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摘要：近年來，隨著建筑遮陽和外觀造型的需要，建筑幕墻檐口和外側(cè)橫向懸挑構(gòu)件越來越多，突出建筑立面（詞條“建筑立面”由行業(yè)大百科提供）可承雪的向上表面的尺寸越來越大，使得建筑幕墻冰墜傷害事故日漸增多，形成了社會公共安全的問題，引起了社會各界的關(guān)注。特別是堆積于高層和超高層建筑幕墻上的積雪和冰凌的墜落所產(chǎn)生的危險性和破壞力更大。針對建筑幕墻冰墜帶來安全事故和傷害，本文分析了幕墻冰墜的原因和降低冰墜傷害的措施，通過工程應(yīng)用實例，設(shè)計了幕墻防冰墜的相關(guān)試驗方法，對防冰墜的措施和其他待確定的影響因素進(jìn)行了探討。
關(guān)鍵詞： 建筑幕墻;冰墜傷害;幕墻冰墜試驗。
1. 引言
冰害，通常指由冰壩、冰塞、冰山、冰崩等造成水道堵塞和洪水泛濫，撞壞艦船，毀壞水中設(shè)施或建筑物，以及飛機(jī)、艦艇、電線等積冰帶來的災(zāi)害，是自然災(zāi)害之一。然而，落雪堆積于建筑屋檐或挑檐，在特定的條件下結(jié)成的冰凌(圖1)，在融化過程中的墜落，也可能會對行人造成傷害或損壞建筑構(gòu)件（詞條“建筑構(gòu)件”由行業(yè)大百科提供）和其他物品，同樣也屬于冰害的范圍。
近年來，隨著建筑遮陽和外觀造型的需要，建筑幕墻檐口和外側(cè)橫向懸挑構(gòu)件越來越多，突出建筑立面可承雪的向上表面的尺寸越來越大(有的甚至超過1.5米)，這種建筑構(gòu)造給落雪堆積和冰凌產(chǎn)生創(chuàng)造了條件，冰害的風(fēng)險增大。特別是堆積于高層和超高層建筑幕墻上的積雪和冰凌的墜落所產(chǎn)生的危險性和破壞力更大。這種現(xiàn)象在我國的華中、華東以及偏北地區(qū)較為常見;夏熱冬冷地區(qū)雖然不具備長期積雪的條件，但是在特定氣候條件下，如：凍雨也會形成建筑幕墻表面結(jié)冰而形成冰墜。為此，每年各地政府都要發(fā)布防范冰凌及其危害的有關(guān)通知，并采取
圖1
相應(yīng)的清除措施。在國外，建筑幕墻上的冰凌危害同樣存在，如2017年10月開業(yè)的芝加哥蘋果密歇根大道店開業(yè)不久就發(fā)生冰墜風(fēng)險，并在建筑周邊立起隔離警示牌(圖2)。
針對幕墻表面積雪滑落和冰凌斷裂的冰墜給地面人員造成的傷害、車輛損壞和建筑損傷的危害，本文重點探討了建筑幕墻冰凌的形成因素，防冰墜的措施和構(gòu)造設(shè)計，以及有關(guān)防冰墜的試驗方法。
2. 幕墻冰墜形成因素
圖2
2.1 氣候條件
幕墻冰墜的形成，其主要的因素之一，是在冬天較長時間的陰冷、潮濕、降雪或凍雨等寒冷氣候條件下，飄落在幕墻檐口或外挑裝飾構(gòu)件上的雪、凍雨在溫度和壓力作用下逐步形成堅實的具有一定厚度的積雪、冰層或冰凌，當(dāng)天氣轉(zhuǎn)暖或幕墻構(gòu)件表明溫度上升時，堆積的積雪、冰層或懸掛的冰凌開始融化，形成塊狀或條狀的冰塊從幕墻檐口或外挑裝飾構(gòu)件上墜落。
2.2 幕墻構(gòu)造
建筑幕墻外側(cè)表面存在具有形成積雪積冰的條件也是幕墻形成冰墜的因素之一，如：屋面、雨棚、挑檐、較大的外窗臺和橫向裝飾構(gòu)件的上表面;等(圖3)。采用向內(nèi)側(cè)傾斜或有組織泛水的以上部位，可以避免或降低墜冰風(fēng)險，但是在凍害嚴(yán)重的情況下，泛水通道可能堵塞，仍然可能在外沿形成冰凌而產(chǎn)生冰墜的可能。而向外泛水且坡度較陡的上表面，雖能減小冰雪堆積的機(jī)會，但反之，一旦受凍雨影響，也可能會增加冰塊滑落的風(fēng)險。
2.3 風(fēng)
高層建筑表面受風(fēng)的影響較大，迎風(fēng)處相對較難形成積雪，但是背風(fēng)面反而有可能造成集聚，積雪厚度可能遠(yuǎn)超過正常降雪量。同時，風(fēng)對潮濕表面有降溫作用，可能在氣溫不是太寒冷的地區(qū)也在幕墻的局部表面形成結(jié)冰。另外，強(qiáng)風(fēng)對不太牢固的冰塊和冰凌有震動破壞作用，可造成冰塊和冰凌的突然墜落。
圖3
2.4 幕墻隔熱（詞條“隔熱”由行業(yè)大百科提供）性能
幕墻表面溫度是影響成冰和墜冰的另外條件之一。在室外氣候條件和室內(nèi)溫度影響下，幕墻表面會有較大的變化，特別是金屬表面。在嚴(yán)寒地區(qū)，幕墻表面溫度較高，冷雪反而容易粘附幕墻，且隨著表面溫度冷熱變化更易結(jié)成冰體，也更容易形成冰凌。氣溫不是太寒冷的地區(qū)，當(dāng)建筑表皮溫度較低時，空氣中的冷濕潮氣和微雨利于在幕墻表面結(jié)冰。當(dāng)幕墻表面受室內(nèi)溫度影響升高時，會促使冰塊局部融化脫離幕墻表面，造成突然墜落。
3. 幕墻防冰墜傷害設(shè)計
目前，有關(guān)防冰雪融墜的應(yīng)用大多集中在艦船、飛機(jī)、輸電線、涵洞等，主要手段是采用融雪電纜進(jìn)行除雪除冰，對于幕墻防冰墜傷害的研究不多。采用融雪電伴熱系統(tǒng)，融雪電纜及控制系統(tǒng)較為昂貴，整體成本較高，在建筑上一般僅用于積雪量較大且可能影響排水的屋面等處，較少用于幕墻立面。如北京中船大廈屋面的采光天棚，就采用了融雪電伴熱系統(tǒng)進(jìn)行融雪處理，圖4為安裝于采光天棚水槽中的融雪電纜和施工中的采光天棚。
圖4
建筑防冰雪融墜的問題，在國家標(biāo)準(zhǔn)《坡屋面工程技術(shù)規(guī)范》GB50693-2011中3.2.17條作為強(qiáng)制性條文規(guī)定，“嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)的坡屋面檐口部位應(yīng)采取防冰雪融墜的安全措施。”，并在條文說明中提出采用“攔雪柵欄或加寬檐溝”的安全措施。對于建筑幕墻的防冰墜規(guī)定，在現(xiàn)行的幕墻規(guī)范中均未有提及，而GB50693-2011提出采用的防冰雪融墜的安全措施也不能完全適用于幕墻的要求，為此應(yīng)對幕墻防冰墜傷害的措施，特別針對幕墻檐口和橫向裝飾帶的構(gòu)造設(shè)計進(jìn)行研究和探討。
3.1 減少或避免積雪
1)減小承雪面寬度
在現(xiàn)有的幕墻外立面設(shè)計中，由于建筑遮陽和裝飾效果需要，幕墻立面上的橫向水平裝飾構(gòu)件越來越多，而且外挑尺寸越來越大，這無疑給落雪堆積和冰墜危險的形成提供了條件。在建筑設(shè)計允許的條件下，應(yīng)盡可能地減小橫向水平裝飾構(gòu)件的承雪面寬度，降低冰墜風(fēng)險。
2)涂裝防冰雪涂料
防冰雪涂料是一種新型的高科技特種功能涂料，在國內(nèi)已有較多涂料生產(chǎn)企業(yè)在生產(chǎn)類似的產(chǎn)品。
適合多種表面和各種涂裝方法，可常溫自固化，在被保護(hù)表面形成30μm的干涂膜，即可防冰雪附著，同時具有抗腐蝕、耐磨損、防老化、表面自潔等復(fù)合功能，目前主要用于飛行器，船舶，電力線，電信線等需防冰雪結(jié)構(gòu)。防冰雪涂料在建筑以及幕墻上作為防冰雪的應(yīng)用尚未見有相關(guān)應(yīng)用實例報道，但作為自潔凈涂料是早有應(yīng)用。
表1
表2
從防冰雪涂料涂層的性能指標(biāo)(表1、表2)和試驗結(jié)果分析，產(chǎn)品具有良好的理化性能，超低的摩擦系數(shù)。與普通的玻璃材料比較，涂層表面表現(xiàn)出了超低的表面能，其相對水的滑落性提高6倍，滑動時間縮短4倍，雪的滑動性提高4倍，滑動時間縮短3倍，這可以大大降低幕墻構(gòu)件的積雪幾率。從產(chǎn)品性能看，物理性能基本適用于建筑和幕墻，具的防冰雪和自潔的性能。但在該產(chǎn)品的性能指標(biāo)中，未有產(chǎn)品的耐候性能參數(shù)，也未見對外觀的影響，所以在具體使用前，應(yīng)分析產(chǎn)品的耐老化性能和對外觀影響，尤其是長時間使用是否變色?多長時間需重新涂裝?等問題值得探討。同時幕墻設(shè)計宜匹配相應(yīng)的坡度。
3)承雪面坡度
增加幕墻檐口和裝飾構(gòu)件承雪面的坡度，是減少積雪
圖5
的主要措施之一。按照國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB 50009-2012表7.2.1屋面積雪分布系數(shù)的規(guī)定(圖5)，當(dāng)屋面坡度從25o增大到60o時，其雪荷載分布系數(shù)由1.0降到0，這也意味著隨屋面(承雪面)坡度的加大，屋面積雪的幾率越小，當(dāng)屋面坡度大于60o，應(yīng)該認(rèn)為不存在不積雪的可能。參照我司參與的一個美國紐約的幕墻設(shè)計項目，其橫向鋁合金裝飾線條的角度為50o的大斜面線條，起到了很好的防積雪作用，但其大斜度特征會限制外懸挑尺寸。
如采用放冰雪涂層，依照現(xiàn)有可查閱資料，在未經(jīng)嚴(yán)格試驗確認(rèn)的條件下，其承雪面臨界坡度約為8度。較緩的坡度，使得大懸挑線條成為可能。
3.2 設(shè)置攔雪坎和滴水線
在幕墻檐口或橫向水平裝飾構(gòu)件臨邊一側(cè)設(shè)置攔雪坎和滴水線(圖6)，其主要原理與GB50693第3.2.17條條文說明中提出的在臨近檐口的屋面上增設(shè)攔雪柵是一致的。其在氣溫升高時，冰雪底部融化，成片或塊狀的冰雪受攔雪坎的阻擋，避免沿著檐口或橫向水平裝飾構(gòu)件的外傾坡度方向墜落;而底部的積水能夠沿著滴水線順利排出。攔雪坎和滴水線的設(shè)置，首先要控制好攔雪坎的高度;如果攔雪坎高度過低，積雪超出部分沿外側(cè)融化，易形成外掛的冰凌;過高影響外觀，也可能增加積雪幾率。其次是要在攔雪坎底部設(shè)計好通暢的排水系統(tǒng)，倒灌到幕墻增加滲漏（詞條“滲漏”由行業(yè)大百科提供）風(fēng)險;也要避免緩慢滴水，下流排出時形成冰凌。
圖6
3.3 融雪電伴熱系統(tǒng)
近年來，我國在融雪電伴熱系統(tǒng)產(chǎn)品的生產(chǎn)有了很大的發(fā)展，產(chǎn)品質(zhì)量有了較大的提高，造價也在不斷下降，這給幕墻用于防冰墜設(shè)計提供了較大的使用空間。在幕墻檐口和橫向水平裝飾構(gòu)件的攔雪坎和滴水線處布置融雪電伴熱系，將極為有利于防冰墜效果的提升。如果能結(jié)合泛光等系統(tǒng)，可能進(jìn)一步降低綜合成本。此問題需多專業(yè)配合進(jìn)一步探討。
4. 幕墻防冰墜檢測方案探討
目前，建筑幕墻冰墜沒有試驗標(biāo)準(zhǔn)，如何通過模擬試驗對有關(guān)防冰墜設(shè)計的性能進(jìn)行評價，尚無權(quán)威性評判依據(jù)，也無法對一些關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)進(jìn)行驗證，如：防積雪坡度、攔雪坎高度、滴水線排水口尺寸和積雪與不同材料的摩擦系數(shù)等。為了解決工程實際的需要，我司參考了建工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《建筑幕墻熱循環(huán)試驗方法》JG/T 397—2012，制定了相關(guān)檢測方案，以便驗證有關(guān)防冰墜設(shè)計的可行性和實際效果，分析可能出現(xiàn)的不利情況，檢討是否有更優(yōu)的方案。
4.1 模擬試驗條件
4.1.1 試驗設(shè)備要求
試驗設(shè)備應(yīng)滿足《建筑幕墻熱循環(huán)試驗方法》JG/T397-2012的要求，設(shè)備熱循環(huán)能力滿足高溫80 ℃，低溫-20℃，輻照強(qiáng)度（詞條“強(qiáng)度”由行業(yè)大百科提供）1250W/m2。箱體內(nèi)試件周邊需采用絕熱墻體封閉。試驗箱地面需設(shè)深色柔性不積水鋪裝，并帶精度為毫米的標(biāo)尺(用于觀察冰塊尺寸)。
4.1.2 樣品要求
樣品應(yīng)與實際工程中的截面大小、建筑師認(rèn)可的材料相一致。樣品的施工及安裝方法也與實際施工現(xiàn)場的安裝相一致。
幕墻試件試件分為三組，兩組為設(shè)計檢驗組試件(圖7)，上面一條采用T1橫向裝飾條，下面兩條T2橫向裝飾條;一組為對照組試件(圖8)，上面一條上端泛水坡度約2%;中間一條上端泛水坡度約8%;下面一條上端泛水坡度約12%。
圖7
圖8
4.1.3 材料
人造冰/人造雪：人造冰直接市場購買，人造雪通過冰沙模擬。需提前按三倍用量備貨(本試驗不少于2立方米。)，試驗前需在-10℃以下保溫。
4.1.4 觀察設(shè)備
采用視頻監(jiān)控和定時攝影(不少于五分鐘一次)。負(fù)責(zé)觀察線條上下左右，及負(fù)責(zé)觀察墜落后冰雪塊體形態(tài)的，不少于五個視角。
4.2 試驗過程
4.2.1 試驗準(zhǔn)備
試驗前，試驗箱體提前降溫至-10℃，并保持恒定溫度不少于2小時;在橫向裝飾條上側(cè)表面模擬自然降雪的積雪過程中(堆積人造冰沙或人造雪)，外側(cè)可采用透明聚碳酸酯膠板臨時支護(hù)，自然堆砌刮平不得壓實，堆雪厚度必須均勻并符合以下尺寸：
1)設(shè)計檢驗組，上層分別為：300mm、250mm;中層分別為：200mm、150mm;下層分別為：100mm、50 mm。
2)試驗對照組，上層為：300mm;中層為：200mm;下層為：100mm。
4.2.2 無日照無凍雨工況模擬冰雪融化試驗過程
1)1小時內(nèi)，將幕墻試件室外側(cè)氣溫均勻降低到-10℃，并保持恒定溫度1小時，幕墻試件室內(nèi)側(cè)氣溫保持24℃;
2)1小時內(nèi)，均勻?qū)⒛粔υ嚰彝鈧?cè)氣溫升高至10℃，模擬冰層融化過程。幕墻試件室內(nèi)側(cè)氣溫保持24℃，過程中通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)觀察冰層的融化過程;
3)重復(fù)以上1)、2)過程，直至所有冰雪融化。
4.2.3 無日照有凍雨工況模擬冰雪融化試驗過程
1)1小時內(nèi)，將幕墻試件室外側(cè)氣溫降低到-10℃，并保持恒定溫度1小時;
2)每個線條均勻噴淋10ml/平方米的冰水，1小時內(nèi)將幕墻試件室外側(cè)氣溫均勻降低到-10℃，并保持恒定溫度1小時，幕墻試件室內(nèi)側(cè)氣溫保持24℃;
3)1小時內(nèi)，均勻?qū)⒛粔υ嚰彝鈧?cè)氣溫升高至10℃，模擬冰層融化過程。幕墻試件室內(nèi)側(cè)氣溫保持24℃，過程中通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)觀察冰層的融化過程;
4)重復(fù)以上1)、3)過程，直至所有冰雪融化。
4.2.4 有日照無凍雨工況模擬冰雪融化試驗過程
1)1小時內(nèi)，將幕墻試件室外側(cè)氣溫均勻降低到-10℃，并保持1小時，幕墻試件室內(nèi)側(cè)氣溫保持24℃;
2)1小時內(nèi)，均勻?qū)⒛粔υ嚰彝鈧?cè)氣溫升高至10℃，室外輻射照度940W/m2，模擬冰層融化過程，幕墻試件室內(nèi)側(cè)氣溫保持24℃。過程中通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)觀察冰層的融化過程;
3)重復(fù)以上1)、2)過程，直至所有冰雪融化。
4.3 試驗評價
1)于試驗后匯總試驗結(jié)果并生成文字報告(附照片)及視頻記錄;
2)分析冰雪融化規(guī)律和冰凌(如有)形成規(guī)律，含對應(yīng)時間和尺度;
3)分析冰凌或融雪滑墜規(guī)律，含對應(yīng)時間和尺度;
4)分析墜落冰雪的傷害風(fēng)險;
5)當(dāng)單粒墜落冰塊大于12mm時，應(yīng)判定防冰墜效果未達(dá)標(biāo)，設(shè)計需進(jìn)行改進(jìn)。
5.結(jié)語
本文通過對幕墻冰墜成因的分析，細(xì)化防冰墜設(shè)計注意事項，并在具體工程項目上進(jìn)行了嘗試。受條件所限，部分內(nèi)容未能充分解決，包括以下方面尚需更深入的研究和探討。
1、氟碳噴涂鋁合金材質(zhì)，其防雪坡度臨界值在多大角度下不會積雪;
2、防冰雪涂料防雪坡度臨界值，其耐候性和維護(hù)周期等因素能否應(yīng)用于幕墻;
3、試驗溫度等檢測參數(shù)如何與具體氣候?qū)?yīng);
4、熱循環(huán)時長擬定為1小時，是否合理可行;
5、墜落冰塊應(yīng)以什么為判定合理，重量或尺寸;
6、融雪電伴熱系統(tǒng)能否與幕墻泛光系統(tǒng)的結(jié)合，或是一個更大的課題。
參考文獻(xiàn)
[1] 熊武一、周家法主編,《軍事大辭海·上》[M]，長城出版社，2000年5月：第1157頁;
[2] 田發(fā), 蔣海彪. 一種水性雙組份防冰雪涂料及其生產(chǎn)方法:, CN 103045064 A[P]. 2013.
作者單位：深圳市新山幕墻技術(shù)咨詢有限公司
