建筑幕墻風(fēng)荷載取值的再討論

1、 建筑幕墻設(shè)計風(fēng)荷載取值的再討論 建筑幕墻設(shè)計風(fēng)荷載是玻璃幕墻設(shè)計諸荷載(作用)中最重要的一項。它的取值直接影響玻璃幕墻的安全，尤其是體型復(fù)雜的高層建筑玻璃幕墻的設(shè)計風(fēng)荷載更要慎重采用。 玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范JGJ102-2003指出，“經(jīng)驗表明，玻璃幕墻的設(shè)計主要取決于風(fēng)荷載作用，對于體型復(fù)雜的幕墻工程或房屋高度較高（比如超過200m）的幕墻工程，應(yīng)確保風(fēng)荷載作用下的可靠性”，“一般情況下，對幕墻起控制作用的是風(fēng)荷載。幕墻面板本身必須具有足夠的承載能力，避免在風(fēng)荷載作用下破碎。我國沿海地區(qū)經(jīng)常受臺風(fēng)的襲擊，設(shè)計中應(yīng)考慮有足夠的抗風(fēng)能力。”鑒于設(shè)計風(fēng)荷載對玻璃幕墻設(shè)計的重要性，在臺風(fēng)過后，不少

2、地區(qū)對臺風(fēng)給玻璃幕墻的影響進(jìn)行了調(diào)查和分析，也有不少學(xué)者對玻璃幕墻進(jìn)行了風(fēng)洞試驗和風(fēng)力測試分析，提出了很多論文和報告，這些論文和報告對完善玻璃幕墻設(shè)計風(fēng)荷載起極大作用，但也有些問題需要進(jìn)一步探討，現(xiàn)提出以下幾個問題和全國同行們討論。一 玻璃幕墻設(shè)計風(fēng)荷載計算中，基本風(fēng)壓是取50年一遇的基本風(fēng)壓，還是要提高到取100年的基本風(fēng)壓值。GB50009指出：“對于圍護(hù)結(jié)構(gòu)，其重要性與主體結(jié)構(gòu)相比要低些，仍可取50年一遇的基本風(fēng)壓?！爆F(xiàn)在有些地方建設(shè)部門，以廈門9914號臺風(fēng)、浙江2005年云娜臺風(fēng)的瞬時風(fēng)速為由，提出要改取100年一遇的基本風(fēng)壓。這是由于當(dāng)?shù)匦侣剢挝徽`導(dǎo)的結(jié)果，廈門9914號臺風(fēng)陣風(fēng)風(fēng)

3、速46米/秒，按廈門1958年1961年221次風(fēng)過程統(tǒng)計分析，瞬時風(fēng)速為10分鐘平均風(fēng)速的1.45倍，按此折算10分鐘平均風(fēng)速為31.72米/秒（按全世界平均值1.5倍折算10分鐘平均風(fēng)速為30.67米/秒），為11級風(fēng)（風(fēng)速28.532.6米/秒），不是14級風(fēng)（風(fēng)的等級表只有012級，12級為風(fēng)速32.6米/秒，沒有14級風(fēng)），按廈門基本風(fēng)壓0.80kN/m2折算風(fēng)速為35.78米/秒，即廈門9914號臺風(fēng)遠(yuǎn)未達(dá)到廈門50年一遇的基本風(fēng)壓；2005年云娜臺風(fēng)，溫州陣風(fēng)風(fēng)速36.9米/秒（按全世界平均值1.5倍折算10分鐘平均風(fēng)速為24.6米/秒），為10級風(fēng)（風(fēng)速24.528.4米/秒）

4、未達(dá)到其50年一遇的基本風(fēng)壓0.60 kN/m2（折算基本風(fēng)速31米/秒）；下大陳陣風(fēng)風(fēng)速58.7米/秒（按全世界平均值1.5倍折算10分鐘平均風(fēng)速為39.13米/秒），為12級風(fēng)（風(fēng)速32.6米/秒）但未達(dá)到其50年一遇的基本風(fēng)壓1.4kN/m2 （折算基本風(fēng)速47.33米/秒）。說明玻璃幕墻設(shè)計風(fēng)荷載取50年一遇的基本風(fēng)壓計算是可行的。二 怎樣評價風(fēng)洞試驗報告。 玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范JG102-2003規(guī)定：“玻璃幕墻的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值可按風(fēng)洞試驗結(jié)果確定；玻璃幕墻高度大于200m或體型、風(fēng)荷載環(huán)境復(fù)雜時，宜進(jìn)行風(fēng)洞試驗確定風(fēng)荷載?！?有的論文提出：“風(fēng)洞試驗值比規(guī)范更精確”?！?風(fēng)洞試驗之所

5、以精確，因為它真正模擬表現(xiàn)出了風(fēng)對于不同建筑物的影響”。上海×××中心“由國際著名風(fēng)工程專家×××主持×××邊界層風(fēng)洞試驗室完成的風(fēng)洞實驗。其實驗數(shù)據(jù)翔實，方法可靠，結(jié)論合理?！边@些論點值得商榷。 我們要認(rèn)識到，風(fēng)洞不能自動創(chuàng)造某建筑物所在地點的風(fēng)環(huán)境，并得出建筑物表面各處風(fēng)荷載。建筑物所在地區(qū)的風(fēng)速是通過風(fēng)速儀等儀器長期觀測紀(jì)錄、并經(jīng)數(shù)理統(tǒng)計分析得出的；對風(fēng)剖面還要用高桅塔或高空氣球來測得不同高度風(fēng)速后進(jìn)行數(shù)理分析、回歸成公式來表述。因此不是風(fēng)洞創(chuàng)造預(yù)定的風(fēng)環(huán)境，而是人根據(jù)長期觀測資料的分析結(jié)果確定風(fēng)環(huán)

6、境有關(guān)參數(shù)，風(fēng)洞試驗時在風(fēng)洞中摸擬大風(fēng)邊界層流場，風(fēng)洞中摸擬的風(fēng)環(huán)境與再現(xiàn)的預(yù)計風(fēng)環(huán)境近似程度完全取決于人對風(fēng)環(huán)境有關(guān)參數(shù)的理解和運用。如果風(fēng)環(huán)境參數(shù)選擇不當(dāng)，則模擬的風(fēng)環(huán)境與預(yù)定情況大相徑庭。同時還要指出風(fēng)洞試驗的結(jié)果主要是體型系數(shù)來流風(fēng)壓與建筑表面實際（壓）吸力的比值，也有的風(fēng)洞試驗可在風(fēng)洞中的各高度調(diào)整風(fēng)速來測得不同高度的壓力系數(shù)(即體型系數(shù)與風(fēng)壓高度變化系數(shù)近似乘積)，各處的風(fēng)荷載是將測點的壓力系數(shù)乘以風(fēng)洞對應(yīng)點風(fēng)速換算成實際風(fēng)環(huán)境中風(fēng)速計算出來的風(fēng)壓，即風(fēng)荷載是計算值，而不是直接從風(fēng)洞試驗中得到，在計算中采用的風(fēng)環(huán)境計算參數(shù)取值直接影響風(fēng)荷載計算結(jié)果。上海××&#

7、215;中心風(fēng)洞試驗報告中“×××對上海風(fēng)環(huán)境進(jìn)行研究后，在其風(fēng)洞試驗報告所選用的梯度風(fēng)風(fēng)壓為1.5KPa。這與按規(guī)范GB50009中上海地區(qū)50年回歸期基本風(fēng)壓0.55 KPa，并經(jīng)風(fēng)壓風(fēng)速轉(zhuǎn)換后利用規(guī)范公式7.6.2-2推導(dǎo)的結(jié)果比較，×××的梯度風(fēng)風(fēng)壓結(jié)論介于地粗面糙度A類B類之間，而不是通常認(rèn)為的陸家嘴地區(qū)為地粗面糙度C類。”上海地區(qū)基本風(fēng)壓0.55 KPa是根據(jù)上海氣象臺歷年（50年以上）來的最大風(fēng)速記錄，經(jīng)統(tǒng)計分析確定的（規(guī)范對梯度風(fēng)高度分別規(guī)定為hTa=300m、hTb=350m、hTc=400m、hTd=450m）。上

8、述風(fēng)洞試驗報告所選用的梯度風(fēng)風(fēng)壓為1.5KPa，沒有說明梯度風(fēng)高度取多高，梯度風(fēng)風(fēng)速用什么方法（儀器），經(jīng)過多少（幾十）年、取得多少（幾十、幾百、幾千、幾萬-）個樣本，用什么方法得出的。怎樣得出比規(guī)范更精確的結(jié)論的。 在大氣邊界層內(nèi)，風(fēng)速隨離地面高度而增大。在大量觀測資料積累的基礎(chǔ)上，基于相似理論得出的近地層的風(fēng)速廓線(剖面) 近似符合指數(shù)規(guī)律，盡管這種方法具有思路清析、概念明確、易于操作的特點，但從對若干個有100m以上的超高層建筑地區(qū)不同高度最大風(fēng)速記錄統(tǒng)計分析，100m以上風(fēng)速廓線(剖面)并不符合指數(shù)規(guī)律，而是呈拋物線或多項式曲線分布。風(fēng)洞試驗時一種方法是取全斷面同一流場速度（流場速度的

9、不均勻性小于2%），試驗的結(jié)果主要是體型系數(shù)（來流風(fēng)壓與建筑表面實際（壓）吸力的比值），用此體型系數(shù)乘以風(fēng)壓高度變化系數(shù)和用風(fēng)洞對應(yīng)點風(fēng)速換算成實際風(fēng)環(huán)境中風(fēng)速計算的風(fēng)壓的結(jié)果即為設(shè)計風(fēng)荷載（陣風(fēng)還考慮陣風(fēng)系數(shù)）。另一種方法是風(fēng)洞試驗時，在風(fēng)洞中試驗區(qū)前設(shè)擋板、百頁、擱柵、濾網(wǎng)等使試驗區(qū)風(fēng)洞剖面上、下各點風(fēng)速不同，并使風(fēng)洞風(fēng)剖面符合規(guī)定的指數(shù)規(guī)律，試驗的結(jié)果測得不同高度的壓力系數(shù)(即體型系數(shù)與風(fēng)壓高度變化系數(shù)近似乘積)，測點的壓力系數(shù)乘以風(fēng)洞對應(yīng)點風(fēng)速換算成實際風(fēng)環(huán)境中風(fēng)速計算出來的風(fēng)壓，得出風(fēng)荷載值，但是風(fēng)剖面取不同指數(shù)值，會得出不同結(jié)果。例如上海中銀（浦東國際金融）大廈風(fēng)洞試驗，同濟(jì)大學(xué)取

10、=0.16（基準(zhǔn)點取為350 m、基準(zhǔn)點風(fēng)壓3.8 KPa），得230m處風(fēng)荷載為7KPa，上海建筑科學(xué)研究院取=0.18（基準(zhǔn)點取為230 m、基準(zhǔn)點風(fēng)壓1.65KPa），得230m處風(fēng)荷載為7.49KPa，如果將上海建筑科學(xué)研究院取=0.18用算換公式C=（230/10）0.16×（230/10）0.18=0.939，7.49×0.939=7.037.00KPa。上海×××中心風(fēng)洞試驗報告報告的“風(fēng)洞試驗值與按規(guī)范公式計算結(jié)果不同，按規(guī)范公式計算風(fēng)壓隨樓層高度而升高，在400米處，即規(guī)范的（C類）梯度風(fēng)高度趨于平穩(wěn)。但風(fēng)洞試驗顯示風(fēng)壓在26

11、0米處達(dá)到最大，然后開始隨高度上升平穩(wěn)下降”（也有部分風(fēng)洞試驗報告有類似報告）。不過上述風(fēng)洞試驗報告未說明風(fēng)洞試驗區(qū)風(fēng)洞風(fēng)剖面指數(shù)取值（按C類還是介于地粗面糙度A類B類之間）。風(fēng)洞試驗值與按規(guī)范公式計算結(jié)果不同，形成這種差異的原因還不能確定，是來流風(fēng)速對高層建筑的效應(yīng)就是這樣，還是風(fēng)洞中風(fēng)環(huán)境（有風(fēng)洞壁約束）與自然界風(fēng)環(huán)境（自由流通）的差異形成的，誰更精確要用實踐是檢驗真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)來評價，即在進(jìn)行過風(fēng)洞試驗的建筑上每隔一定高度，同時設(shè)風(fēng)速儀和風(fēng)壓板，測出某一高度大氣流場風(fēng)速和同一高度建筑上風(fēng)壓值，積累觀測資料得出更精確的結(jié)論。 風(fēng)壓是速度壓，風(fēng)速只是代表在自由氣流中某點的風(fēng)速，房屋建筑設(shè)計時

12、不能直接以該風(fēng)速作為結(jié)構(gòu)荷載，因為房屋本身并不是理想地使原來的自由風(fēng)流停滯，而是讓氣流以不同方式在房屋表面繞過，因此房屋對氣流形成某種干擾，要完全從理論上確定氣流影響的物體表面的壓力，目前還是做不到。一般都是通過試驗的方法確定風(fēng)作用在建筑物表面所引起的壓力(吸力)與來流風(fēng)壓的比值，即風(fēng)荷載體型系數(shù)，它表示建筑物表面在穩(wěn)定風(fēng)壓作用下的靜態(tài)壓力分布規(guī)律，主要與建筑物的體型與尺度有關(guān)(荷載規(guī)范共列出38種基本體型)，一些高層建筑采用一些特殊的體型（非基本體型），且不同高度采用不同的截面形狀，沿高度變化的截面風(fēng)壓分布復(fù)雜多變，例如正負(fù)風(fēng)壓系數(shù)都出現(xiàn)在雙園弧面尖角拐角，雙園弧面與過渡段交接處的尖角上有極

13、強(qiáng)的壓力脈動等，這些分布規(guī)律在荷載規(guī)范風(fēng)荷載體型系數(shù)表中是查不到的，需要通過風(fēng)洞試驗來驗證和確定。風(fēng)洞試驗用模型為實際尺寸的1/2001/400，如1/400模型上最外一測點距邊5mm，它反映的是建筑上距邊2m處的風(fēng)壓值，風(fēng)壓值在邊角部變化很快，測點微小的變化即會引起較大的偏差，就是說風(fēng)洞模型在邊角部的讀數(shù)有可能與實際值存在偏差，因此，對于邊角部風(fēng)壓值要在風(fēng)洞試驗值的基礎(chǔ)上考慮適當(dāng)調(diào)整。建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范GB50009指出：“對封閉式建筑物，考慮到建筑物內(nèi)實際存在的個別孔口和縫隙，以及機(jī)械通風(fēng)等因素，室內(nèi)可能存?zhèn)€在正負(fù)不同的氣壓”?！膀炈銍o(hù)構(gòu)件及其連接的強(qiáng)度時，可按下列規(guī)定采用局部風(fēng)壓體型系數(shù)

14、-二、內(nèi)表面 對封閉式建筑物，按外表面風(fēng)壓的正負(fù)情況取-0.2或0.2?！倍L(fēng)洞試驗只反映外表面的正負(fù)風(fēng)壓，因此設(shè)計時要在風(fēng)洞試驗值的基礎(chǔ)上考慮內(nèi)表面局部風(fēng)壓體型系數(shù)。建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范GB50009指出：“當(dāng)多個建筑物，特別是群集的高層建筑，相互間距較近時，宜考慮風(fēng)力相互干擾的群體效應(yīng)；一般可將單獨建筑物的體型系數(shù)s乘以相互干擾征增大系數(shù)，該系數(shù)可參考類似條件的試驗資料確定；必要時宜通過風(fēng)洞試驗得出?！碑?dāng)周圍有較多高層建筑時，這一群體對風(fēng)產(chǎn)生特定的群體干擾因而形成了特定的風(fēng)環(huán)境，對所設(shè)計的高層建筑也會產(chǎn)生影響，受到群體干擾影響時，對稱的截面形狀會出現(xiàn)并不對稱的風(fēng)壓分布，特別是上游和下游建筑物對

15、氣流產(chǎn)生的干擾造成群體干擾影響下的氣流特性與單體有很大差別，其風(fēng)壓分布復(fù)雜多變，而我國現(xiàn)行規(guī)范未考慮群體干擾的影響因素，這些分布規(guī)律在荷載規(guī)范風(fēng)荷載體型系數(shù)表中是查不到的，需要通過風(fēng)洞試驗來驗證和確定。必須指出風(fēng)洞試驗時，群體干擾效應(yīng)必須采用最不利組合，例如上海中銀（浦東國際金融）大廈風(fēng)洞試驗時，進(jìn)行了有或無交銀大廈的對比試驗，無交銀大廈時北面鄰緊交銀大廈大面上風(fēng)壓有所增大，有交銀大廈時，由于交銀大廈的存在，+143米近邊緣處局部風(fēng)壓系數(shù)增大近4倍。因此，風(fēng)洞試驗時，不僅要考慮現(xiàn)有建筑布局，而且要考慮將來建筑布局變化后的不利影響，取最不利組合。三怎樣理解和執(zhí)行強(qiáng)制性條文。 2000年8月25日

16、建設(shè)部第81號令發(fā)布了實施工程建設(shè)強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)督規(guī)定，實施工程建設(shè)強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)督規(guī)定進(jìn)一步明確了工程建設(shè)中兩類不同標(biāo)準(zhǔn)的屬性，即強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)的必須執(zhí)行的原則和推薦性標(biāo)準(zhǔn)自愿采用的的原則。建筑工程質(zhì)量管理采取技術(shù)法規(guī)與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)相結(jié)合的管理體制，技術(shù)法規(guī)是強(qiáng)制性的，是把那些涉及建設(shè)工程安全、人體健康、環(huán)境保護(hù)和公共利益的技術(shù)要求用法規(guī)形式規(guī)定下來，嚴(yán)格貫沏在工程建設(shè)中，不執(zhí)行技術(shù)法規(guī)就是違法，就要受到處罰。而技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)除了被技術(shù)法規(guī)引用部份以外，都是自愿采用的，可由雙方在合同中約定。 建設(shè)工程質(zhì)量管理條例將強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)與法律、法規(guī)并列起來，使得強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)在實效上與法律、法規(guī)等同，從而確定了強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)具有法

17、規(guī)文件的屬性，也就是說強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)本身雖然不是法規(guī)，但建設(shè)工程質(zhì)量管理條例中給予明確了法規(guī)的性質(zhì)。 實施工程建設(shè)強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)督規(guī)定第三條指出“工程建設(shè)強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)是指直接涉及工程質(zhì)量、安全、衛(wèi)生及環(huán)境保護(hù)方面的工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)制性條文?！?建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范GB50009第7.1.1條關(guān)于風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值的規(guī)定是強(qiáng)制性條文，必須執(zhí)行，不執(zhí)行就是違法。如果風(fēng)洞試驗屬于新技術(shù)、新工藝、新材料，應(yīng)按建設(shè)部實施工程建設(shè)強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)督規(guī)定第三條規(guī)定：“工程建設(shè)中擬采用的新技術(shù)、新工藝、新材料，不符合現(xiàn)行強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)的，應(yīng)由擬采用單位提請建設(shè)單位組織專題論證，報批準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)的建設(shè)行政主管部門或國務(wù)院有關(guān)主管部門審定。 工程

18、建設(shè)中采用國際標(biāo)準(zhǔn)或國外標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)行強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)未作規(guī)定的，建設(shè)單位應(yīng)當(dāng)向國務(wù)院建設(shè)行政主管部門或國務(wù)院有關(guān)行政主管部門備案?！鄙鲜鲆?guī)定分出了兩個層次的界限：A.不符合現(xiàn)行強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的；B.現(xiàn)行強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)未作規(guī)定的。這兩種的情況是不一樣的，對于新技術(shù)、新工藝、新材料不符合現(xiàn)行強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的，是指現(xiàn)行強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)中已經(jīng)有明確的規(guī)定或限制，而新技術(shù)、新工藝、新材料達(dá)不到這些要求或者超過其限制條件，則受規(guī)定的約束；對于國際標(biāo)準(zhǔn)或國外標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，現(xiàn)行強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)未作規(guī)定，采納時應(yīng)當(dāng)辦理備案程序，責(zé)任由采納單位負(fù)責(zé)。但是如果國際標(biāo)準(zhǔn)或者國外標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定不符合現(xiàn)行強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，則不允許采用。這時，國際標(biāo)準(zhǔn)或者國外標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定屬于新藝術(shù)、新工藝、新材料的范疇，則應(yīng)按照新技術(shù)、新工藝、新材料的規(guī)定進(jìn)行審批。建設(shè)部第278號公告規(guī)定了采用不符合工程建設(shè)強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)的新技術(shù)、新工藝、新材料核準(zhǔn)的行政許可條件、申請材料目錄、行政許可程序等有關(guān)事項，并規(guī)定行政許可辦理機(jī)構(gòu)為建設(shè)部標(biāo)準(zhǔn)定額司。 四關(guān)于雙層幕墻設(shè)計風(fēng)荷載取值。 對于雙層幕墻設(shè)計風(fēng)荷載取值，有的學(xué)者曾提出，幕墻設(shè)計風(fēng)荷載取陣風(fēng)（