建筑玻璃幕墙抵御超强台风的能力

包善仲

【摘要】本文通过对美国弗罗里达州建筑法规中有关飓风测试以及其在上海实际案例中应用的介绍，为建筑师、幕墙顾问、幕墙制造商在进行幕墙工程设计时提供一些建议和帮助，从而使建筑物能够有效抵御台风的袭击，让建筑物的质量跃升到更高的台阶。

【关键词】飓风测试;飞弹冲击测试;循环风压测试

1.前言

众所周知，中国沿海地区是经济最发达的区域，但是每年夏秋两季，都会遭受强大的台风破坏。特别是近几年，超强台风的数量逐年增多。从2018年袭击深圳的“山竹”，到2019年袭击上海的“利奇马”，无一不是在给当地带来史无前例的风雨之外，还造成许多建筑物的损毁。

不仅仅是中国，放眼世界，台风、飓风同样给世界各国带来巨大的破坏和灾难。在美国弗罗里达州及墨西哥湾沿岸、加勒比海地区、太平洋沿岸地区，每年夏季、秋季也都会与具有超强破坏力的飓风不期而遇。

既然台风和飓风等恶劣的自然天气是无法避免的，那么如何有效防控建筑物遭受台风和飓风的破坏就是摆在广大建筑师、幕墙顾问、幕墙制造商面前无法回避的考题。本文通过对美国弗罗里达州建筑法规中有关飓风测试的介绍以及其在上海的实际案例应用，给中国的建筑师、幕墙顾问、幕墙制造商们在工程设计中提供一些建议和帮助，力图帮助中国的建筑设计整体水平和质量能够跃升到更高的台阶。

2.美国飓风区的飓风测试

根据美国土木工程师学会American Society of Civil Engineers（ASCE 7）的要求，将处于高速飓风区（High Velocity Hurricane Zone，以下简称HVHZ）的各个地区，按照不同的基本风速（Basic Wind Load）的分布，划分为四类区域，分别是Wind Zone 1、Wind Zone 2、Wind Zone 3、Wind Zone 4，详见表1。这里所说的基本风速（Basic Wind Load）是指“3s阵风风速“（V3s）。

按照建筑法规的要求，凡是在这些区域建造的外立面系统，包括玻璃门和外窗系统、建筑玻璃幕墙系统，都要按照ASTM E1996的要求进行飓风测试，包括“飞弹冲击测试注2”与“循环风压测试”，然后评估这些外立面是否能够有效抵御飓风的破坏。

注 2：“飞弹冲击测试”在ASTM E1996标准中被定义为Missile Impact Test，是模拟飓风天气中由飓风携带的碎物（Wind-borne Debris in Hurricane）冲击建筑外立面的检测方法。在国内也将其直译为“抗风携碎物冲击”，参见《GB/T 29738-2013 建筑幕墙和门窗抗风携碎物冲击性能分级及检测方法》，而该中华人民共和国国家标准是参考ASTM E1996编制的。

在ASTM E1996中，除了使用特殊的“飞弹”冲击外立面之外，还需要对外立面进一步进行“循环风压”的测试。这是因为破坏除了来自飓风所携带的碎物冲击之外，还有高风速飓风带来的强大风压。为了更好地模拟这种综合性破坏，科学家们设计出了“飞弹冲击测试”与“循环风压测试”的检测方法和要求。

3.飓风风压对外立面破坏的技术原理

通常的建筑物外立面在计算设计风压时主要考虑迎风面和侧风面的风压影响。

3.1建筑外立面的迎风面所遭受的风压和风流方向，可参见图1。

3.2建筑外立面的侧风面所遭受的风压和风流方向，可参见图2。

由于墙体本身是完整的，其材料的抗风压强度可以通过一定的结构计算而模拟得出，然后可以进一步计算出抵御该风压压强所需墙体的材料、连接件等的强度需求，以证明整个建筑外立面系统具有足够的抗风压性能。

但是一旦外立面被高速碎物飞弹冲击而造成破坏后，飓风就可以通过裂纹和破洞进入建筑物内部，从而直接对建筑物的侧墙和背墙进行冲击。这样产生的风压形式可以参见图 3。

当建筑物迎风面墙体破损后，飓风直接进入建筑物内部，使得原先内外压强平衡的状态被打破，造成墙体的膨胀性破坏作用，参见图4。当建筑物外立面背风面和侧风面墙体遭到破坏后，内外压强平衡被打破，内部气压从破洞處突然释放，从而造成内部压强降低，继而造成墙体的压缩性破坏作用，参见图5。

据此，在实际检测中需要模拟对建筑外立面造成两种破坏后，其外立面仍然具有稳定抵御高强度的飓风风压的性能。

4.美国飓风测试的技术要求与规范

美国飓风测试的规范标准是ASTM E1996和ASTM E1886。飓风测试主要分为两部分，分别是飞弹冲击测试（Missile Impact Test）和循环风压测试（Cyclic Wind Load Test）。

4.1飞弹冲击测试（Missile Impact Test）

4.1.1冲击飞弹等级

在ASTM E1996中，将冲击飞弹（Missile）分为大飞弹（Large Missile）和小飞弹（Small Missile）两个种类。其中小飞弹被定义为A级;而大飞弹根据其自身的尺寸和质量不同，分为B级、C级、D级和E级。

大飞弹冲击测试是模拟路面上折断的树枝或断木被飓风卷起后砸中玻璃外立面的状况;小飞弹冲击测试用来模拟路面上小碎石子、杂物等被飓风卷起后砸中玻璃外立面的状况。

各种冲击飞弹的等级及对应的尺寸、质量和测试速度参见表2。

4.1.2冲击飞弹的材料

大飞弹材料需选用的是“2号及以上等级“的美国南方松，木料的断面厚度大约为38.1 mm，宽度大约为88.9 mm;在距离冲击端300 mm内不能有木节、开裂、细裂缝或其他缺陷。

小飞弹材料需选用的是8 mm直径的钢珠进行测试。每次冲击时使用10颗钢珠同时发射冲击样品。

4.1.3飞弹冲击测试的样品

测试标准要求每一款样品必须至少检测3个相同的样品，而且每个样品都必须通过测试。

4.1.4冲击测试的冲击点

在ASTM E1996的规范中，对于三块玻璃样品进行大飞弹（Large Missile）冲击时，每块样品上的冲击点分别位于玻璃的中心和对角线的上角以及对角线的下角。参见图8。

冲击范围：

（1）每个冲击点的冲击范围都在半径为65 mm的圆周内;

（2）冲击点在对角线的角部位置时，冲击点的圆周中心点距离相邻两个支撑边框的距离相等，都是150 mm;

（3）每个冲击位置冲击一次，三块样品的冲击位置可以参见图6。

在ASTM E1996的规范中，对于三块玻璃样品进行小飞弹（Small Missile）冲击时，每块样品上的冲击点参见图7。

冲击范围：

（1）每个冲击点的冲击范围都在半径为250 mm的圆周内;

（2）冲击在对角线的角部位置时，冲击点的圆周中心点距离相邻两个支撑边框的距离相等，都是275 mm;

（3）每块样板上都要冲击三个位置，每个位置冲击一次，每次冲击使用10颗钢珠同时激发。

4.1.5冲击测试的合格判定

样品冲击后玻璃是允许破碎的。冲击测试的合格或失败的主要判断依据是检查样品玻璃是否出现有穿透性开裂或开孔。如果出现穿透性裂缝，那么裂缝的长度不能超过130 mm、宽度不能超过1 mm;如果出现穿透性开孔，那么空的直径不能超过76 mm。型材在冲击后不能出现裂纹，也不能因为变形而导致五金件发生功能性障碍。

4.2循环风压测试（Cyclic Wind Load Test）

当样品在完成并通过飞弹冲击测试之后，无论样品是否破碎，都需要继续进行循环风压测试。循环风压的详细加压检测流程参见表4。

4.2.1循环风压的评估与分析

美国建筑法规规定，所有建筑的设计风压需要由政府授权的专业工程师（Professional Engineer）依据美国土木工程师学会颁布的ASCE 7中的规定，按照建筑所在地的地形、风速条件、建筑物本身的结构形状，通过严密的结构计算而获得的。

国内很多沿海城市像美国弗罗里达州一样，经常遭受台风袭击，比如深圳、上海等地区。但由于没有建立统一的风压等级要求，为了证明建筑物具有更高的抗风压性能，建筑师和幕墙顾问都迫切希望了解和参考国外风压的设计，然后用于国内高等级的建筑外立面的设计中。

这里提供了弗罗里达州建筑法规（2010年版本）中一些设计风压值，参见表5。

4.2.2循环风压测试合格判定

在ASTM E1996中规定，样品在完成所有风压循环之后，玻璃的开口裂缝尺寸长度不能超过130 mm、宽度不能超过1 mm。

4.3系统设计延展——玻璃胶片的选用

由于飞弹测试的严苛程度远远超过普通安全性玻璃冲击测试的难度，同时在飞弹冲击后还要进行循环风压测试，所以在设计中玻璃一般都会选用钢化、半钢化等组合的夹胶玻璃。目前夹胶玻璃普遍使用的胶片多数是SGP胶片和PVB胶片两种。

PVB全名为聚乙烯醇缩丁醛，该胶片具有较高的透明性、耐寒性、耐冲击性、耐紫外辐照性。

SGP全名为离子性中间膜（Sentry Glass Plus），是杜邦公司最早研发的高性能夹层材料。SGP有高强度和剪切模量，力学性能优异。SGP夹层玻璃承载力是等厚度的PVB夹层承载力的2倍;同时，在相等荷载、相等厚度的情况下，SGP夹层玻璃的弯曲挠度只有PVB夹层玻璃的1/4。SGP夹胶膜的撕裂强度时PVB夹胶膜的5倍。

在循环风压作用下，玻璃本身会随着风压的变化作一张一弛的连续往复运动，好像玻璃在呼吸。当玻璃被飞弹冲击后，玻璃与型材之间的粘结性已经因为冲击而降低。随着循环风压的进行，玻璃的变形会逐渐增大，使得玻璃边部与型材交接位置处于不停地撕扯状态，压强变化越大撕扯就越大。

由于SGP膜具有很高的撕裂强度，即使玻璃破碎，SGP膜还可以粘结碎玻璃形成破坏后的一个临时结构，其弯曲变形小，还可以承受一定量的荷载而不会整片下坠。因此很多样品能够最终通过测试，很大程度上依靠的是SGP胶片的持续支持。

一般情况下，只有依靠没有完全碎裂的玻璃与SGP胶片的组合，才能最终通过这个目前世界上最严苛的飓风测试的考验。

5.项目案例与分析

5.1项目名称：某跨国企业亚洲地区总部大楼项目

5.2项目地址：上海

5.3项目背景：

该跨国企业位于上海的亚洲地区总部大楼项目需取得全球知名保险业务FM GLOBAL的保险许可。在FM GLOBAL对该项目评估后，对项目做出了“防损措施建议”，同时在项目规范文件中作了详细规定：

项目的屋顶外立面必须能够抵御上海地区51 m/s（113 mph）的三秒阵风风速。项目的屋顶部位外立面须使用防撞擊玻璃或玻璃保护装置来保护所有窗口，这些玻璃或保护装置应根据弗罗里达州建筑法规测试应用标准或ASTM E1996和ASTM E1886进行测试，且测试结果符合要求。

5.4测试标准：ASTM E1886-2013a，ASTM E1996-2014a

5.5测试技术评估：

5.5.1测试条件

按照弗罗里达州的飓风区区域划分，上海地区的51 m/s（113 mph）的三秒阵风风速，接近Wind Zone 1的风速规范要求。这样，对于ASTM E1996规范要求，须分别进行“飞弹冲击测试”和“循环飓风测试”。经过评估，两项测试对应的测试条件如下：

（1）飞弹冲击测试

按照表3中规定，可以使用“C级”冲击飞弹进行测试。

（2）循环飓风测试

按照表5中提供的建议，处于Wind Zone 1时外立面的设计风压可以按照“+28.9 psf / -38.2 psf”进行。经过项目的结构计算，最终决定设计风压值取“+1840 Pa （38.4 psf） / -1840 Pa （38.4 psf）”。

5.5.2冲击点位

每种类玻璃，包括固定扇和开启扇的玻璃，都需要进行冲击测试，每种玻璃需要进行至少3块样品的测试，每块样品冲击一个位置，参见图10。

5.5.3玻璃配置

开启扇玻璃：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测试结果判定依据

样品须能抵挡冲击，允许出现长度不超过130 mm，宽度不超过1 mm的空气能通过的缝。冲击测试和循环风压测试结束后，不允许出现直径为76 mm的硬球体可以自由通过的开口。

5.6测试结果报告（见表6、7、8）

5.7测试照片（见下图）

5.8测试结论

冲击测试后夹胶玻璃的外层玻璃出现碎裂，但是内层玻璃没有碎裂。经过飞弹冲击测试和循环风压测试，没有出现玻璃穿透开口，因此判定为合格。

6.结束语

美国弗罗里达州的建筑法规明确规定外立面材料与系统结构必须通过飓风测试后方能在建筑工程项目上使用，这样的规定使得当地很多建筑能够经受严酷飓风的袭击而屹立不倒。

随着我国“一带一路”战略目标的推广，我国建筑商将有更多机会参与美国弗罗里达州、加勒比海地区国家、太平洋岛国等地区的工程项目，这样我们国内的建材厂商也将直面这些最高等级和要求的挑战。

除此之外，随着国内“长三角一体化”、 “大湾区”建设的逐步推进，上海、深圳作为两个地区的龙头必将迎来新的建设高潮。提高工程要求、采用更高性能的材料抵御超强台风的袭击必然成为大势所趋，美国飓风测试将为建筑大咖们提供很大帮助和借鉴。

参考文献

[1]2010 Florida Building Code （FBC）

[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

[4]ASTM E1996-2014a Standard Specification for Performance of Exterior Windows， Curtain Walls， Doors， and Impact Protective Systems Impacted by Windborne Debris in Hurricans

[5]GB/T 29738-2013 建筑幕墻和门窗抗风携碎物冲击性能分级及检测方法

[6]American Softwood Lumber Standard， Voluntary Product Standard PS 20-20

[7]Updated Impact Requirements for Building Components， authored by Vinu Abraham， PE， Intertek

[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

[10]SGP夹层玻璃提高建筑幕墙安全性，赵西安，中国建筑科学研究院