淺論安全玻璃在高層建築中的使用
General 更新 2024年11月30日
摘要：本文根據幾種建築玻璃的特性，從安全的角度討論了高層安全玻璃的選擇。
Abstract: This paper, based on the characters of several kinds of architectural glass, discusses the choice for safe glass from the point of safety.
關鍵詞：玻璃幕牆；鋼化玻璃；半鋼化玻璃；夾層玻璃；自爆
Key words: glass curtain wall；fully tempered glass；heat strength glass；laminated glass；burst
0 引言
據2010年7月24日《羊城晚報》報道的“一戶人家飄窗玻璃自爆引發滿城幕牆安全憂慮”……隨著使用年限的增長，玻璃幕牆的隱患逐漸暴露出來，除了光汙染，玻璃幕牆的自爆、脫落都成為城市的安全隱患，而目前國家允許的鋼化玻璃自爆率為3％。。“雖然目前建築玻璃的質量和強度都有足夠的保障，但畢竟玻璃的抗震性和抗變形能力都有欠缺，一旦遇到颱風、颶風、地震、冰雹、溫差遽然變化等，均有可能會導致安全事件。”自2004年1月1日起施行的《建築安全玻璃管理規定》，規定：“建築物需要以玻璃作為建築材料的下列部位必須使用安全玻璃：7層及7層以上建築物外開窗、幕牆（全玻幕牆除外）”，同時規定“本規定所稱安全玻璃，是指符合現行國家標準的鋼化玻璃、夾層玻璃及由鋼化玻璃或夾層玻璃組合加工而成的其他玻璃製品，如安全中空玻璃等”，旨在規範建築玻璃的使用。
1 建築幕牆常用玻璃簡述
建築幕牆常用玻璃包括鋼化玻璃、半鋼化玻璃、及其組合而成的夾層玻璃、中空玻璃等。
1.1 鋼化玻璃（Fully Tempered glass） 鋼化玻璃是將浮法玻璃在鋼化爐中均勻加溫至620℃，使之輕度軟化膨脹，再在其表面吹冷空氣使之迅速冷卻，使其表面產生拉應力，強度設計值和耐衝擊性能大幅提高，並且玻璃破碎後成小顆粒狀。
1.2 半鋼化玻璃（Heat Strength glass） 半鋼化玻璃製作的熱處理過程與鋼化玻璃類似，只是冷卻方法不同，吹風強度降低，冷卻時間長。其機械效能也有較大提高，破碎時會有大的碎片和放射狀的裂紋，與普通玻璃的破碎狀態類似，但碎片一般沒有鋒利的尖角。
1.3 夾層玻璃（Laminated glass） 夾層玻璃是由一層玻璃與一層或多層玻璃、塑料材料夾中間層而成的玻璃製品。幕牆用的夾層玻璃的中間層通常採用PVB或EVA膜。
1.4 中空玻璃（Insulating glass） 中空玻璃是由兩片或多片玻璃以有效支撐均勻隔開並周邊粘結密封，使玻璃層間形成有乾燥氣體空間的製品。
2 高層建築鋁合金幕牆用玻璃比較
2.1 應力特性與破碎概率 《幕牆用鋼化與半鋼化玻璃》（GB17841-1999）規定：鋼化玻璃的表面應力值σ?叟95Mpa、半鋼化玻璃為應力值24σ?燮69MPa。美國ASTM標準C1048（Standard Specification for Heat-Treated Flat Glass）規定：鋼化玻璃為69Mpa以上、半鋼化玻璃為24～52Mpa。玻璃鋼化程度越高，表面應力值越大，材料強度值就越大，破碎後顆粒也越小。但鋼化玻璃存在自爆的可能性，即在無直接機械外力作用下發生的自動性炸裂，可能在幾個月內自爆，也可能在幾年甚至十幾年後自爆，產生自爆的主要原因是玻璃中硫化鎳（NiS）相變引起的體積膨脹所導致，目前的生產技術還不能完全解決此問題。
2.2 破碎特性 鋼化玻璃的自爆沒有徵兆，十分突然，並且破碎後成小顆粒狀，在風荷載作用下容易灑落，殘餘強度較低，所以路人較難有時間躲閃。有些玻璃碎片散落在地面的距離達10m寬。鋼化玻璃的表面應力為2.8～4.8MPa時，玻璃破碎後碎片相對較大，與普通浮法玻璃的破碎狀態類似，碎片趨於相互鎖在一起並保持在玻璃框上，尤其是玻璃四邊是用結構膠粘結在框上的構造更是如此，殘餘強度較大，路人通常有時間避讓，工程人員也有時間維修。
2.3 經濟性 鋼化玻璃若自爆後需要成本進行維修，更讓人頭疼的是玻璃自爆後灑落地面時可能帶來的意外傷害，以及維修前室外風雨給房間內可能帶來的損壞。為了降低鋼化玻璃的自爆率，有的建築師或業主要求對鋼化玻璃進行熱浸處理（Heat Soak Test）（熱浸處理是20世紀60年代皮爾金頓公司和聖戈班公司發明的方法，目前只有德國DIN18516有此明確的標準），將鋼化玻璃再次加熱到290oC左右並保溫一定時間，使硫化鎳在玻璃出廠前完成晶相轉變，讓以後可能自爆的玻璃在工廠內提前破碎。但由於一個工程需要的玻璃數量龐大，採用該方法需要消耗大量電能，同時生產率也會大為降低，從而導致玻璃成本將提高1～4倍，而且還不能徹底根除自爆。如果鋼化玻璃數量多，工期又緊，也很難全部進行熱浸處理。半鋼化玻璃由於通常不自爆而一般不存在上述問題。
由於玻璃鋼化和半鋼化的價格基本一樣，有人可能希望通過提高玻璃的強度值來降低玻璃的厚度，但實際上，在很多工程中，幕牆的分格尺寸都比較大，使得玻璃的厚度是由撓度而不是強度來控制，此時玻璃的高強度值並不會減少玻璃的厚度，節省材料。
2.4 美觀性 雖然《幕牆用鋼化與半鋼化玻璃》（GB17841-1999）中規定鋼化和半鋼化玻璃的彎曲度相同，但由於兩種玻璃熱處理後的冷卻方法不一樣，實際得到的彎曲度也不一樣。鋼化玻璃的冷卻方法是在其表面吹冷空氣使之迅速冷卻，而半鋼化玻璃冷卻時的吹風強度大為降低，冷卻時間較長，因此弓形和波形都比鋼化玻璃好，鍍上金屬膜形成熱反射玻璃或低輻射玻璃後平整度更好，外觀效果更理想。
3 實際應用
鋼化玻璃和半鋼化玻璃在國內外很多建築幕牆都使用過，但香港和國外工程在高層建築幕牆上更趨向於採用半鋼化玻璃和其製成的中空玻璃，如上海金茂大廈、香港金融中心二期和美國西爾斯大廈。而且現在更多地採用半鋼化玻璃製成的夾層中空玻璃，玻璃破碎後有更大的殘餘強度，一般情況不會墜落。香港廉政公署新辦公大樓，大面幕牆採用半鋼化夾膠中空玻璃，並特意在區域性採用鋼化玻璃，並設定明顯標誌，以便在發生緊急情況時室內外的人員可以敲碎此處玻璃進行逃生和營救。因此建議在建築上的一般部位的採用半鋼化玻璃及其組合的夾層中空玻璃；在易遭受撞擊、衝擊而造成人體傷害的部位，如門和標高在5m以下的玻璃攔河，選用應力大於95Mpa的鋼化玻璃及其組合玻璃。玻璃幕牆下應設定綠化帶或雨蓬，防止路人靠近。總之，設計以人為本，應該根據實際情況採用更安全的材料。
參考文獻：
[1]《建築安全玻璃管理規定》（發改執行[2003]2116號）.
《玻璃幕牆工程技術規範》（JGJ102-2003）.中國建築工業出版社，2003.
《建築玻璃應用技術規程》（JGJ 113--2009）.
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Abstract: This paper, based on the characters of several kinds of architectural glass, discusses the choice for safe glass from the point of safety.
關鍵詞：玻璃幕牆；鋼化玻璃；半鋼化玻璃；夾層玻璃；自爆
Key words: glass curtain wall；fully tempered glass；heat strength glass；laminated glass；burst
0 引言
據2010年7月24日《羊城晚報》報道的“一戶人家飄窗玻璃自爆引發滿城幕牆安全憂慮”……隨著使用年限的增長，玻璃幕牆的隱患逐漸暴露出來，除了光汙染，玻璃幕牆的自爆、脫落都成為城市的安全隱患，而目前國家允許的鋼化玻璃自爆率為3％。。“雖然目前建築玻璃的質量和強度都有足夠的保障，但畢竟玻璃的抗震性和抗變形能力都有欠缺，一旦遇到颱風、颶風、地震、冰雹、溫差遽然變化等，均有可能會導致安全事件。”自2004年1月1日起施行的《建築安全玻璃管理規定》，規定：“建築物需要以玻璃作為建築材料的下列部位必須使用安全玻璃：7層及7層以上建築物外開窗、幕牆（全玻幕牆除外）”，同時規定“本規定所稱安全玻璃，是指符合現行國家標準的鋼化玻璃、夾層玻璃及由鋼化玻璃或夾層玻璃組合加工而成的其他玻璃製品，如安全中空玻璃等”，旨在規範建築玻璃的使用。
1 建築幕牆常用玻璃簡述
建築幕牆常用玻璃包括鋼化玻璃、半鋼化玻璃、及其組合而成的夾層玻璃、中空玻璃等。
1.1 鋼化玻璃（Fully Tempered glass） 鋼化玻璃是將浮法玻璃在鋼化爐中均勻加溫至620℃，使之輕度軟化膨脹，再在其表面吹冷空氣使之迅速冷卻，使其表面產生拉應力，強度設計值和耐衝擊性能大幅提高，並且玻璃破碎後成小顆粒狀。
1.2 半鋼化玻璃（Heat Strength glass） 半鋼化玻璃製作的熱處理過程與鋼化玻璃類似，只是冷卻方法不同，吹風強度降低，冷卻時間長。其機械效能也有較大提高，破碎時會有大的碎片和放射狀的裂紋，與普通玻璃的破碎狀態類似，但碎片一般沒有鋒利的尖角。
1.3 夾層玻璃（Laminated glass） 夾層玻璃是由一層玻璃與一層或多層玻璃、塑料材料夾中間層而成的玻璃製品。幕牆用的夾層玻璃的中間層通常採用PVB或EVA膜。
1.4 中空玻璃（Insulating glass） 中空玻璃是由兩片或多片玻璃以有效支撐均勻隔開並周邊粘結密封，使玻璃層間形成有乾燥氣體空間的製品。
2 高層建築鋁合金幕牆用玻璃比較
2.1 應力特性與破碎概率 《幕牆用鋼化與半鋼化玻璃》（GB17841-1999）規定：鋼化玻璃的表面應力值σ?叟95Mpa、半鋼化玻璃為應力值24σ?燮69MPa。美國ASTM標準C1048（Standard Specification for Heat-Treated Flat Glass）規定：鋼化玻璃為69Mpa以上、半鋼化玻璃為24～52Mpa。玻璃鋼化程度越高，表面應力值越大，材料強度值就越大，破碎後顆粒也越小。但鋼化玻璃存在自爆的可能性，即在無直接機械外力作用下發生的自動性炸裂，可能在幾個月內自爆，也可能在幾年甚至十幾年後自爆，產生自爆的主要原因是玻璃中硫化鎳（NiS）相變引起的體積膨脹所導致，目前的生產技術還不能完全解決此問題。
2.2 破碎特性 鋼化玻璃的自爆沒有徵兆，十分突然，並且破碎後成小顆粒狀，在風荷載作用下容易灑落，殘餘強度較低，所以路人較難有時間躲閃。有些玻璃碎片散落在地面的距離達10m寬。鋼化玻璃的表面應力為2.8～4.8MPa時，玻璃破碎後碎片相對較大，與普通浮法玻璃的破碎狀態類似，碎片趨於相互鎖在一起並保持在玻璃框上，尤其是玻璃四邊是用結構膠粘結在框上的構造更是如此，殘餘強度較大，路人通常有時間避讓，工程人員也有時間維修。
2.3 經濟性 鋼化玻璃若自爆後需要成本進行維修，更讓人頭疼的是玻璃自爆後灑落地面時可能帶來的意外傷害，以及維修前室外風雨給房間內可能帶來的損壞。為了降低鋼化玻璃的自爆率，有的建築師或業主要求對鋼化玻璃進行熱浸處理（Heat Soak Test）（熱浸處理是20世紀60年代皮爾金頓公司和聖戈班公司發明的方法，目前只有德國DIN18516有此明確的標準），將鋼化玻璃再次加熱到290oC左右並保溫一定時間，使硫化鎳在玻璃出廠前完成晶相轉變，讓以後可能自爆的玻璃在工廠內提前破碎。但由於一個工程需要的玻璃數量龐大，採用該方法需要消耗大量電能，同時生產率也會大為降低，從而導致玻璃成本將提高1～4倍，而且還不能徹底根除自爆。如果鋼化玻璃數量多，工期又緊，也很難全部進行熱浸處理。半鋼化玻璃由於通常不自爆而一般不存在上述問題。
由於玻璃鋼化和半鋼化的價格基本一樣，有人可能希望通過提高玻璃的強度值來降低玻璃的厚度，但實際上，在很多工程中，幕牆的分格尺寸都比較大，使得玻璃的厚度是由撓度而不是強度來控制，此時玻璃的高強度值並不會減少玻璃的厚度，節省材料。
2.4 美觀性 雖然《幕牆用鋼化與半鋼化玻璃》（GB17841-1999）中規定鋼化和半鋼化玻璃的彎曲度相同，但由於兩種玻璃熱處理後的冷卻方法不一樣，實際得到的彎曲度也不一樣。鋼化玻璃的冷卻方法是在其表面吹冷空氣使之迅速冷卻，而半鋼化玻璃冷卻時的吹風強度大為降低，冷卻時間較長，因此弓形和波形都比鋼化玻璃好，鍍上金屬膜形成熱反射玻璃或低輻射玻璃後平整度更好，外觀效果更理想。
3 實際應用
鋼化玻璃和半鋼化玻璃在國內外很多建築幕牆都使用過，但香港和國外工程在高層建築幕牆上更趨向於採用半鋼化玻璃和其製成的中空玻璃，如上海金茂大廈、香港金融中心二期和美國西爾斯大廈。而且現在更多地採用半鋼化玻璃製成的夾層中空玻璃，玻璃破碎後有更大的殘餘強度，一般情況不會墜落。香港廉政公署新辦公大樓，大面幕牆採用半鋼化夾膠中空玻璃，並特意在區域性採用鋼化玻璃，並設定明顯標誌，以便在發生緊急情況時室內外的人員可以敲碎此處玻璃進行逃生和營救。因此建議在建築上的一般部位的採用半鋼化玻璃及其組合的夾層中空玻璃；在易遭受撞擊、衝擊而造成人體傷害的部位，如門和標高在5m以下的玻璃攔河，選用應力大於95Mpa的鋼化玻璃及其組合玻璃。玻璃幕牆下應設定綠化帶或雨蓬，防止路人靠近。總之，設計以人為本，應該根據實際情況採用更安全的材料。
參考文獻：
[1]《建築安全玻璃管理規定》（發改執行[2003]2116號）.
《玻璃幕牆工程技術規範》（JGJ102-2003）.中國建築工業出版社，2003.
《建築玻璃應用技術規程》（JGJ 113--2009）.
淺論高層火災防範措施