本篇文章內(nèi)容由[中國幕墻網(wǎng)m.fyvid.com]編輯部整理發(fā)布：
[前言] 我國是玻璃幕墻建造大國和使用大國，現(xiàn)有大量玻璃幕墻在作為建筑外圍護結(jié)構(gòu)在使用。我國玻璃幕墻的設(shè)計、生產(chǎn)、安裝、檢測、維護都基本成熟，但每年仍有玻璃幕墻事故發(fā)生，危害人民群眾的財產(chǎn)和人身安全，其中，開啟窗的墜落事故比例較高。本文擬從開啟窗的設(shè)計入手，探尋開啟窗系統(tǒng)設(shè)計存在的問題和解決方法。
[關(guān)鍵詞] 開啟窗 防墜落 開啟窗設(shè)計
玻璃幕墻從上世紀80年代開始進入我國，經(jīng)過了幾十年的發(fā)展，目前我國已經(jīng)是全球最大的玻璃幕墻生產(chǎn)國和消費國。人們在感受玻璃幕墻帶來的輕盈、通透的感受時，也對玻璃幕墻產(chǎn)生的一系列安全問題提出質(zhì)疑。住房城鄉(xiāng)建設(shè)部、安全監(jiān)管總局于2015年3月4日聯(lián)合發(fā)布《住房城鄉(xiāng)建設(shè)部國家安全監(jiān)管總局關(guān)于進一步加強玻璃幕墻安全防護工作的通知》{建標(biāo)〔2015〕38號}限制了玻璃幕墻的使用范圍，幕墻產(chǎn)業(yè)也是在不斷的改進和升級中持續(xù)發(fā)展。
從目前對完工的玻璃幕墻工程項目檢查情況看，玻璃幕墻的問題主要集中在幕墻的頂部、底部、邊部、收口轉(zhuǎn)角位置、外挑裝飾構(gòu)件和開啟窗等部位。而大面積的固定玻璃幕墻出現(xiàn)問題的比較少。本文擬對玻璃幕墻的開啟窗從設(shè)計角度進行分析，并希望通過設(shè)計的前期控制，盡量避免和減少玻璃幕墻開啟窗的安全隱患，促進玻璃幕墻的創(chuàng)新和升級，促使幕墻行業(yè)向高質(zhì)量的發(fā)展邁進。
一、 玻璃幕墻開啟窗的現(xiàn)狀
玻璃幕墻的開啟窗是幕墻體系中重要的組成部分，幕墻體系的通風(fēng)、排煙都通過開啟窗實現(xiàn)。而且，幕墻開啟窗是幕墻體系中可以活動的機構(gòu)，對幕墻產(chǎn)品的加工，裝配要求更高。由于開啟窗體系的復(fù)雜性，在幕墻的空氣滲透（詞條“空氣滲透”由行業(yè)大百科提供）性能和雨水滲透性（詞條“滲透性”由行業(yè)大百科提供）能指標(biāo)值上，幕墻開啟窗的指標(biāo)會低于同等級別的固定幕墻。
幕墻系統(tǒng)作為建筑的圍護系統(tǒng)，在使用過程中幕墻開啟窗經(jīng)常需要啟閉，因此，出現(xiàn)問題也比較多。幕墻開啟窗出現(xiàn)的問題是多種多樣的。比如，漏風(fēng)、滲水，開啟關(guān)閉不順暢，甚至開啟窗的五金件失效。比較嚴重的情況是出現(xiàn)開啟窗配件脫落甚至整窗脫落。在極端天氣情況下，出現(xiàn)的問題尤其突出。
產(chǎn)生問題的原因是多種多樣的，比如，開啟窗膠條的選擇會影響開啟窗的密封性能;開啟窗合頁或者四連桿及風(fēng)撐等五金配件的選擇會影響開啟窗的啟閉是否順暢;開啟窗的鎖具（詞條“鎖具”由行業(yè)大百科提供）會影響開啟窗是否啟閉方便。而開啟窗的型材是開啟窗的支撐構(gòu)件，型材的選擇決定了開啟窗的抗變形性能、強度性能。從而影響開啟窗的密封性能、抗風(fēng)壓（詞條“風(fēng)壓”由行業(yè)大百科提供）性能和使用安全性能。開啟型材與五金的合理搭配，也會很大程度影響開啟窗的性能。
目前從設(shè)計階段看，開啟窗作為幕墻體系中重要的活動部分，其強度計算是按照關(guān)閉狀態(tài)下考慮的。不僅缺少對開啟窗在開啟狀態(tài)下的受力分析，而且關(guān)閉狀態(tài)下的受力分析存在一定的缺陷。因此，開啟窗出現(xiàn)安全事故的幾率較大，在開啟狀態(tài)下出現(xiàn)的事故更多。
本文通過對外開上懸窗的開啟關(guān)閉狀態(tài)進行初步的受力分析，可以看出，開啟窗的開啟狀態(tài)下是最薄弱的，進而在設(shè)計中對開啟窗應(yīng)注意的問題進行總結(jié)。
極端天氣下，玻璃幕墻成了空中的嚴重危險源。(圖01)
圖 01
圖2開啟窗滑撐破壞
二、 幕墻開啟窗的種類和基本配置
幕墻開啟窗種類較多，從開啟的形式上可以分成外平推開啟窗、內(nèi)開內(nèi)倒開啟窗、內(nèi)倒開啟窗、內(nèi)平開開啟窗、外開上懸開啟窗等。不同的開啟窗的性能差異比較大，大部分幕墻的外開窗玻璃是通過結(jié)構(gòu)膠粘接在開啟框型材上的，下端有承擔(dān)玻璃自重的托板。
目前，大部分幕墻工程的開啟窗采用外開上懸的方式。內(nèi)平開或者內(nèi)倒開啟窗對建筑外觀有影響，因此采用的工程不多，但內(nèi)開窗的安全性相對較好。
現(xiàn)針對幕墻工程中使用量最大的外開上懸窗為例進行分析，其它開啟方式可以此做為參考。外開上懸窗的基本構(gòu)造是利用鋁合金型材組成開啟窗框和開啟窗扇，通過專用的五金件解決轉(zhuǎn)動、鎖閉、支撐等功能。通過密封膠條實現(xiàn)開啟窗關(guān)閉狀態(tài)的密封。外開上懸的開啟窗的基本節(jié)點如圖03;開啟的基本剖面如圖04。
圖 03
圖 04
外開上懸的開啟窗的五金件一般包括開啟機構(gòu)、鎖閉機構(gòu)、支撐機構(gòu)。通常情況下采用四連桿、金屬（詞條“金屬”由行業(yè)大百科提供）合頁或者型材擠壓的掛鉤做為開啟窗的懸掛和開啟機構(gòu)，多點鎖做為鎖閉機構(gòu)，窗撐為開啟窗開啟時的支撐機構(gòu)。
1 合頁、多點鎖、窗撐 配置圖如圖05：
圖05
2 四連桿(鉸鏈)、多點鎖、窗撐配置圖如圖06：
圖 06
三、 幕墻開啟窗設(shè)計的現(xiàn)狀
幕墻在設(shè)計階段都會根據(jù)實際情況進行詳細的幕墻結(jié)構(gòu)計算，國內(nèi)常用的幕墻設(shè)計軟件都能很方便的對幕墻系統(tǒng)進行校核。但是，目前的常規(guī)幕墻計算軟件主要是針對幕墻主龍骨（詞條“主龍骨”由行業(yè)大百科提供）、連接件（詞條“連接件”由行業(yè)大百科提供）、結(jié)構(gòu)膠、預(yù)埋件等進行驗算，而幕墻開啟窗的計算存在不足。大部分只是校核了開啟扇玻璃的應(yīng)力和變形以及開啟窗玻璃的結(jié)構(gòu)膠受力情況，而并沒有對幕墻開啟窗的窗扇型材進行校核。這就造成不論多大的開啟窗尺寸，不論在什么地區(qū)，不論使用的高度，都采用同一種規(guī)格的開啟窗框型材和窗扇型材。
幕墻設(shè)計人員通常是根據(jù)開啟窗的尺寸和寬高比例選擇幕墻開啟窗的五金件。這樣，幕墻開啟窗系統(tǒng)中的型材和五金都沒有經(jīng)過比較量化的具體受力分析，開啟窗型材做為開啟窗的主要支撐構(gòu)件，缺乏合理的計算數(shù)據(jù)。
四、幕墻開啟窗的受力分析
立面幕墻的主要荷載是風(fēng)荷載、重力荷載和地震荷載。在幕墻計算中，風(fēng)荷載通常情況下是控制荷載。幕墻開啟窗面材將荷載通過結(jié)構(gòu)膠傳遞到鋁合金窗扇型材上，窗扇型材通過五金將荷載傳遞到開啟窗框上和幕墻主龍骨上。
幕墻開啟窗的組件比較多，受力比較復(fù)雜，分析其受力時應(yīng)注意以下內(nèi)容：
1 開啟窗面板（詞條“面板”由行業(yè)大百科提供）玻璃(或其它材料)
開啟窗玻璃通常情況為四邊支撐板，可通過軟件進行計算。目前的設(shè)計文件中，通常都包括此項計算內(nèi)容。
2 開啟窗面板玻璃的結(jié)構(gòu)膠
開啟窗玻璃通常是通過結(jié)構(gòu)膠粘接，因此，需要對結(jié)構(gòu)膠進行校核。目前的設(shè)計文件中，通常都包括此項計算內(nèi)容。
3 開啟窗的金屬托件
結(jié)構(gòu)膠承受長期荷載是非常不利的，因此，應(yīng)該避免結(jié)構(gòu)膠承受玻璃的重力。金屬托件應(yīng)能承受玻璃的重量。
4開啟窗窗扇
開啟窗的窗扇是通過型材組裝形成，主要是承受自身荷載和玻璃傳遞的荷載，由于開啟窗窗扇有兩種工況，應(yīng)分別考慮開啟窗的關(guān)閉狀態(tài)和開啟狀態(tài)。
開啟窗關(guān)閉時，開啟窗扇是通過合頁、滑撐、鎖點、執(zhí)手等五金件固定，因此，窗扇是根據(jù)五金件的形式確定其受力方式，可以采用SAP等軟件模擬計算，主要考慮關(guān)閉狀態(tài)下開啟窗扇型材的受力。
開啟窗開啟時，開啟窗扇是通過滑撐、合頁、窗撐等五金件固定，因此，窗扇應(yīng)根據(jù)五金件的形式確定其受力方式。可以采用計算軟件模擬計算。主要考慮開啟狀態(tài)下的支撐條件。目前設(shè)計過程中，這方面的研究較少。
5 五金件和連接螺釘
開啟窗在受力時，其支點是五金件的受力，可以通過結(jié)構(gòu)計算結(jié)果，核對支撐點安全性。
6開啟扇組角
開啟窗的組角形式主要包括型材組角件組角、螺釘連接、銷釘固定。型材的組角質(zhì)量影響開啟窗扇整體的剛度。應(yīng)該盡量讓組角構(gòu)造形成剛接，可以共同作用，抵抗變形。不能讓玻璃成為抗平面變形的主體。
7開啟窗合頁或掛鉤承載能力
如果開啟窗采用型材掛鉤的形式，則需要考慮掛鉤式構(gòu)造的強度。采用開啟扇掛鉤型材的體系需要十分注意掛鉤型材之間的配合，并且設(shè)置鎖止機構(gòu)，避免在使用過程中開啟扇脫鉤。否則會引起比較嚴重的后果。
如果開啟窗采用合頁或者滑撐，主要校核合頁和滑撐的承載能力，其中滑撐通常是根據(jù)開啟窗的重量、開啟窗的尺寸選擇匹配的滑撐規(guī)格;合頁的選擇通常是根據(jù)開啟窗的重量和寬度尺寸進行布置。
8五金件的固定螺釘與型材壁厚的關(guān)系
開啟窗的五金件通過螺釘固定，應(yīng)選擇機制螺釘，不應(yīng)選擇自攻螺釘。開啟窗型材的壁厚通常為2mm，螺釘固定時母材壁厚比較薄會影響連接強度。很多工程設(shè)計中采用增加背襯的螺母（詞條“螺母”由行業(yè)大百科提供）板或者不銹鋼鉚螺母的方式提高連接的可靠性。鉚螺母見圖7示意：
圖7 鉚螺母
9開啟扇鉸鏈和風(fēng)撐的抗沖擊能力
開啟狀態(tài)下，瞬時風(fēng)壓的變化會對鉸鏈和風(fēng)撐形成沖擊力。這種瞬間荷載對連接點的沖擊比較大。而且，由于開啟窗支撐五金件的力臂關(guān)系，荷載在傳遞到支撐五金時，會存在放大的可能。尤其是掛鉤型材的開啟窗構(gòu)造，一旦出現(xiàn)掛鉤脫離形成局部受力，其荷載會成倍增加。
10開啟扇五金件的裝配精度
開啟窗在關(guān)閉狀態(tài)下，應(yīng)保證鎖點盡量同時受力，以便均衡的分擔(dān)荷載。這對開啟窗的構(gòu)造是至關(guān)重要的。如果裝配精度差，鎖閉狀態(tài)下，僅有個別鎖點受力，則加大了局部鎖點的受力，很容易造成破壞。
開啟窗的多點鎖傳動時，雙向傳動的鎖系統(tǒng)優(yōu)于單向的鎖系統(tǒng)。雙向傳動的鎖閉機構(gòu)會避免開啟窗扇在關(guān)閉時水平移位。
采用滑撐時，對側(cè)的滑撐固定位置應(yīng)該根據(jù)開啟窗的規(guī)格、尺寸，由設(shè)計人員確定，加工組裝是應(yīng)嚴格按照尺寸定位，并且確保兩側(cè)的定位偏差不能超過要求，否則在啟閉時會產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力，會嚴重影響其使用壽命。
11 開啟窗型材的加工和組裝精度
開啟窗型材的加工和組裝精度影響開啟窗的使用。如果開啟窗扇和窗框之間的間隙控制不好，會影響五金件的安裝效果，進而影響開啟窗的使用壽命。
五、外開上懸開啟窗扇料的強度計算舉例
案例受力計算的基本條件
荷載情況：
開啟窗的荷載主要包括風(fēng)荷載、重力荷載和地震荷載。
開啟窗狀態(tài)：
開啟窗包括兩種狀態(tài)，分別是開啟狀態(tài)和關(guān)閉狀態(tài)。關(guān)閉狀態(tài)時體形系數(shù)按照幕墻墻角區(qū)考慮;開啟狀態(tài)由于角度的問題，按照突出物考慮，體形系數(shù)取2.0。
邊界條件：
窗扇型材組成矩形，型材角部按照剛性結(jié)合考慮;
以合頁的中心為支點，四連桿上固定的螺釘為支點;計算中支點的反力是校核五金件強度和連接螺釘強度的依據(jù)。
荷載取值：
以北京為例，按照北京市C類地區(qū)，50m標(biāo)高計算;
W01=1.1×1.81×0.45×1.6=1.44KN/m2(關(guān)閉狀態(tài)按墻角區(qū)體型系數(shù)計算)
W02=1.1×1.81×0.45×2.0=1.8KN/m2(開啟狀態(tài)按物體型系數(shù)2.0計算)
玻璃采用6mm+12A+6mm中空鋼化玻璃，玻璃的自重荷載為0.31 KN/m2
開啟窗型材和玻璃的重力荷載取0.4 KN/m2
地震荷載qe=5×0.16×0.4=0.32KN/m2
荷載標(biāo)準值(關(guān)閉狀態(tài))q=0.4+1.44+0.5×0.32=2.0 KN/m2
荷載標(biāo)準值(開啟狀態(tài))q=0.4+1.8+0.5×0.32=2.36 KN/m2
荷載設(shè)計值(關(guān)閉狀態(tài))q=1.3×0.4+1.5×1.44+1.3×0.5×0.32=2.89 KN/m2
荷載設(shè)計值(開啟狀態(tài))q=1.3×0.4+1.5×1.8+1.3×0.5×0.32=3.43 KN/m2
開啟窗窗扇的規(guī)格按照1200mm×1200mm，1000mm×1500mm，1500mm×1000mm三種尺寸計算。(圖08)
圖 08
根據(jù)開啟窗的基本節(jié)點，開啟扇型材的截面特性如下：
型材X軸主慣性距: 17.742cm4
X軸的慣性距: 15.017cm4
型材Y軸主慣性距: 5.532cm4
Y軸的慣性距: 8.256cm4
型材X軸上抗彎距: 4.459cm3
X軸下抗彎距: 6.727cm3
型材Y軸左抗彎距: 2.342cm3
Y軸右抗彎距: 4.652cm3
型材X軸的面積矩: 3.439cm3
型材Y軸的面積矩: 2.225cm3
型材面積: 3.986cm2
根據(jù)以上條件，計算結(jié)果如下：
1200×1200開啟窗(合頁)撓度和強度計算(圖09);
圖09
1200×1200開啟窗(四連桿)撓度和強度計算結(jié)果;(圖10)
圖10
1000×1500開啟窗(合頁)撓度和強度計算結(jié)果;(圖11)
圖 11
1000×1500開啟窗(四連桿)撓度和強度計算結(jié)果：(圖12)
圖 12
1500×1000開啟窗(合頁)撓度和強度計算結(jié)果：(圖13)
圖 13
1500×1000開啟窗(四連桿)撓度和強度計算結(jié)果：(圖14)
圖14
六、 選擇開啟窗的注意因素
通過上面的計算，我們發(fā)現(xiàn)開啟窗在開啟狀態(tài)下是十分薄弱的，而且，模擬的情況并沒有考慮風(fēng)荷載對連接件往復(fù)受力產(chǎn)生的疲勞破壞，因此，實際情況會更加復(fù)雜和更加不利。幕墻設(shè)計時，開啟窗的選擇應(yīng)注意很多因素。
1 從建筑設(shè)計上，應(yīng)該對開啟窗慎重選擇：
高層和超高層建筑建議采用內(nèi)開窗(圖15 )、通風(fēng)器(圖16)、有外遮擋層的開啟窗(圖16)，這樣能有效避免開啟窗損壞產(chǎn)生嚴重后果。
圖15
圖 16
圖17
高層和超高層建筑使用外開窗的，應(yīng)盡量控制開啟窗面積，可以參考中裝協(xié)或者地方標(biāo)準規(guī)定的開啟窗面積限制規(guī)定。建議采取管控措施，避免外開窗在大風(fēng)情況下開啟。
2 增加對開啟窗的受力分析;
除了對開啟窗關(guān)閉狀態(tài)下的受力分析以外，還應(yīng)該對開啟窗的開啟狀態(tài)進行分析，其能承受的風(fēng)壓值可以作為幕墻開啟窗使用時的要求加以明確。即，在幾級風(fēng)情況下，應(yīng)關(guān)閉開啟窗。
對開啟窗扇型材進行受力分析，主要是針對關(guān)閉狀態(tài)下，窗扇型材在五金件的支撐條件下的受力分析，可以有效合理的選擇開啟扇型材。
對開啟窗鎖點、風(fēng)撐、四連桿、合頁等五金件進行受力分析，根據(jù)關(guān)閉狀態(tài)下的開啟窗支點反力，對五金件的強度進行校核。
對開啟窗五金件連接螺釘進行受力分析，根據(jù)窗扇受力情況，選取五金件位置的反力，對連接螺釘進行校核;
3 開啟窗的構(gòu)造上應(yīng)注意以下問題：
開啟窗五金件和型材之間的固定十分重要，應(yīng)采用機制螺釘進行連接，如果型材的壁厚不能達到連接螺釘?shù)墓Q直徑，應(yīng)增加螺母板;
開啟窗五金配件活動構(gòu)件的安裝位置應(yīng)有精度要求，避免因為四連桿、窗撐的安裝位置偏差造成開啟窗啟閉時導(dǎo)致受力不均而產(chǎn)生應(yīng)力的情況。
開啟窗的鎖點安裝應(yīng)有精度要求，開啟窗鎖閉后應(yīng)保證膠條的壓縮量合理，避免壓合過松影響氣密性能，也應(yīng)該避免壓合過緊對五金件產(chǎn)生很大應(yīng)力。
4 采用開啟狀態(tài)下受力更加合理的開啟窗五金體系。
5 利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、自動控制等手段，自動控制開啟窗狀態(tài)，避免大風(fēng)極端天氣下處于開啟狀態(tài)。
七、總結(jié)
幕墻開啟窗做為幕墻體系的重要構(gòu)件，在幕墻體系中是受力最復(fù)雜、活動最頻繁、使用者接觸最多的部位。因此，應(yīng)受到足夠的重視。以往設(shè)計中僅僅通過開啟窗的重量選擇五金件的思路是遠遠不能滿足實際工程需要的。特別是在臺風(fēng)地區(qū)和超高層建筑，更應(yīng)加強開啟窗的選擇和設(shè)計，避免安全事故的發(fā)生。
幕墻開啟窗的性能直接影響幕墻的使用，開啟窗從設(shè)計、加工、安裝都應(yīng)該嚴格地控制，使用中的檢查和維護也十分重要。本文對開啟窗的設(shè)計進行初步的梳理，希望對幕墻中的開啟窗選型設(shè)計起到一定的作用。當(dāng)然，設(shè)計過程中有些是簡化性的，比如，玻璃的剛度并未參與到開啟窗的受力;連接螺釘僅僅計算抗剪并不能夠真正體現(xiàn)螺釘?shù)念l繁往復(fù)受力情況，實際情況要復(fù)雜的多。
行業(yè)協(xié)會在歷年的工作報告中曾指出：“矢志不渝、努力拼搏，堅定樹立中國建造幕墻行業(yè)走向幕墻強國的信心”，號召行業(yè)同仁不要因循守舊、滿足現(xiàn)狀，要積極進取，努力拼搏，科學(xué)創(chuàng)新，發(fā)揚“工匠精神”，使中國幕墻由大國向強國挺進。玻璃幕墻是建筑幕墻主要組成部分，需要進一步發(fā)展和完善，質(zhì)量須從源頭抓起，設(shè)計是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，嚴控各種風(fēng)險、精益求精、安全至上，由數(shù)量發(fā)展過度到質(zhì)量發(fā)展的軌道上，安全上注重每一環(huán)節(jié)每一個細節(jié)，使行業(yè)能夠可持續(xù)健康發(fā)展。
參考文獻：
[1] 《建筑幕墻》 GB-T 21086
[2] 《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》 JGJ-102 2013
