紅外熱成像技術在玻璃幕墻建筑檢查中的應用

王建勇

（墻管家建筑科技(上海)有限公司，上海 200241）

0 引言

近年來，因玻璃幕墻引起的高墜事故常有發生，玻璃幕墻使用量較大的大型城市紛紛加強了安全管理。根據上海市2012 年出臺的《上海市建筑玻璃幕墻管理辦法》（滬府令77 號）的第二十條（定期檢查）要求，業主應當委托原施工單位或者其他有玻璃幕墻施工資質的單位按照其要求定期進行幕墻檢查。但基于幕墻檢查技術的局限性，大部分幕墻檢查都以人工表面目測和觸碰為主、少量簡單的儀器檢測為輔，對一些無損檢查技術的應用很有限。本文以既有玻璃幕墻實際應用案例為研究對象，分析和論證紅外熱成像技術在既有玻璃幕墻檢查中的應用可行性，為既有玻璃幕墻的無損檢查提供相應的技術措施。

1 既有玻璃幕墻無損檢查存在的問題和內容

1.1 玻璃幕墻檢查的現狀和問題

因玻璃幕墻是建筑類中一個專業類型，在國內的一、二線城市最為集中。早些年物業管理單位對既有玻璃幕墻的安全管理不太重視，但前些年頻頻發生因既有建筑玻璃幕墻玻璃自爆、裝飾構件及開啟窗脫落等引發的高墜安全事故，造成了一定的人員傷亡和財產損失，故逐漸引起各管理部門和業主、物業管理單位的重視，并出臺了相應的管理條例和行業規范，使既有玻璃幕墻檢查也有了一定的市場需求。但既有玻璃幕墻構造類型較多，關鍵結構連接構造又是隱蔽工程，檢查作業時，也不可能盡數拆除幕墻面板去檢查結構連接件及內部存在的安全隱患，加上行業內相應的無損檢查儀器也較少，故對既有玻璃幕墻的檢查不夠全面，因此大部分的檢查工作以人工目測觀察為主，效率低，準確率不高。

1.2 幕墻隱患檢查內容

根據幕墻檢查相應規范要求，對幕墻面板、外露裝飾構件、結構連接件、結構膠、密封膠、開啟窗五金件、滲漏水部分還有節能、防火等方面進行檢查。目前，對幕墻面板、外露裝飾構件、密封膠等可見隱患都以人工目測為主。經過多年的發展，行業內也陸續應用光彈掃描、應力檢測和紅外熱成像技術等進行無損檢查，且取得了一定的效果。本文對紅外熱成像儀應用于玻璃幕墻無損檢查進行了研究和探索。

2 紅外熱成像技術

紅外熱成像是基于溫度高于絕對零度（-273.15 ℃）時任何物體都依據溫度的不同對外發射電磁波輻射的物理現象而產生的。物體表面與其輻射強度和光譜之間存在明顯相關性，紅外光被分為近紅外、中紅外和遠紅外3 個波段，近紅外、中紅外和遠紅外的波長范圍分別為2.5～0.7 μm、25～2.5 μm 和500～25 μm。紅外熱成像能通過紅外敏感電荷耦合元件（charge-coupled device,CCD，可以稱為CCD 圖像傳感器）采集。CCD 是一種半導體器件，能夠把光學影像轉化為數字信號。對物體進行紅外熱成像，可反映出物體表面的溫度場。物體間的熱傳遞模式有傳導、對流和輻射3 種方式，而熱傳導就是通過分子與分子間相互碰撞而引起的將熱能從一個分子轉移到另一個分子的直接傳遞形式，它是固體內發生熱傳遞的唯一形式。紅外熱成像技術優勢如下：一是非接觸性，可以在較遠的距離上實施；二是響應速度快；三是測量實現多點化；四是溫度的取值領域較寬，精確度高。紅外熱成像的依據是物體的熱傳導物理特性[1]，熱傳導率公式如下：

根據各種材料導熱系數的不同，在外部同樣環境下，通過紅外熱成像能探測到不同材質在熱傳導過程中溫度差的二維影像，根據其物理特性，可對采集到的紅外熱成像數據通過一些專業軟件進行分析。紅外線熱成像技術在軍事、醫療、航天科技、建筑、科學研究和日常生活等各個領域都得到了非常廣泛的應用[2]。

3 紅外熱成像技術在玻璃幕墻檢查中的應用

3.1 項目概況

根據滬府令77 號的相關要求，上海市某玻璃幕墻檢查項目委托具有相關資質的幕墻單位墻管家進行既有玻璃幕墻檢查。該項目建筑竣工于2004 年，建成使用已近20 年，建筑面積約8 800 m2，采用了隱框構造式玻璃幕墻，面板為6 mm+1.14 mmPVB+6 mm（第一塊玻璃面板厚度+聚乙烯醇縮丁醛膠片（polyvinyl butyral，PVB）厚度+第二塊玻璃面板厚度）的夾層玻璃。本次檢查采用了紅外熱成像技術，并根據其特性在節能、滲漏水、防火和構造等方面進行了應用，分析總結了該技術在玻璃幕墻無損檢查中的應用。

3.2 紅外熱成像在玻璃幕墻滲漏水檢查中的應用

3.2.1 既有玻璃幕墻檢查滲漏水條件

既有玻璃幕墻在滲漏水方面的缺陷十分普遍，大部分建筑或多或少都存在滲漏水的現象，一部分是建筑結構缺陷造成的滲漏水，另一部分是因幕墻面板密封膠破損開裂造成的滲漏水。建筑滲漏水一般滿足3個條件：一要有積水；二要有孔隙；三要有壓力差。按照熱傳導原理，有積水的地方就會與周圍材質產生熱梯度差。如果積水在鋁型材內部，肉眼是看不見的，用常規的檢查方法顯然無法檢查，但是通過紅外熱成像儀可以采集到材質的紅外輻射溫差信息，就能清晰檢測出積水的分布區域。這種無損探測技術方便實用，而且能準確顯示積水的分布情況。但想要讓紅外熱成像檢查達到最佳效果，也需要一定的條件。實際經驗表明，一般雨后24 h 的晴天最佳，因雨水在漏水位置形成一定的積水后，積壓在構件內部，雨停后溫度升高，無積水區域材質吸收太陽光及環境熱量，與積水區的溫差較大，這時通過紅外熱成像儀進行檢測，溫度成像反差明顯，極易分辨和確認積水位置，見圖1。如果雨后天晴時間太長，積壓的水分被全部蒸發掉，則無法與周圍構件形成溫差，此時再用紅外熱成像儀去檢查則無任何效果。

圖1 雨棚頂滲漏水紅外照片及雨棚頂可見光照片（Fig.1 Infrared and visible light comparison diagram of water leakage on the roof of rain shed）

3.2.2 幕墻頂部滲漏紅外檢查

幕墻頂部結構密封不好或清洗維修時放作業繩索壓壞鋁板間密封膠也是造成幕墻滲漏水的常見原因之一。一般在雨過天晴后1 d 進行紅外熱成像檢查可明顯發現積水位置?？梢暪庹掌伾床钶^小，不易發現積水區域，如圖2 所示。而在紅外熱成像儀的紅外照片下則通過高反差顏色標識，積水區域一覽無遺，如圖3 所示。在積水區與幕墻的滲漏處找滲水孔隙位置，就能找到缺陷源頭，以便采取針對性的措施解決源頭問題。

圖2 幕墻封頂處滲漏水可見光照片（Fig.2 Visible light diagram of leakage at the top of curtain wall）

圖3 幕墻封頂處滲漏水紅外熱成像照片（Fig.3 Infrared thermal imaging diagram of water leakage at the top of curtain wall）

3.2.3 幕墻立面室內頂部滲漏紅外檢查

本項目對玻璃幕墻的立面也進行了滲漏檢查。因立面的滲水往往順著面板和構件破損開裂的密封膠滲漏進室內，雨水通過豎向構件會瞬間向低處和內部擴散，不能形成積水條件，并且紅外光波也不能穿透玻璃和鋁型材等材質，因此紅外熱成像儀無法探測到內部積水形成的溫差，在立面上用紅外檢查基本上沒有任何效果。但如果雨水滲漏進室內側，浸入石膏板吊頂和墻面涂料等材質內部，浸了水的石膏板與未浸水的石膏板形成一定的溫差，浸水處的溫度相對低，因此在室內用手持紅外熱成像儀也很容易發現滲水點，而可見光看不到任何水漬，如圖4 所示。從室內反向找滲漏點，采取相應的補漏措施，效果也非常好。

圖4 幕墻室內側吊頂部位滲漏水紅外熱成像及可見光照片（Fig.4 Infrared thermal imaging photo&visible light photo of water leakage at the indoor side ceiling of the curtain wall）

以上案例中紅外熱成像儀的搭載為手持式或無人機搭載，無人機搭載具有靈活方便，可隨時調整合適角度的優點，而手持式搭載在掃描高度較大的建筑時，由于俯仰角過大，不易達到最好成像效果，因此應根據現場情況采取不同檢查方式。通過以上項目的應用分析可知，紅外熱成像儀用于幕墻滲漏的檢查有一定效果，但受局限性也較大，只適用于積水明顯的地方，對于整體幕墻立面不能達到預期目的。

3.3 紅外熱成像在既有幕墻節能方面的應用

項目幕墻面板采用的是6 mm+1.14 mmPVB+6 mm的夾層玻璃，不具有節能保溫性能。本次檢查正好是7月份，室外溫度約為35 ℃，室內開中央空調，溫度約為25 ℃，室內外溫差約為10 ℃。因為夾層玻璃不具備保溫性能，根據固體熱傳導原理，室內的冷氣直接通過夾層玻璃面板傳出室外，利用紅外熱成像儀檢查時，圖像呈現出不同顏色，橙色代表溫度高，藍色則代表溫度低，其紅外熱成像照片見圖5。由圖5 可以明顯看到玻璃幕墻面板呈藍色，由此可判斷室內的冷氣溫度直接通過玻璃面板傳導至表面，從而可以得出其熱傳導性較好，保溫節能性較差。

圖5 玻璃面板節能性能紅外熱成像照片（Fig.5 Infrared thermal imaging photos of energy-saving performance of glass panels）

3.4 紅外熱成像在既有玻璃幕墻層間防火檢查方面的應用

根據DG/TJ 08-56—2019 《建筑幕墻工程技術標準》第7.2.1 節要求：玻璃幕墻與樓層邊沿實體墻上、下縫隙的防火封堵應采用厚度不小于200 mm 的巖棉、礦棉等耐高溫、不燃材料填充密實，以厚度不小于1.5 mm的鍍鋅鋼板為承托板并與相對應的幕墻橫梁連接封堵，封堵材料不得與玻璃接觸。而本項目在層間部位的紅外熱成像圖片上呈明顯橙色，說明其溫度較其他部分高很多，這是因為夾層玻璃不保溫，使室外面較高的溫度通過玻璃材質的熱傳導直接傳至混凝土梁上而被吸收，呈現圖6 玻璃面板上半部分所示橙色，表明上半部分溫度較高，因此可以判斷層間部分沒有保溫層或防火巖棉，不符合現行規范要求。

圖6 玻璃面板層間防火性能紅外熱成像示意圖（Fig.6 Infrared thermal imaging photo of energy-saving performance of glass panel interlayer fire resistance diagram of infrared thermal imaging）

3.5 紅外熱成像在既有玻璃幕墻構造檢查方面的應用

根據DG/TJ 08-56—2019 《建筑幕墻工程技術標準》第10.6.6 節要求：隱框或橫隱豎明半隱框玻璃幕墻每塊玻璃的下端應設置不少于2 個鋁合金或不銹鋼承托條，托條與幕墻支承構件應采用機械連接。在本次無人機載紅外熱成像云臺對幕墻的檢查中，通過紅外熱成像照片能清晰看到每個玻璃板塊橫隱密封膠部位設置的金屬托塊。因金屬托塊被密封膠遮蓋，從現場人工目測檢查和可視照片上基本看不出有無，但通過紅外熱成像的原理，硅酮密封膠與鋁質金屬托塊的熱傳導性能不同，鋁材的導熱系數為160 W/（m·K），硅酮密封膠的導熱系數為0.35 W/（m·K），室外的熱量分別被2 種材質吸收，導熱系數大的鋁材吸收的熱量比密封膠大得多，二者之間形成了對比強烈的溫差，因此在紅外熱成像的照片中，顏色反差非常明顯（見圖7），說明紅外熱成像技術是效果較好的非接觸式無損檢測方法。

圖7 幕墻構造紅外熱成像檢查示意圖（Fig.7 Curtain wall structure infrared thermal imaging inspection diagram）

4 結語

本次既有幕墻檢查項目驗證了紅外熱成像儀具有效率高、效果好、距探測目標距離遠、搭載平臺靈活、對幕墻非接觸無損等優點。經過項目現場測試得出，紅外熱成像儀對既有玻璃幕墻的部分構件滲漏水、面板的節能性能、層間防火及節能、隱框及橫隱的半隱框構造等項目的隱患檢查具有較明顯的效果。

在檢查過程中要取得較高的測量精度，還需要注意如下幾點：

（1） 使用紅外熱成像探測時要進行光學調焦，只有對焦準確，圖像才足夠清晰，測量的溫度才較為準確。

（2） 被測目標要明顯置于紅外熱成像儀的視場內，離探測的目標點距離要合適，如距離太遠，測溫準確性會受到影響。

（3） 要設定好合適的溫度區間，溫度區間設置太寬，測量精度會降低。

（4） 注意紅外探測角度，最佳掃描角約為300°～800°。

（5） 注意區分被測目標物體受環境、反射和輻射等各種因素的影響。

由測試案例可見，利用紅外熱成像技術進行既有玻璃幕墻隱患檢查確實是一種高效率的無損檢查方法，雖然需滿足一定條件，具有局限性，但是作為一種非接觸式的無損檢查方法，能采用手持或搭載無人機等機動方式，對一些達到條件的檢查項目具有不可替代的效果，值得深入研究和推廣。