抗震设防烈度9度及以上地区的建筑幕墙设计

　　建筑幕墙在我国应用与实践已经有30多年的时间，作为现代城市建筑的标志性外墙形式，幕墙已经广泛地被应用于建筑工程中，且技术发展很快。在现行颁布的幕墙相关国家规范和标准中，玻璃幕墙、石材幕墙、采光顶等幕墙形式的抗震设防烈度的适用范围均不大于8度。

　　对2008年汶川地震及以后几次地震的现象进行分析来看，幕墙作为建筑的表皮构造，在地震中的表现非常优异(图1)。

　　地震以后，玻璃幕墙、铝板幕墙、石材幕墙的完整度非常好，一般只有个别局部破损，在主体结构没有倒塌的情况下，幕墙整体垮塌的现象极罕见。地震后经过调研，幕墙行业内部认为，现有的幕墙设计方法及构造具备了优良的抗震性能，在高抗震设防烈度地区，幕墙的结构抗震性能完全可以满足幕墙本身的安全要求。所以有一种观点开始在建筑行业内频繁出现，那就是与幕墙相关的国家规范和标准应该把幕墙的抗震设防烈度适用范围提高到9度及以上地区。但笔者认为，在抗震设防烈度9度及以上地区，需对幕墙使用的必要性、设计方法、计算分析及构造设计，进行进一步的研究和探讨;盲目放开抗震设防烈度适用范围的做法不可取，具有很大的隐患，甚至是危险的，幕墙行业从业者必须慎重对待。

　　1　在当前情况下，相关规范不应该放开抗震设防烈度9度以上地区幕墙的限制

　　为什么不应该放开抗震设防烈度9度及以上地区使用幕墙的限制呢?我们要先问问自己：放开的目的及意义是什么?在抗震设防烈度9度及以上地区使用幕墙是否具备了理论及实践的基础?是否全面考虑了由此带来的后果?制定政策时，是否把人民的生命财产安全放到了第一位?这些都需要建筑行业从业者慎重思考。

　　1.1 区域分析

　　《建筑抗震设计规范》 (GB 50011-2010)规定，我国“抗震设防烈度不低于9度，设计基本地震加速度不下于0.4g”的地区包括：1)四川省康定、西昌;2)云南省寻甸、昆明(东川)、澜沧;3)西藏自治区当雄、墨脱;4)甘肃省古浪;5)新疆维吾尔族自治区乌恰、塔什库尔干;6)台湾省台中、苗栗、云林、嘉义、花莲。

　　可以看出，绝大部分地区比较边远，经济发展相对滞后，建筑市场相对不发达，建筑幕墙在这些地区应用较少。仅从汶川地震现场勘查也可发现， 在汶川及周边地区幕墙也只是在建筑局部使用较多，大面积采用的情况较少。那么幕墙在9度及以上地区， 建筑物上使用的可靠经验也就谈不上有多丰富，仅从这些少量的应用案例就断定幕墙在高抗震设防烈度地区能够安全使用，未免有些武断。

　　1.2 规范规定分析

　　从《建筑抗震设计规范》中有关我国主要城镇抗震设防烈度的规定可以看出，没有抗震设防烈度9度这个概念，只有“不低于9度”，就是说在这些地区设计建筑物时，9度的抗震设防只是最低标准，只按这一标准来设计是不能保证建筑物安全的。行业内的很多设计思维恰恰忽略了此概念，往往只以9度抗震设防的参数进行计算分析，这种做法从根本上就是错误的，是不能在技术源头上保证抗震设防烈度9度及以上地区幕墙的使用安全的，并且将带来极大的安全隐患。

　　1.3 未来发展分析

　　《建筑抗震设计规范》规定的“抗震设防烈度不低于9度”的绝大部分地区以前经济不发达，且对建筑业关注较少。但随着社会的发展，人们生活意识的改变，旅游业使这种情况产生了翻天覆地的变化。这些地区虽然偏远，但恰恰风景优美、气候宜人，是现代都市人度假的好去处。就以四川省西昌市为例，近年来西昌度假的人群逐渐增加，年年假期西昌人满为患，这就催生了度假酒店、旅游设施、疗养场所的快速建设。同时，旅游的发展还带动了金融服务、行政办公、商务接待等相关建设。而现代建筑幕墙独有的魅力，使项目建设方、建筑师会优先考虑在建筑上使用幕墙来实现建筑效果，因此今后建筑幕墙在抗震设防烈度不低于9度地区的使用将不再是个案，会迅速发展起来。

　　1.4 地震危害分析

　　关于幕墙在地震中的危害，有些幕墙从业者还有一个误区，就是认为在大地震情况下，幕墙主支承系统不脱落就是保证了安全，这种思想从建筑安全角度来看也是错误的。因为建筑幕墙所使用的玻璃、石材等面材，都是脆性材料。在发生大地震的情况下，主体结构变形会非常大，甚至有可能会发生严重破坏。脆性的幕墙面材在复杂作用力的影响下，会发生不同程度的破坏。当尖锐的破碎飞溅物向马路及周边倾泻时，会对周边人民群众的生命和财产造成严重威胁。极端情况下会出现影响逃生通道的现象，从而造成更加严重的后果。特别是周边建筑都是玻璃或石材幕墙等脆性材料的情况下，大地震发生时，即使没有出现房屋倒塌，幕墙的碎片也会对室内外的人群造成致命的伤害，这也是不可接受的。

　　1.5 后果分析

　　随着经济的发展、城市建设及规划的需要，幕墙在高抗震设防烈度地区的使用迅速增多。仅从西昌地区来看，笔者参与审查的超限设计幕墙工程，在2012~2014年3年间合计12项，而2015年达到了13项，2016年前6个月已经有8项。而且幕墙使用范围也发生了变化，以前幕墙在西昌地区工程项目上仅是局部、小范围采用，而近两年建筑外表皮全部采用幕墙的建筑工程也开始出现了。幕墙在抗震设防烈度9度及以上地区的使用正在迅猛发展，我们必须认识到局面的严重性及紧迫感。

　　正因为这些可以预见的未来，在没有充分的实践经验、完善的设计方法、完备的施工技术保障措施之前，坚决不能放开幕墙关于抗震设计适用范围限制的相关规范，否则缺少了规范的限制，也就缺失了专门研究和有效监督。在利益的驱使下，必要或不必要的幕墙项目将在这些地区大量涌现，并且由于地区偏远，在设计施工水平不能充分保障、 有效监督又不能实施的情况下，带来的社会安全隐患是极大的。

　　通过以上分析可以看出，放宽在抗震设防烈度不低于9度地区的幕墙使用限制，在现有的实际条件下是冒险行为，既无实际意义，也无必要。因此，笔者建议行业相关研究部门谨慎对待。

　　2　在抗震设防烈度不低于9度地区使用幕墙时需注意的要点

　　在抗震设防烈度不低于9度地区使用幕墙时，设计应该注意什么;采取什么必要的技术措施来保证幕墙结构的使用安全;具体的设计方法和构造是什么，这些问题亟待讨论及解决。

　　2.1 建筑工程表皮采用幕墙的必要性问题

　　在高抗震设防烈度地区的一些建筑有无必要一定要使用幕墙呢?这就牵涉到项目论证中的必要性问题。有些幕墙设计师往往会说，是否使用幕墙是业主、建筑师决定的，我们只是把幕墙设计出来。这就道出了管理中的一个问题：在高抗震设防烈度地区，幕墙的使用必要性和可行性需在哪一个设计阶段引起重视并确定?现实情况是，幕墙的使用在前期规划、建筑设计阶段很少被人重视，往往直到幕墙设计阶段才被提起，甚至有些建筑结构的主体都施工了才想到幕墙设计。这样，使幕墙是否使用及怎样使用的问题变得选项较少，使得工程后期变更外装饰形式所产生的影响及成本较大，各方都不易承受。所以，传统的事后管理缺乏有效性与规范性。因此从设计角度考虑，至少应在建筑初步设计阶段提前将幕墙在项目上使用的必要性做出论证，做到事前管理，才能解决根本性问题。

　　2.2 荷载取值及作用效应组合问题

　　《建筑抗震设计规范》 (GB 50011-2010) 中5.4.1条有这样一个规定：“结构构件的地震作用效应和其他荷载效应的基本组合……风荷载组合值系数，一般结构取0.0，风荷载起控制作用的建筑应采用0.2。”因此幕墙行业内出现了一种思路：在风荷载起控制作用的幕墙设计里，地震作用不参与组合;而在抗震设计时，风荷载组合值系数以上面的条款为依据取0.2即可。这种荷载组合的幕墙设计方法可以说从根本上改变了传统的幕墙设计计算荷载取值方式，在一定程度上减小了幕墙设计时的荷载组合值，弱化了抗震设计在幕墙设计中的重要性。先不论这种荷载组合方法是否科学，且是否能充分保证地震中幕墙结构的安全，但笔者认为这种设计方法在高抗震设防烈度地区是不适宜的。

　　幕墙设计与主体结构设计是不同的。《建筑抗震设计规范》更关注于主体结构的设计与安全，由于主体结构的质量很大，在地震情况下所产生的破坏力是非常巨大的，因此风荷载的重要性就没有地震力严重，往往不起控制作用。但幕墙的特点与主体结构完全不同。一般情况下幕墙的质量相对较小，地震常常不起控制作用，且幕墙是建筑物首先承受风荷载的构件，因此风荷载的破坏情况及程度会更加突出，所以幕墙设计更重视风荷载对幕墙结构的影响。所以风荷载作用在幕墙抗震设计中不应该被弱化。一般情况下，地震发生前后及余震过程中常伴随大风降雨天气，不能排除地震作用与风荷载作用同时发生的情况。若为符合《建筑抗震设计规范》中的内容，在抗震设计情况下大幅度减弱风荷载对幕墙的影响，笔者觉得荷载组合值偏小，在高抗震设防烈度地区是不安全的，不利于建筑在地震周期内的安全，极可能造成二次灾害的发生。同时，抗震设防9度及以上地区的幕墙结构分析往往采用烈度9度的相关数据，其本身标准就很低，再将风荷载的组合系数降低，建筑的安全保障能力就更不足了。

　　所以笔者认为，在抗震设防烈度9度及以上地区的抗震设计时，风荷载作为第二可变荷载，组合值系数采用《建筑结构荷载规范》规定的0.6为宜。

　　2.3 建筑体型是否有利于抗震及其对建筑表皮的影响

　　在现代建筑设计中，很多建筑师喜欢用曲线、凹凸、悬挑来达到新颖的目的。但建筑体型是否有利于抗震一般有以下三个原则：1)建筑平面外形规则，无过大凹进或凸出部位;2)建筑立面平整规则，无立面收进或突出部位;3)建筑功能分区划分规则，使结构构件布置规则对称，荷载均匀对称。 这三个原则主要考虑的是建筑物在受地震作用时无明显受力集中及薄弱点，因为一般构件的受力破坏是先从薄弱点开始的。因此在高抗震设防烈度地区的建筑设计中，应要求遵循以上原则。同时，建筑表皮的造型直接受到建筑体型的影响，因此表皮设计也应符合以上三个原则。在安全面前，一切花哨的概念都不能作为必要存在的理由。

　　2.4 主体结构设计是否为幕墙构造提供了充分的支承

　　从国内建筑设计、结构设计、幕墙设计三者之间的关系来看，很多建筑的设计过程，往往是建筑、结构设计完成后幕墙设计才介入，有的甚至是主体结构都已经施工的情况下幕墙设计才介入。而绝大多数建筑师、结构师对幕墙构造及其作用原理不理解，这就造成了在一些情况下原有结构设计是否能满足幕墙结构所施加的荷载成为了问题。特别是一些幕墙形式、造型、构造复杂的情况下，例如大跨度、大悬挑的幕墙构造，边角区、边棱处的幕墙构造，索幕墙、肋驳接幕墙、出屋面与女儿墙或附加钢结构连接的幕墙等部位，结构师在设计梁柱时常常考虑不到复杂的状况，特别是在高抗震设防烈度地区，地震作用对这些幕墙形式、构造也是很敏感的，施加到主体结构的力会超出一些结构设计师的想象。因此，主体结构设计是否为幕墙构造提供了充分的支承也是保证建筑安全的重要环节。

　　2.5 幕墙与主体结构的连接是否使用预埋件

　　幕墙与主体结构连接使用预埋件已经被建筑行业普遍接受，但还是有些项目由于组织、管理、分工、意识等原因，在主体施工过程中没有把幕墙所需的预埋件与主体结构同时施工，这就造成了需要后补埋件。一般来说，对于受力结构不复杂、力的大小对主体结构影响不大、施工条件允许的情况下，正确的设计及施工后补埋件并不影响结构安全。但抗震设防烈度9度及以上地区使用后补埋件会面临规范适用性的问题。幕墙后补埋件采用的锚固件一般使用后扩底锚栓或化学锚栓，但在《混凝土结构后锚固技术规程》中明确规定了后扩底锚栓和化学锚栓，在抗震设防烈度9度及以上地区是不适用的。因此在高抗震设防烈29度地区的幕墙埋件须采用预埋件，并能够落实到施工过程中为宜。若必须采用后补埋件，也应采取必要的安全保障措施。

　　2.6 幕墙构造本身是否充分考虑了抗震技术措施

　　幕墙设计的关键是接缝设计。幕墙构件之间变位能力的实现就是依靠各构件之间的接缝来实现的，而幕墙这种外装形式之所以具备优良的抗震性能，就是因为幕墙本身的构造具备优良的变位能力。所以在高抗震设防烈度地区的幕墙设计，一定要对幕墙构造本身的抗震技术进行详细的分析及论证，可对以下几点特别关注：1)幕墙与主体结构连接采用的方式，尽量简化幕墙传递给主体结构的反力;2)幕墙龙骨材料应选用具备优良弹性性能的材料，同时该材料应在发生塑性变形时具备一定的延展性，并继续维持一定的强度及刚度，不应出现弹塑性转换瞬间断裂的情况;3)幕墙龙骨之间的连接首选螺栓连接，并保持龙骨之间的变形、滑动能力;4)幕墙面材与龙骨之间连接应具备一定的弹性，不出现硬碰硬的状况;5)面板连接方式须选用抗震性能优的形式，例如石材幕墙优选背栓连接，尽量不采用短槽连接方式;6)幕墙面材优先选用延展性好的材料，不可避免采用脆性材料的情况下，应采取防碎裂坠落措施;7)各构件之间连接，特别是依靠材料自重进行挂接的连接形式，例如石材背栓挂件、单元幕墙挂接等，一定要设计并确保实施防脱措施，防止幕墙板块上下、左右滑动而坠落。

　　2.7 幕墙结构计算是否准确且与实际工程相符

　　当前幕墙设计行业普遍存在这样一个设计分工：施工图设计师只画图不计算、结构设计师只计算不画图，这种现象在设计与施工一体的企业尤其明显。设计师的素质及能力直接决定了设计质量，而结构设计师的水平及与施工图设计师的配合就决定了幕墙的计算分析结果是否与实际工程情况相符。笔者在审查超限设计幕墙工程中发现，结构计算与施工图设计不一致从而产生安全问题的情况非常普遍，因此在高抗震设防烈度地区的幕墙设计尤其要注意这一点。

　　2.8 竖向地震对幕墙的影响，特别关注雨篷和采光顶的安全

　　在传统的幕墙设计中，竖向地震作用往往不参与结构的分析计算，但在高抗震设防烈度地区竖向地震的影响不能忽略。特别是在如雨篷、采光顶的悬挑结构、水平结构上，竖向地震作用会对龙骨系统、连接系统带来非常大的负担，所以竖向地震作用应参与荷载组合。

　　2.9 表皮的复杂程度及材料的多样性问题，装饰构件不宜采用脆性材料

　　现代建筑表皮设计中，往往采用多种材料、多个层次、多变造型等组合结构来实现建筑的创意，使得幕墙结构及面材的形式更趋多样化，建筑形体的不规则与变化程度加大。因此幕墙构造体系就往往不是简单的力学受力模型，附加弯矩、附加扭矩、空间受力、结构失稳等复杂情况都要引起重视。同时在幕墙上使用新材料时，应对材料的特性进行详细研究后方可实施，不应只追求表面观感而盲目将性质不明的产品应用到幕墙上，特别是在高抗震设防烈度这种存在发生剧烈灾难隐患的地区。

　　同样为了体现表皮的新颖及特色，建筑师喜欢在建筑外面增加一些纯装饰构件，而这种装饰构件往往处于建筑的外沿及远端，为实现建筑效果连接也会比较轻薄。然而有些幕墙设计对这些构件的分析不够重视，因此在地震中受损的危险性会更大，所以在高抗震设防烈度地区应限制采用脆性材料作为装饰构件，并要求进行必要的分析和验证，保障其使用安全。

　　3　幕墙在抗震设防不低于9度地区使用时需要提示的其他事项

　　3.1 管理

　　行业的自律是企业本身的问题，因此这里主要指职能部门的管理。地方建筑主管部门应对本地区抗震设防烈度不低于9度的区域进行重点监控，从设计源头上及时做好引导、防范、纠正的作用，发挥职能部门统筹安排的优势。若能够从规划开始直到建筑设计、幕墙设计都能把好关，工程质量及工程安全在项目前段就得到了保障。

　　3.2 监督

　　社会、行业、业主、设计、监理、验收等各个环节都是监督的来源，而抗震设防烈度不低于9度地区的建筑工程质量监督作用更需要各个环节的努力。能否进行有效的监督，必要条件之一是做好这方面的宣传教育工作，让各方都能认识到高抗震设防烈度地区建筑安全的重要性，使监督从组织到自觉，才能充分达到监督的目的。

　　3.3 论证

　　在幕墙规范抗震适用范围不放宽的情况下，所有抗震设防烈度不低于9度地区的非金属板幕墙都应进行超限设计专项论证，这是保障设计质量、实现工程安全的必要手段之一。我国大部分设计师的幕墙设计水平还处于初级阶段，因此超限设计论证不应放松。即使将来在幕墙规范中把抗震适用范围放宽到抗震设防烈度9度，也应该对抗震设防烈度不低于9度地区的幕墙工程进行超限设计论证，不应该混淆“抗震设防烈度不低于9度”和“抗震设防烈度9度”这两个不同的概念。

　　3.4 设计提前

　　新建、改建建筑幕墙设计在原则上应与主体设计同步进行。当建筑幕墙由非主体结构设计单位进行设计时，业主应采取措施使建筑幕墙设计及早介入，并在主体设计的初步设计阶段确定幕墙设计方案。同时应依据国家相关的法律法规和标准规范，加强建筑幕墙方案设计、施工图设计和施工组织方案的安全技术论证。

　　4　结语

　　地震灾害有目共睹且教训深刻，怎样预防及减少地震带来的损失一直是业界研究的重点。从思想上重视，从标准上完善，从技术上保障，从管理上提高，都是保障在地震中建筑物安全的必要条件。我们作为建筑设计工作者，需首先做好我们的本职工作，用技术保障我们的设计作品能在地震中安然度过危机，特别是对抗震设防烈度不低于9度地区的建筑物设计，更应足够重视，做好科学研究与细致分析的工作。地震带来的危害是不能承受之重，谨慎比乐观更负责任。