尺寸的含義

  在幕墻相關的條文中常常用到的尺寸的數值,如板厚、截面尺寸等,計算公式中更少不了尺寸的符號,這些尺寸在規范中除特別標明者外,均指的是公稱尺寸,也就是設計的、標準的尺寸。規定有允許偏差的尺寸,其實際尺寸應在規定的最大極限尺寸和最小極限尺寸的范圍內。如復合鋁板面板厚度規定為0.5mm,而國家標準規定鋁板厚度允許偏差為正負0.02mm,則意味著厚度在0.48mm~0.52mm范圍內的產品均屬合格品。允許有正負偏差出現的尺寸,實際量測時,正常狀態下會是正偏差和負偏差均有機會出現,不會全部是負偏差的尺寸。

  當然,在某些特殊生產工藝要求情況下,可能在某些批次產品上出現負偏差較多的情況。例如鋁型材生產過程中,模具因磨耗而開口部分越來越寬,使得鋁型材壁厚越來越厚,所以制作擠壓模具時開口尺寸有意偏小一點,使用過程中開口會逐漸擴大。所以初期批次的鋁型材壁厚負偏差較多,以后批次則逐漸趨于正常分布。

  一般情況下,規定有正負偏差時,不應故意生產和使用全部為負偏差尺寸的產品。有些工程的鋁板板厚現場檢驗,大部分或者全部測量值均為負偏差,但在允許偏差范圍內。這些鋁板雖然仍可認為是合格產品,但是屬于“打擦邊球”,不宜提倡。

  5.2尺寸和實測尺寸

  如上所述,幕墻規范中的尺寸,除明確規定為實測尺寸者以外,均指的是標準的、公稱的、設計的尺寸。實測尺寸是現場量測的尺寸,必定與理論的尺寸有差別,差別在允許偏差范圍內就是合格產品,應予驗收。

  北京電視中心大樓和北京數碼出版大廈幕墻工程在工程驗收時都遇到過麻煩。JGJ 102和JGJ 133規范都明確規定立柱鋁型材截面壁厚不應小于2.5mm,而以此規定為依據的驗收規范GB 50210在編制時,將對應條文中的“壁厚”改為“實測壁厚”。“壁厚”是指公稱尺寸,按國家標準是允許有0.15mm的公差的,壁厚為2.35mm~2.65mm的鋁型材都是合格品,應予驗收;改為“實測壁厚”后,2.35mm~2.49mm壁厚的鋁型材就變為不合格品,不能驗收。為此只能召開專家論證會,確認JGJ 102和JGJ 133規范原條文的含義,否決了“實測壁厚”的不合理規定,兩個幕墻工程才得以順利通過驗收。

  JGJ 102和 JGJ 133規范新版本保持了結構設計規范的行業習慣和原版本的規定,明確規定尺寸就是設計的標準尺寸,并在編制說明中加以說明。


 
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