包善仲

【摘要】本文通過(guò)對(duì)美國(guó)弗羅里達(dá)州建筑法規(guī)中有關(guān)颶風(fēng)測(cè)試以及其在上海實(shí)際案例中應(yīng)用的介紹，為建筑師、幕墻顧問(wèn)、幕墻制造商在進(jìn)行幕墻工程設(shè)計(jì)時(shí)提供一些建議和幫助，從而使建筑物能夠有效抵御臺(tái)風(fēng)的襲擊，讓建筑物的質(zhì)量躍升到更高的臺(tái)階。

【關(guān)鍵詞】颶風(fēng)測(cè)試;飛彈沖擊測(cè)試;循環(huán)風(fēng)壓測(cè)試

1.前言

眾所周知，中國(guó)沿海地區(qū)是經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)的區(qū)域，但是每年夏秋兩季，都會(huì)遭受強(qiáng)大的臺(tái)風(fēng)破壞。特別是近幾年，超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)的數(shù)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(wú)一不是在給當(dāng)?shù)貛?lái)史無(wú)前例的風(fēng)雨之外，還造成許多建筑物的損毀。

不僅僅是中國(guó)，放眼世界，臺(tái)風(fēng)、颶風(fēng)同樣給世界各國(guó)帶來(lái)巨大的破壞和災(zāi)難。在美國(guó)弗羅里達(dá)州及墨西哥灣沿岸、加勒比海地區(qū)、太平洋沿岸地區(qū)，每年夏季、秋季也都會(huì)與具有超強(qiáng)破壞力的颶風(fēng)不期而遇。

既然臺(tái)風(fēng)和颶風(fēng)等惡劣的自然天氣是無(wú)法避免的，那么如何有效防控建筑物遭受臺(tái)風(fēng)和颶風(fēng)的破壞就是擺在廣大建筑師、幕墻顧問(wèn)、幕墻制造商面前無(wú)法回避的考題。本文通過(guò)對(duì)美國(guó)弗羅里達(dá)州建筑法規(guī)中有關(guān)颶風(fēng)測(cè)試的介紹以及其在上海的實(shí)際案例應(yīng)用，給中國(guó)的建筑師、幕墻顧問(wèn)、幕墻制造商們?cè)诠こ淘O(shè)計(jì)中提供一些建議和幫助，力圖幫助中國(guó)的建筑設(shè)計(jì)整體水平和質(zhì)量能夠躍升到更高的臺(tái)階。

2.美國(guó)颶風(fēng)區(qū)的颶風(fēng)測(cè)試

根據(jù)美國(guó)土木工程師學(xué)會(huì)American Society of Civil Engineers（ASCE 7）的要求，將處于高速颶風(fēng)區(qū)（High Velocity Hurricane Zone，以下簡(jiǎn)稱HVHZ）的各個(gè)地區(qū)，按照不同的基本風(fēng)速（Basic Wind Load）的分布，劃分為四類區(qū)域，分別是Wind Zone 1、Wind Zone 2、Wind Zone 3、Wind Zone 4，詳見表1。這里所說(shuō)的基本風(fēng)速（Basic Wind Load）是指“3s陣風(fēng)風(fēng)速“（V3s）。

按照建筑法規(guī)的要求，凡是在這些區(qū)域建造的外立面系統(tǒng)，包括玻璃門和外窗系統(tǒng)、建筑玻璃幕墻系統(tǒng)，都要按照ASTM E1996的要求進(jìn)行颶風(fēng)測(cè)試，包括“飛彈沖擊測(cè)試注2”與“循環(huán)風(fēng)壓測(cè)試”，然后評(píng)估這些外立面是否能夠有效抵御颶風(fēng)的破壞。

注 2：“飛彈沖擊測(cè)試”在ASTM E1996標(biāo)準(zhǔn)中被定義為Missile Impact Test，是模擬颶風(fēng)天氣中由颶風(fēng)攜帶的碎物（Wind-borne Debris in Hurricane）沖擊建筑外立面的檢測(cè)方法。在國(guó)內(nèi)也將其直譯為“抗風(fēng)攜碎物沖擊”，參見《GB/T 29738-2013 建筑幕墻和門窗抗風(fēng)攜碎物沖擊性能分級(jí)及檢測(cè)方法》，而該中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)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(duì)外立面進(jìn)一步進(jìn)行“循環(huán)風(fēng)壓”的測(cè)試。這是因?yàn)槠茐某藖?lái)自颶風(fēng)所攜帶的碎物沖擊之外，還有高風(fēng)速颶風(fēng)帶來(lái)的強(qiáng)大風(fēng)壓。為了更好地模擬這種綜合性破壞，科學(xué)家們?cè)O(shè)計(jì)出了“飛彈沖擊測(cè)試”與“循環(huán)風(fēng)壓測(cè)試”的檢測(cè)方法和要求。

3.颶風(fēng)風(fēng)壓對(duì)外立面破壞的技術(shù)原理

通常的建筑物外立面在計(jì)算設(shè)計(jì)風(fēng)壓時(shí)主要考慮迎風(fēng)面和側(cè)風(fēng)面的風(fēng)壓影響。

3.1建筑外立面的迎風(fēng)面所遭受的風(fēng)壓和風(fēng)流方向，可參見圖1。

3.2建筑外立面的側(cè)風(fēng)面所遭受的風(fēng)壓和風(fēng)流方向，可參見圖2。

由于墻體本身是完整的，其材料的抗風(fēng)壓強(qiáng)度可以通過(guò)一定的結(jié)構(gòu)計(jì)算而模擬得出，然后可以進(jìn)一步計(jì)算出抵御該風(fēng)壓壓強(qiáng)所需墻體的材料、連接件等的強(qiáng)度需求，以證明整個(gè)建筑外立面系統(tǒng)具有足夠的抗風(fēng)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(fēng)就可以通過(guò)裂紋和破洞進(jìn)入建筑物內(nèi)部，從而直接對(duì)建筑物的側(cè)墻和背墻進(jìn)行沖擊。這樣產(chǎn)生的風(fēng)壓形式可以參見圖 3。

當(dāng)建筑物迎風(fēng)面墻體破損后，颶風(fēng)直接進(jìn)入建筑物內(nèi)部，使得原先內(nèi)外壓強(qiáng)平衡的狀態(tài)被打破，造成墻體的膨脹性破壞作用，參見圖4。當(dāng)建筑物外立面背風(fēng)面和側(cè)風(fēng)面墻體遭到破壞后，內(nèi)外壓強(qiáng)平衡被打破，內(nèi)部氣壓從破洞處突然釋放，從而造成內(nèi)部壓強(qiáng)降低，繼而造成墻體的壓縮性破壞作用，參見圖5。

據(jù)此，在實(shí)際檢測(cè)中需要模擬對(duì)建筑外立面造成兩種破壞后，其外立面仍然具有穩(wěn)定抵御高強(qiáng)度的颶風(fēng)風(fēng)壓的性能。

4.美國(guó)颶風(fēng)測(cè)試的技術(shù)要求與規(guī)范

美國(guó)颶風(fēng)測(cè)試的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)是ASTM E1996和ASTM E1886。颶風(fēng)測(cè)試主要分為兩部分，分別是飛彈沖擊測(cè)試（Missile Impact Test）和循環(huán)風(fēng)壓測(cè)試（Cyclic Wind Load Test）。

4.1飛彈沖擊測(cè)試（Missile Impact Test）

4.1.1沖擊飛彈等級(jí)

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(gè)種類。其中小飛彈被定義為A級(jí);而大飛彈根據(jù)其自身的尺寸和質(zhì)量不同，分為B級(jí)、C級(jí)、D級(jí)和E級(jí)。

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

各種沖擊飛彈的等級(jí)及對(duì)應(yīng)的尺寸、質(zhì)量和測(cè)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(hào)及以上等級(jí)“的美國(guó)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(nèi)不能有木節(jié)、開裂、細(xì)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(jìn)行測(cè)試。每次沖擊時(shí)使用10顆鋼珠同時(shí)發(fā)射沖擊樣品。

4.1.3飛彈沖擊測(cè)試的樣品

測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)要求每一款樣品必須至少檢測(cè)3個(gè)相同的樣品，而且每個(gè)樣品都必須通過(guò)測(cè)試。

4.1.4沖擊測(cè)試的沖擊點(diǎn)

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

沖擊范圍：

（1）每個(gè)沖擊點(diǎn)的沖擊范圍都在半徑為65 mm的圓周內(nèi);

（2）沖擊點(diǎn)在對(duì)角線的角部位置時(shí)，沖擊點(diǎn)的圓周中心點(diǎn)距離相鄰兩個(gè)支撐邊框的距離相等，都是150 mm;

（3）每個(gè)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(guī)范中，對(duì)于三塊玻璃樣品進(jìn)行小飛彈（Small Missile）沖擊時(shí)，每塊樣品上的沖擊點(diǎn)參見圖7。

沖擊范圍：

（1）每個(gè)沖擊點(diǎn)的沖擊范圍都在半徑為250 mm的圓周內(nèi);

（2）沖擊在對(duì)角線的角部位置時(shí)，沖擊點(diǎn)的圓周中心點(diǎn)距離相鄰兩個(gè)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(gè)位置，每個(gè)位置沖擊一次，每次沖擊使用10顆鋼珠同時(shí)激發(fā)。

4.1.5沖擊測(cè)試的合格判定

樣品沖擊后玻璃是允許破碎的。沖擊測(cè)試的合格或失敗的主要判斷依據(jù)是檢查樣品玻璃是否出現(xiàn)有穿透性開裂或開孔。如果出現(xiàn)穿透性裂縫，那么裂縫的長(zhǎng)度不能超過(guò)130 mm、寬度不能超過(guò)1 mm;如果出現(xiàn)穿透性開孔，那么空的直徑不能超過(guò)76 mm。型材在沖擊后不能出現(xiàn)裂紋，也不能因?yàn)樽冃味鴮?dǎo)致五金件發(fā)生功能性障礙。

4.2循環(huán)風(fēng)壓測(cè)試（Cyclic Wind Load Test）

當(dāng)樣品在完成并通過(guò)飛彈沖擊測(cè)試之后，無(wú)論樣品是否破碎，都需要繼續(xù)進(jìn)行循環(huán)風(fēng)壓測(cè)試。循環(huán)風(fēng)壓的詳細(xì)加壓檢測(cè)流程參見表4。

4.2.1循環(huán)風(fēng)壓的評(píng)估與分析

美國(guó)建筑法規(guī)規(guī)定，所有建筑的設(shè)計(jì)風(fēng)壓需要由政府授權(quán)的專業(yè)工程師（Professional Engineer）依據(jù)美國(guó)土木工程師學(xué)會(huì)頒布的ASCE 7中的規(guī)定，按照建筑所在地的地形、風(fēng)速條件、建筑物本身的結(jié)構(gòu)形狀，通過(guò)嚴(yán)密的結(jié)構(gòu)計(jì)算而獲得的。

國(guó)內(nèi)很多沿海城市像美國(guó)弗羅里達(dá)州一樣，經(jīng)常遭受臺(tái)風(fēng)襲擊，比如深圳、上海等地區(qū)。但由于沒(méi)有建立統(tǒng)一的風(fēng)壓等級(jí)要求，為了證明建筑物具有更高的抗風(fēng)壓性能，建筑師和幕墻顧問(wèn)都迫切希望了解和參考國(guó)外風(fēng)壓的設(shè)計(jì)，然后用于國(guó)內(nèi)高等級(jí)的建筑外立面的設(shè)計(jì)中。

這里提供了弗羅里達(dá)州建筑法規(guī)（2010年版本）中一些設(shè)計(jì)風(fēng)壓值，參見表5。

4.2.2循環(huán)風(fēng)壓測(cè)試合格判定

在ASTM E1996中規(guī)定，樣品在完成所有風(fēng)壓循環(huán)之后，玻璃的開口裂縫尺寸長(zhǎng)度不能超過(guò)130 mm、寬度不能超過(guò)1 mm。

4.3系統(tǒng)設(shè)計(jì)延展——玻璃膠片的選用

由于飛彈測(cè)試的嚴(yán)苛程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)普通安全性玻璃沖擊測(cè)試的難度，同時(shí)在飛彈沖擊后還要進(jìn)行循環(huán)風(fēng)壓測(cè)試，所以在設(shè)計(jì)中玻璃一般都會(huì)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(shù)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(fā)的高性能夾層材料。SGP有高強(qiáng)度和剪切模量，力學(xué)性能優(yōu)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(shí)，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(qiáng)度時(shí)PVB夾膠膜的5倍。

在循環(huán)風(fēng)壓作用下，玻璃本身會(huì)隨著風(fēng)壓的變化作一張一弛的連續(xù)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，好像玻璃在呼吸。當(dāng)玻璃被飛彈沖擊后，玻璃與型材之間的粘結(jié)性已經(jīng)因?yàn)闆_擊而降低。隨著循環(huán)風(fēng)壓的進(jìn)行，玻璃的變形會(huì)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(tài)，壓強(qiáng)變化越大撕扯就越大。

由于SGP膜具有很高的撕裂強(qiáng)度，即使玻璃破碎，SGP膜還可以粘結(jié)碎玻璃形成破壞后的一個(gè)臨時(shí)結(jié)構(gòu)，其彎曲變形小，還可以承受一定量的荷載而不會(huì)整片下墜。因此很多樣品能夠最終通過(guò)測(cè)試，很大程度上依靠的是SGP膠片的持續(xù)支持。

一般情況下，只有依靠沒(méi)有完全碎裂的玻璃與SGP膠片的組合，才能最終通過(guò)這個(gè)目前世界上最嚴(yán)苛的颶風(fēng)測(cè)試的考驗(yàn)。

5.項(xiàng)目案例與分析

5.1項(xiàng)目名稱：某跨國(guó)企業(yè)亞洲地區(qū)總部大樓項(xiàng)目

5.2項(xiàng)目地址：上海

5.3項(xiàng)目背景：

該跨國(guó)企業(yè)位于上海的亞洲地區(qū)總部大樓項(xiàng)目需取得全球知名保險(xiǎn)業(yè)務(wù)FM GLOBAL的保險(xiǎn)許可。在FM GLOBAL對(duì)該項(xiàng)目評(píng)估后，對(duì)項(xiàng)目做出了“防損措施建議”，同時(shí)在項(xiàng)目規(guī)范文件中作了詳細(xì)規(guī)定：

項(xiàng)目的屋頂外立面必須能夠抵御上海地區(qū)51 m/s（113 mph）的三秒陣風(fēng)風(fēng)速。項(xiàng)目的屋頂部位外立面須使用防撞擊玻璃或玻璃保護(hù)裝置來(lái)保護(hù)所有窗口，這些玻璃或保護(hù)裝置應(yīng)根據(jù)弗羅里達(dá)州建筑法規(guī)測(cè)試應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)或ASTM E1996和ASTM E1886進(jìn)行測(cè)試，且測(cè)試結(jié)果符合要求。

5.4測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)：ASTM E1886-2013a，ASTM E1996-2014a

5.5測(cè)試技術(shù)評(píng)估：

5.5.1測(cè)試條件

按照弗羅里達(dá)州的颶風(fēng)區(qū)區(qū)域劃分，上海地區(qū)的51 m/s（113 mph）的三秒陣風(fēng)風(fēng)速，接近Wind Zone 1的風(fēng)速規(guī)范要求。這樣，對(duì)于ASTM E1996規(guī)范要求，須分別進(jìn)行“飛彈沖擊測(cè)試”和“循環(huán)颶風(fēng)測(cè)試”。經(jīng)過(guò)評(píng)估，兩項(xiàng)測(cè)試對(duì)應(yīng)的測(cè)試條件如下：

（1）飛彈沖擊測(cè)試

按照表3中規(guī)定，可以使用“C級(jí)”沖擊飛彈進(jìn)行測(cè)試。

（2）循環(huán)颶風(fēng)測(cè)試

按照表5中提供的建議，處于Wind Zone 1時(shí)外立面的設(shè)計(jì)風(fēng)壓可以按照“+28.9 psf / -38.2 psf”進(jìn)行。經(jīng)過(guò)項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)計(jì)算，最終決定設(shè)計(jì)風(fēng)壓值取“+1840 Pa （38.4 psf） / -1840 Pa （38.4 psf）”。

5.5.2沖擊點(diǎn)位

每種類玻璃，包括固定扇和開啟扇的玻璃，都需要進(jìn)行沖擊測(cè)試，每種玻璃需要進(jìn)行至少3塊樣品的測(cè)試，每塊樣品沖擊一個(gè)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(cè)試結(jié)果判定依據(jù)

樣品須能抵擋沖擊，允許出現(xiàn)長(zhǎng)度不超過(guò)130 mm，寬度不超過(guò)1 mm的空氣能通過(guò)的縫。沖擊測(cè)試和循環(huán)風(fēng)壓測(cè)試結(jié)束后，不允許出現(xiàn)直徑為76 mm的硬球體可以自由通過(guò)的開口。

5.6測(cè)試結(jié)果報(bào)告（見表6、7、8）

5.7測(cè)試照片（見下圖）

5.8測(cè)試結(jié)論

沖擊測(cè)試后夾膠玻璃的外層玻璃出現(xiàn)碎裂，但是內(nèi)層玻璃沒(méi)有碎裂。經(jīng)過(guò)飛彈沖擊測(cè)試和循環(huán)風(fēng)壓測(cè)試，沒(méi)有出現(xiàn)玻璃穿透開口，因此判定為合格。

6.結(jié)束語(yǔ)

美國(guó)弗羅里達(dá)州的建筑法規(guī)明確規(guī)定外立面材料與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)必須通過(guò)颶風(fēng)測(cè)試后方能在建筑工程項(xiàng)目上使用，這樣的規(guī)定使得當(dāng)?shù)睾芏嘟ㄖ軌蚪?jīng)受嚴(yán)酷颶風(fēng)的襲擊而屹立不倒。

隨著我國(guó)“一帶一路”戰(zhàn)略目標(biāo)的推廣，我國(guó)建筑商將有更多機(jī)會(huì)參與美國(guó)弗羅里達(dá)州、加勒比海地區(qū)國(guó)家、太平洋島國(guó)等地區(qū)的工程項(xiàng)目，這樣我們國(guó)內(nèi)的建材廠商也將直面這些最高等級(jí)和要求的挑戰(zhàn)。

除此之外，隨著國(guó)內(nèi)“長(zhǎng)三角一體化”、 “大灣區(qū)”建設(shè)的逐步推進(jìn)，上海、深圳作為兩個(gè)地區(qū)的龍頭必將迎來(lái)新的建設(shè)高潮。提高工程要求、采用更高性能的材料抵御超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)的襲擊必然成為大勢(shì)所趨，美國(guó)颶風(fēng)測(cè)試將為建筑大咖們提供很大幫助和借鑒。

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