建筑玻璃幕墻抵御超強臺風的能力

包善仲

【摘要】本文通過對美國弗羅里達州建筑法規中有關颶風測試以及其在上海實際案例中應用的介紹，為建筑師、幕墻顧問、幕墻制造商在進行幕墻工程設計時提供一些建議和幫助，從而使建筑物能夠有效抵御臺風的襲擊，讓建筑物的質量躍升到更高的臺階。

【關鍵詞】颶風測試;飛彈沖擊測試;循環風壓測試

1.前言

眾所周知，中國沿海地區是經濟最發達的區域，但是每年夏秋兩季，都會遭受強大的臺風破壞。特別是近幾年，超強臺風的數量逐年增多。從2018年襲擊深圳的“山竹”，到2019年襲擊上海的“利奇馬”，無一不是在給當地帶來史無前例的風雨之外，還造成許多建筑物的損毀。

不僅僅是中國，放眼世界，臺風、颶風同樣給世界各國帶來巨大的破壞和災難。在美國弗羅里達州及墨西哥灣沿岸、加勒比海地區、太平洋沿岸地區，每年夏季、秋季也都會與具有超強破壞力的颶風不期而遇。

既然臺風和颶風等惡劣的自然天氣是無法避免的，那么如何有效防控建筑物遭受臺風和颶風的破壞就是擺在廣大建筑師、幕墻顧問、幕墻制造商面前無法回避的考題。本文通過對美國弗羅里達州建筑法規中有關颶風測試的介紹以及其在上海的實際案例應用，給中國的建筑師、幕墻顧問、幕墻制造商們在工程設計中提供一些建議和幫助，力圖幫助中國的建筑設計整體水平和質量能夠躍升到更高的臺階。

2.美國颶風區的颶風測試

根據美國土木工程師學會American Society of Civil Engineers（ASCE 7）的要求，將處于高速颶風區（High Velocity Hurricane Zone，以下簡稱HVHZ）的各個地區，按照不同的基本風速（Basic Wind Load）的分布，劃分為四類區域，分別是Wind Zone 1、Wind Zone 2、Wind Zone 3、Wind Zone 4，詳見表1。這里所說的基本風速（Basic Wind Load）是指“3s陣風風速“（V3s）。

按照建筑法規的要求，凡是在這些區域建造的外立面系統，包括玻璃門和外窗系統、建筑玻璃幕墻系統，都要按照ASTM E1996的要求進行颶風測試，包括“飛彈沖擊測試注2”與“循環風壓測試”，然后評估這些外立面是否能夠有效抵御颶風的破壞。

注 2：“飛彈沖擊測試”在ASTM E1996標準中被定義為Missile Impact Test，是模擬颶風天氣中由颶風攜帶的碎物（Wind-borne Debris in Hurricane）沖擊建筑外立面的檢測方法。在國內也將其直譯為“抗風攜碎物沖擊”，參見《GB/T 29738-2013 建筑幕墻和門窗抗風攜碎物沖擊性能分級及檢測方法》，而該中華人民共和國國家標準是參考ASTM E1996編制的。

在ASTM E1996中，除了使用特殊的“飛彈”沖擊外立面之外，還需要對外立面進一步進行“循環風壓”的測試。這是因為破壞除了來自颶風所攜帶的碎物沖擊之外，還有高風速颶風帶來的強大風壓。為了更好地模擬這種綜合性破壞，科學家們設計出了“飛彈沖擊測試”與“循環風壓測試”的檢測方法和要求。

3.颶風風壓對外立面破壞的技術原理

通常的建筑物外立面在計算設計風壓時主要考慮迎風面和側風面的風壓影響。

3.1建筑外立面的迎風面所遭受的風壓和風流方向，可參見圖1。

3.2建筑外立面的側風面所遭受的風壓和風流方向，可參見圖2。

由于墻體本身是完整的，其材料的抗風壓強度可以通過一定的結構計算而模擬得出，然后可以進一步計算出抵御該風壓壓強所需墻體的材料、連接件等的強度需求，以證明整個建筑外立面系統具有足夠的抗風壓性能。

但是一旦外立面被高速碎物飛彈沖擊而造成破壞后，颶風就可以通過裂紋和破洞進入建筑物內部，從而直接對建筑物的側墻和背墻進行沖擊。這樣產生的風壓形式可以參見圖 3。

當建筑物迎風面墻體破損后，颶風直接進入建筑物內部，使得原先內外壓強平衡的狀態被打破，造成墻體的膨脹性破壞作用，參見圖4。當建筑物外立面背風面和側風面墻體遭到破壞后，內外壓強平衡被打破，內部氣壓從破洞處突然釋放，從而造成內部壓強降低，繼而造成墻體的壓縮性破壞作用，參見圖5。

據此，在實際檢測中需要模擬對建筑外立面造成兩種破壞后，其外立面仍然具有穩定抵御高強度的颶風風壓的性能。

4.美國颶風測試的技術要求與規范

美國颶風測試的規范標準是ASTM E1996和ASTM E1886。颶風測試主要分為兩部分，分別是飛彈沖擊測試（Missile Impact Test）和循環風壓測試（Cyclic Wind Load Test）。

4.1飛彈沖擊測試（Missile Impact Test）

4.1.1沖擊飛彈等級

在ASTM E1996中，將沖擊飛彈（Missile）分為大飛彈（Large Missile）和小飛彈（Small Missile）兩個種類。其中小飛彈被定義為A級;而大飛彈根據其自身的尺寸和質量不同，分為B級、C級、D級和E級。

大飛彈沖擊測試是模擬路面上折斷的樹枝或斷木被颶風卷起后砸中玻璃外立面的狀況;小飛彈沖擊測試用來模擬路面上小碎石子、雜物等被颶風卷起后砸中玻璃外立面的狀況。

各種沖擊飛彈的等級及對應的尺寸、質量和測試速度參見表2。

4.1.2沖擊飛彈的材料

大飛彈材料需選用的是“2號及以上等級“的美國南方松，木料的斷面厚度大約為38.1 mm，寬度大約為88.9 mm;在距離沖擊端300 mm內不能有木節、開裂、細裂縫或其他缺陷。

小飛彈材料需選用的是8 mm直徑的鋼珠進行測試。每次沖擊時使用10顆鋼珠同時發射沖擊樣品。

4.1.3飛彈沖擊測試的樣品

測試標準要求每一款樣品必須至少檢測3個相同的樣品，而且每個樣品都必須通過測試。

4.1.4沖擊測試的沖擊點

在ASTM E1996的規范中，對于三塊玻璃樣品進行大飛彈（Large Missile）沖擊時，每塊樣品上的沖擊點分別位于玻璃的中心和對角線的上角以及對角線的下角。參見圖8。

沖擊范圍：

（1）每個沖擊點的沖擊范圍都在半徑為65 mm的圓周內;

（2）沖擊點在對角線的角部位置時，沖擊點的圓周中心點距離相鄰兩個支撐邊框的距離相等，都是150 mm;

（3）每個沖擊位置沖擊一次，三塊樣品的沖擊位置可以參見圖6。

在ASTM E1996的規范中，對于三塊玻璃樣品進行小飛彈（Small Missile）沖擊時，每塊樣品上的沖擊點參見圖7。

沖擊范圍：

（1）每個沖擊點的沖擊范圍都在半徑為250 mm的圓周內;

（2）沖擊在對角線的角部位置時，沖擊點的圓周中心點距離相鄰兩個支撐邊框的距離相等，都是275 mm;

（3）每塊樣板上都要沖擊三個位置，每個位置沖擊一次，每次沖擊使用10顆鋼珠同時激發。

4.1.5沖擊測試的合格判定

樣品沖擊后玻璃是允許破碎的。沖擊測試的合格或失敗的主要判斷依據是檢查樣品玻璃是否出現有穿透性開裂或開孔。如果出現穿透性裂縫，那么裂縫的長度不能超過130 mm、寬度不能超過1 mm;如果出現穿透性開孔，那么空的直徑不能超過76 mm。型材在沖擊后不能出現裂紋，也不能因為變形而導致五金件發生功能性障礙。

4.2循環風壓測試（Cyclic Wind Load Test）

當樣品在完成并通過飛彈沖擊測試之后，無論樣品是否破碎，都需要繼續進行循環風壓測試。循環風壓的詳細加壓檢測流程參見表4。

4.2.1循環風壓的評估與分析

美國建筑法規規定，所有建筑的設計風壓需要由政府授權的專業工程師（Professional Engineer）依據美國土木工程師學會頒布的ASCE 7中的規定，按照建筑所在地的地形、風速條件、建筑物本身的結構形狀，通過嚴密的結構計算而獲得的。

國內很多沿海城市像美國弗羅里達州一樣，經常遭受臺風襲擊，比如深圳、上海等地區。但由于沒有建立統一的風壓等級要求，為了證明建筑物具有更高的抗風壓性能，建筑師和幕墻顧問都迫切希望了解和參考國外風壓的設計，然后用于國內高等級的建筑外立面的設計中。

這里提供了弗羅里達州建筑法規（2010年版本）中一些設計風壓值，參見表5。

4.2.2循環風壓測試合格判定

在ASTM E1996中規定，樣品在完成所有風壓循環之后，玻璃的開口裂縫尺寸長度不能超過130 mm、寬度不能超過1 mm。

4.3系統設計延展——玻璃膠片的選用

由于飛彈測試的嚴苛程度遠遠超過普通安全性玻璃沖擊測試的難度，同時在飛彈沖擊后還要進行循環風壓測試，所以在設計中玻璃一般都會選用鋼化、半鋼化等組合的夾膠玻璃。目前夾膠玻璃普遍使用的膠片多數是SGP膠片和PVB膠片兩種。

PVB全名為聚乙烯醇縮丁醛，該膠片具有較高的透明性、耐寒性、耐沖擊性、耐紫外輻照性。

SGP全名為離子性中間膜（Sentry Glass Plus），是杜邦公司最早研發的高性能夾層材料。SGP有高強度和剪切模量，力學性能優異。SGP夾層玻璃承載力是等厚度的PVB夾層承載力的2倍;同時，在相等荷載、相等厚度的情況下，SGP夾層玻璃的彎曲撓度只有PVB夾層玻璃的1/4。SGP夾膠膜的撕裂強度時PVB夾膠膜的5倍。

在循環風壓作用下，玻璃本身會隨著風壓的變化作一張一弛的連續往復運動，好像玻璃在呼吸。當玻璃被飛彈沖擊后，玻璃與型材之間的粘結性已經因為沖擊而降低。隨著循環風壓的進行，玻璃的變形會逐漸增大，使得玻璃邊部與型材交接位置處于不停地撕扯狀態，壓強變化越大撕扯就越大。

由于SGP膜具有很高的撕裂強度，即使玻璃破碎，SGP膜還可以粘結碎玻璃形成破壞后的一個臨時結構，其彎曲變形小，還可以承受一定量的荷載而不會整片下墜。因此很多樣品能夠最終通過測試，很大程度上依靠的是SGP膠片的持續支持。

一般情況下，只有依靠沒有完全碎裂的玻璃與SGP膠片的組合，才能最終通過這個目前世界上最嚴苛的颶風測試的考驗。

5.項目案例與分析

5.1項目名稱：某跨國企業亞洲地區總部大樓項目

5.2項目地址：上海

5.3項目背景：

該跨國企業位于上海的亞洲地區總部大樓項目需取得全球知名保險業務FM GLOBAL的保險許可。在FM GLOBAL對該項目評估后，對項目做出了“防損措施建議”，同時在項目規范文件中作了詳細規定：

項目的屋頂外立面必須能夠抵御上海地區51 m/s（113 mph）的三秒陣風風速。項目的屋頂部位外立面須使用防撞擊玻璃或玻璃保護裝置來保護所有窗口，這些玻璃或保護裝置應根據弗羅里達州建筑法規測試應用標準或ASTM E1996和ASTM E1886進行測試，且測試結果符合要求。

5.4測試標準：ASTM E1886-2013a，ASTM E1996-2014a

5.5測試技術評估：

5.5.1測試條件

按照弗羅里達州的颶風區區域劃分，上海地區的51 m/s（113 mph）的三秒陣風風速，接近Wind Zone 1的風速規范要求。這樣，對于ASTM E1996規范要求，須分別進行“飛彈沖擊測試”和“循環颶風測試”。經過評估，兩項測試對應的測試條件如下：

（1）飛彈沖擊測試

按照表3中規定，可以使用“C級”沖擊飛彈進行測試。

（2）循環颶風測試

按照表5中提供的建議，處于Wind Zone 1時外立面的設計風壓可以按照“+28.9 psf / -38.2 psf”進行。經過項目的結構計算，最終決定設計風壓值取“+1840 Pa （38.4 psf） / -1840 Pa （38.4 psf）”。

5.5.2沖擊點位

每種類玻璃，包括固定扇和開啟扇的玻璃，都需要進行沖擊測試，每種玻璃需要進行至少3塊樣品的測試，每塊樣品沖擊一個位置，參見圖10。

5.5.3玻璃配置

開啟扇玻璃：6 + 1.52PVB+6 Low-E + 12A + 8 mm

固定扇玻璃：6 + 1.52PVB+6 Low-E + 12A + 6 mm

5.5.4測試結果判定依據

樣品須能抵擋沖擊，允許出現長度不超過130 mm，寬度不超過1 mm的空氣能通過的縫。沖擊測試和循環風壓測試結束后，不允許出現直徑為76 mm的硬球體可以自由通過的開口。

5.6測試結果報告（見表6、7、8）

5.7測試照片（見下圖）

5.8測試結論

沖擊測試后夾膠玻璃的外層玻璃出現碎裂，但是內層玻璃沒有碎裂。經過飛彈沖擊測試和循環風壓測試，沒有出現玻璃穿透開口，因此判定為合格。

6.結束語

美國弗羅里達州的建筑法規明確規定外立面材料與系統結構必須通過颶風測試后方能在建筑工程項目上使用，這樣的規定使得當地很多建筑能夠經受嚴酷颶風的襲擊而屹立不倒。

隨著我國“一帶一路”戰略目標的推廣，我國建筑商將有更多機會參與美國弗羅里達州、加勒比海地區國家、太平洋島國等地區的工程項目，這樣我們國內的建材廠商也將直面這些最高等級和要求的挑戰。

除此之外，隨著國內“長三角一體化”、 “大灣區”建設的逐步推進，上海、深圳作為兩個地區的龍頭必將迎來新的建設高潮。提高工程要求、采用更高性能的材料抵御超強臺風的襲擊必然成為大勢所趨，美國颶風測試將為建筑大咖們提供很大幫助和借鑒。

參考文獻

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[2]2012 International Building Code （IBC） and International Residential Code （IRC）

[3]ASTM E1886-2013a Standard Test Method for Performance of Exterior Windows， Curtain Walls， Doors， and Impact Protective Systems Impacted by Missile（s） and Exposed to Cyclic Pressure Differentials

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[8]Revisions to ASCE-10， authored by Joe Reed， PE， Architectural Testing Inc.

[9]Wind Speed， Risk Categories and Wind-Borne Debris Protecting Your Openings， authored by Christopher Armstrong， Assoc. AIA， LEED APBD+C

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