林樹枝 廖文彬

(1.廈門市建設(shè)局 福建廈門 361003；2.福建天正建筑工程施工圖審查事務(wù)有限公司 福建廈門 361009)

0 引言

廈門作為海邊城市，1999年的9914號(hào)強(qiáng)臺(tái)風(fēng)和2016年1614號(hào)“莫蘭蒂”超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)，是廈門最嚴(yán)重的兩次臺(tái)風(fēng)災(zāi)害，臺(tái)風(fēng)過(guò)后，滿目瘡痍，停水停電，交通中斷，經(jīng)濟(jì)損失巨大，給廈門人民留下了刻骨銘心的痛苦記憶。

1999年9914號(hào)臺(tái)風(fēng)是廈門市建國(guó)近50年來(lái)遭遇最強(qiáng)的一次臺(tái)風(fēng)，強(qiáng)臺(tái)風(fēng)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)11h，極大風(fēng)速達(dá)47.1m/s( 15級(jí))，造成全市停電、停水、停氣，交通中斷，死亡13人，失蹤3人，受傷727人，經(jīng)濟(jì)損失19億元，是廈門市建國(guó)以來(lái)遭受損失最慘重的一次自然災(zāi)害。

2016年9月15日，超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“莫蘭蒂”正面登陸廈門，極大風(fēng)速達(dá)63.1m/s(大于17級(jí))，為廈門有氣象記錄以來(lái)的最大風(fēng)速。臺(tái)風(fēng)給廈門造成重創(chuàng)，導(dǎo)致全市大面積停電、停水和通訊中斷，65萬(wàn)棵行道樹倒伏，全市交通癱瘓，受災(zāi)企業(yè)566家，房屋損毀17 907間，農(nóng)作物受災(zāi)面積700.35hm2，直接經(jīng)濟(jì)損失102億元人民幣，因?yàn)?zāi)死亡1人、重傷2人。

1999年廈門新建建筑數(shù)量還較少，2016年廈門新建建筑、超高層等建筑已經(jīng)非常多，兩次超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)過(guò)后，廈門市建設(shè)局均組織專業(yè)技術(shù)人員對(duì)建筑受損情況進(jìn)行調(diào)查分析。本文介紹這兩次廈門最嚴(yán)重的臺(tái)風(fēng)災(zāi)害后的建筑受損調(diào)查情況，并主要從設(shè)計(jì)角度對(duì)調(diào)查結(jié)果進(jìn)行探討，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，以提高抵御大自然災(zāi)害能力。

1 建筑受損調(diào)查

1999年9914號(hào)臺(tái)風(fēng)中建筑受損情況調(diào)查結(jié)果[1]：廈門經(jīng)濟(jì)特區(qū)成立以來(lái)，實(shí)行監(jiān)督、監(jiān)理的在建及竣工建筑工程的地基基礎(chǔ)、主體結(jié)構(gòu)及建筑幕墻結(jié)構(gòu)在臺(tái)風(fēng)中基本完好，是安全可靠的。

2016年1614號(hào)“莫蘭蒂”臺(tái)風(fēng)后，基于輕鋼結(jié)構(gòu)和幕墻受臺(tái)風(fēng)影響較大，廈門市建設(shè)局組織專家對(duì)全市輕鋼結(jié)構(gòu)建筑物、構(gòu)筑物和幕墻受損情況分別進(jìn)行調(diào)查[2-3]。輕鋼結(jié)構(gòu)調(diào)查結(jié)果：符合現(xiàn)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)的輕鋼建筑主體結(jié)構(gòu)經(jīng)受住了1614號(hào)強(qiáng)臺(tái)風(fēng)考驗(yàn)，未見(jiàn)損壞，無(wú)需加固或修復(fù)，可繼續(xù)使用；但圍護(hù)結(jié)構(gòu)特別是屋頂彩鋼板損毀較嚴(yán)重。非正規(guī)建設(shè)的輕鋼結(jié)構(gòu)、臨時(shí)建筑、屋頂廣告的主體及圍護(hù)結(jié)構(gòu)均遭受嚴(yán)重破壞，甚至垮塌。幕墻調(diào)查結(jié)果：經(jīng)過(guò)對(duì)既有幕墻門窗及在建工程項(xiàng)目的調(diào)查觀察，大部分幕墻門窗在這次強(qiáng)臺(tái)風(fēng)中表現(xiàn)良好，少數(shù)門窗幕墻玻璃出現(xiàn)局部受損現(xiàn)象，而個(gè)別項(xiàng)目，特別是一些小區(qū)的陽(yáng)臺(tái)門窗，玻璃受損較為嚴(yán)重。

兩次強(qiáng)臺(tái)風(fēng)建筑受損情況調(diào)查結(jié)果均表明，正規(guī)設(shè)計(jì)及施工的建筑，無(wú)論鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)還是鋼結(jié)構(gòu)，其建筑主體結(jié)構(gòu)均無(wú)損壞，表明目前主體結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范能滿足結(jié)構(gòu)安全要求。

主體結(jié)構(gòu)遭受嚴(yán)重破壞甚至垮塌的均是老舊建筑以及業(yè)主自建未按規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)施工的建筑。

對(duì)于“莫蘭蒂”臺(tái)風(fēng)中圍護(hù)結(jié)構(gòu)特別是屋頂彩鋼板損毀較嚴(yán)重的原因分析如下：

(1)屋面壓型鋼板抗超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)能力不足：目前，壓型鋼板設(shè)計(jì)一般是根據(jù)荷載、支承條件、強(qiáng)度、變形條型材等參數(shù)直接引用國(guó)標(biāo)圖集。屋面彩鋼板型材自身抗超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)能力不足，是屋面圍護(hù)結(jié)構(gòu)大面積受損的原因之一。

(2)局部范圍內(nèi)抗風(fēng)能力不足：當(dāng)氣流越過(guò)或繞過(guò)建筑物時(shí)，在墻角、檐口、屋脊、屋面角部等區(qū)域發(fā)生氣流分離而產(chǎn)生較大的局部負(fù)壓。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)在房屋角部、端部、檐口等處的破壞尤為明顯。經(jīng)分析，在臺(tái)風(fēng)來(lái)襲時(shí)，邊緣帶及角部范圍內(nèi)面板系統(tǒng)破壞，引起屋面的整體抗風(fēng)性能降低，最終導(dǎo)致屋面板大面積損壞。

(3)圍護(hù)結(jié)構(gòu)連接件抗風(fēng)能力不足：連接件剛度、強(qiáng)度不足或數(shù)量偏少，在風(fēng)吸力作用下，易發(fā)生脫扣現(xiàn)象，在臺(tái)風(fēng)上拔力的作用下，導(dǎo)致大面積屋面板刮飛。

(4)門窗的抗風(fēng)能力不足：鋼構(gòu)廠房、倉(cāng)庫(kù)門窗尺寸普遍較大，尤其采用高大卷閘門時(shí)，門扇的厚度和剛度不足，抗風(fēng)能力弱。在臺(tái)風(fēng)來(lái)襲時(shí)，門窗首先被破壞，以致臺(tái)風(fēng)灌進(jìn)廠房?jī)?nèi)，向上吹開屋頂彩鋼板。

2 幕墻門窗受損分析

臺(tái)風(fēng)來(lái)臨時(shí)，天昏地暗、狂風(fēng)肆虐、飛沙走石、暴雨如注，人顯得十分渺小無(wú)助，只有躲在房屋內(nèi)才有安全感。當(dāng)建筑幕墻門窗破壞直接威脅躲在屋內(nèi)人員的安全，引起的恐慌和社會(huì)影響巨大，已成為民眾在臺(tái)風(fēng)后的關(guān)注熱點(diǎn)；兩次強(qiáng)臺(tái)風(fēng)過(guò)后，并未出現(xiàn)某個(gè)區(qū)域(包括臺(tái)風(fēng)風(fēng)口區(qū)域)建筑的窗戶或幕墻普遍大量損壞，一般出現(xiàn)的是某棟樓幕墻損壞嚴(yán)重，與相鄰的僅少數(shù)幕墻損壞的建筑形成強(qiáng)烈對(duì)比，這也已成為業(yè)主和民眾的關(guān)注熱點(diǎn)。因此，臺(tái)風(fēng)對(duì)建筑安全影響，主要集中在建筑幕墻及門窗安全上。筆者在臺(tái)風(fēng)過(guò)后進(jìn)行的大量現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，發(fā)現(xiàn)不少受損現(xiàn)象與設(shè)計(jì)不符之處，有必要引起設(shè)計(jì)重視與改進(jìn)。

2.1 幕墻按窗戶設(shè)計(jì)

圖1為“莫蘭蒂”臺(tái)風(fēng)過(guò)后的廈門某海景小區(qū)，窗戶大量破壞。事后調(diào)查，該兩層高的弧形窗戶，僅按窗進(jìn)行設(shè)計(jì)，未按幕墻要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，在超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)下安全性顯露無(wú)疑。

圖1 廈門某海景小區(qū)窗戶大量破壞

2.2 高層建筑上部風(fēng)壓大，為什么下部玻璃損壞更嚴(yán)重

高層建筑上部風(fēng)壓大，但現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)下部樓層玻璃損壞更嚴(yán)重(圖2)。查閱圖紙，低樓層玻璃與其高樓層的玻璃同規(guī)格，那么，破壞現(xiàn)象與設(shè)計(jì)的高度越高風(fēng)壓越大存在明顯相反；更詫異的是，這種情況發(fā)現(xiàn)還不止個(gè)別建筑，存在于許多建筑幕墻，引人深思。

圖2 下部低樓層玻璃損壞更嚴(yán)重

進(jìn)一步觀察，現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)，中空玻璃存在大量外片玻璃破壞，內(nèi)片玻璃完好(圖3)，中空玻璃計(jì)算時(shí)為內(nèi)外兩片玻璃同時(shí)受力，在兩片玻璃共同承受臺(tái)風(fēng)下，外片玻璃破壞后，由于臺(tái)風(fēng)為持續(xù)荷載，僅剩內(nèi)片玻璃，明顯承受不了臺(tái)風(fēng)荷載，必然破壞。顯然，內(nèi)片玻璃未損完好，與設(shè)計(jì)不符。從力學(xué)分析，外片玻璃應(yīng)該受到了除臺(tái)風(fēng)外的其它荷載，那其它荷載是什么？

圖3 中空玻璃存在大量外片玻璃破壞

眾所周知，臺(tái)風(fēng)來(lái)時(shí)狂風(fēng)肆虐、飛沙走石，圖4 可以看到吹落的百葉、滿地的碎玻璃，當(dāng)它們從附近的建筑半空中掉落，在狂風(fēng)中飛舞狂奔，其威力猶如子彈，這就是導(dǎo)致外片玻璃破壞的其它荷載。臺(tái)風(fēng)過(guò)后滿地的廣告牌、窗扇、玻璃、樹枝等便是明證。

圖4 滿地的碎玻璃

因此，荷載設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)抗風(fēng)設(shè)計(jì)存在考慮不足，應(yīng)考慮臺(tái)風(fēng)中飛行物的附加荷載，對(duì)低樓層的風(fēng)荷載設(shè)計(jì)值應(yīng)提高設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 建筑幕墻比周邊損壞嚴(yán)重

“莫蘭蒂”臺(tái)風(fēng)過(guò)后，廈門兩岸金融中心、湖里五緣灣商務(wù)區(qū)、集美軟件園三期等多個(gè)區(qū)域出現(xiàn)某棟樓幕墻損壞嚴(yán)重，與周邊相鄰的建筑幕墻僅少數(shù)損壞相比，形成強(qiáng)烈對(duì)比(圖5)，造成建設(shè)單位懷疑是施工偷工減料原因。某寫字樓(圖6)為此專門委托檢測(cè)單位對(duì)幕墻進(jìn)行既有幕墻質(zhì)量現(xiàn)場(chǎng)安全性核查。但經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)材料取樣檢測(cè)及幕墻強(qiáng)度復(fù)核驗(yàn)算，均滿足規(guī)范要求，未發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)及施工質(zhì)量問(wèn)題。對(duì)該項(xiàng)目進(jìn)行風(fēng)環(huán)境分析(圖7～圖8)表明[4]，兩樓之間形成狹管效應(yīng)，風(fēng)速放大系數(shù)達(dá)到2.0 以上，在兩棟樓之間形成渦流區(qū)，很容易形成“級(jí)聯(lián)效應(yīng)”；當(dāng)幕墻已遭受破壞時(shí)，風(fēng)速較大的蝸旋使得旋渦內(nèi)的玻璃碎片以及其他雜物擊向建筑物表面，風(fēng)暴卷起的玻璃碎片使玻璃下落造成的波狀花紋會(huì)造成更多的玻璃破損，而在幕墻表面造成的劃痕會(huì)降低玻璃的強(qiáng)度，因此，狹管效應(yīng)是造成局部幕墻損壞嚴(yán)重的主要原因。

圖5 某棟樓幕墻損壞比周邊嚴(yán)重

圖6 某寫字樓幕墻損壞嚴(yán)重

圖7 兩棟樓間的狹管效應(yīng)

某辦公樓群(圖9～圖10)，平面為L(zhǎng)形布置的2棟樓，兩樓之間形成狹管效應(yīng)，(圖11)也是狹管效應(yīng)造成局部幕墻嚴(yán)重破壞的案例。

圖9 狹管效應(yīng)造成局部幕墻嚴(yán)重破壞

圖10 狹管效應(yīng)的平面示意

圖11 兩棟建筑之間玻璃受損嚴(yán)重

圖12同一面墻的玻璃損壞有明顯差別，是由于主樓與裙房之間存在的通道產(chǎn)生狹管效應(yīng)，造成靠近通道口局部幕墻嚴(yán)重破壞。

圖12 主樓與裙房之間的通道產(chǎn)生狹管效應(yīng)

建筑設(shè)計(jì)的多樣性，加上土地稀缺，高層建筑群集布置已成常態(tài)，強(qiáng)臺(tái)風(fēng)下狹管效應(yīng)造成局部幕墻損壞嚴(yán)重的眾多案例已顯示，幕墻設(shè)計(jì)應(yīng)該考慮高層與高層、高層與多層之間的狹管效應(yīng)影響。

3 強(qiáng)臺(tái)風(fēng)環(huán)境下抗風(fēng)設(shè)計(jì)探討

與一般大風(fēng)不同，臺(tái)風(fēng)是一種熱帶氣旋，是一個(gè)強(qiáng)大而極具破壞力的氣旋性旋渦，遇到高層建筑群，建筑物迫使氣流改變方向造成下沖、縮流、渠化、渦旋、角流、尾流、遮蔽、穿堂風(fēng)等效應(yīng)與現(xiàn)象，使建筑物周圍空氣流動(dòng)變化更加強(qiáng)烈、復(fù)雜。出現(xiàn)局部強(qiáng)風(fēng)，瞬間風(fēng)力劇增的情況，建筑周圍的砂石碎片或附近建筑圍護(hù)構(gòu)件破壞后散落下來(lái)的碎片在強(qiáng)風(fēng)涔旋作用下, 克服自身重力、摩擦力等約束力的作用, 成為空中隨強(qiáng)風(fēng)一起高速運(yùn)動(dòng)的物體，當(dāng)碎片以一定的速度射向結(jié)構(gòu)時(shí), 極易造成像窗這樣的脆性圍護(hù)結(jié)構(gòu)破壞。

從強(qiáng)臺(tái)風(fēng)后的建筑受損調(diào)查顯示，對(duì)于強(qiáng)臺(tái)風(fēng)環(huán)境下的抗風(fēng)設(shè)計(jì)，目前規(guī)范仍存在不足之處，建議應(yīng)考慮。

3.1 建筑底部樓層的風(fēng)荷載設(shè)計(jì)值應(yīng)提高設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

由于強(qiáng)臺(tái)風(fēng)旋渦中存在大量的各種高速運(yùn)動(dòng)的碎片，會(huì)對(duì)幕墻門窗玻璃等維護(hù)結(jié)構(gòu)承受撞擊力，因此，對(duì)建筑底部樓層的風(fēng)荷載設(shè)計(jì)值應(yīng)提高設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，建議風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值(Wk)不應(yīng)小于3.0kPa。對(duì)中空玻璃，建議設(shè)計(jì)可采取外片玻璃厚度大于內(nèi)片玻璃厚度的方法，提高抗碎片撞擊能力。

3.2 幕墻設(shè)計(jì)應(yīng)考慮狹管效應(yīng)

《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB50009-2012)[5]第8．3．2條規(guī)定：“當(dāng)多個(gè)建筑物，特別是群集的高層建筑，相互間距較近時(shí)，宜考慮風(fēng)力相互干擾的群體效應(yīng)；一般可將單獨(dú)建筑物的體型系數(shù)μs乘以相互干擾系數(shù)。相互干擾系數(shù)可按下列規(guī)定確定：

(1)對(duì)矩形平面高層建筑，當(dāng)單個(gè)施擾建筑與受擾建筑高度相近時(shí)，根據(jù)施擾建筑的位置，對(duì)順風(fēng)向風(fēng)荷載可在1.00～1.10范圍內(nèi)選取，對(duì)橫風(fēng)向風(fēng)荷載可在1.00～1.20范圍內(nèi)選取。

(2) 其他情況可比照類似條件的風(fēng)洞試驗(yàn)資料確定，必要時(shí)宜通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)確定。

目前幕墻設(shè)計(jì)中該條文很少執(zhí)行，其原因：

①條文為“宜”，不必一定執(zhí)行；②相互間距沒(méi)有具體值，難以判斷；③風(fēng)洞試驗(yàn)花錢花時(shí)間。

鑒于強(qiáng)臺(tái)風(fēng)下狹管效應(yīng)造成局部幕墻損壞嚴(yán)重，建議規(guī)范細(xì)化建筑相互影響間距具體值，并應(yīng)考慮狹管效應(yīng)下的風(fēng)荷載放大系數(shù)。

對(duì)屋頂彩鋼板等圍護(hù)結(jié)構(gòu)及其連接件應(yīng)進(jìn)行計(jì)算，對(duì)房屋角部、端部、檐口等處應(yīng)加強(qiáng)。

圍護(hù)結(jié)構(gòu)特別是屋頂彩鋼板損毀較嚴(yán)重的原因，主要是屋面彩鋼板自身及其連接件強(qiáng)度不足，特別是邊緣帶及角部范圍的強(qiáng)度不足。

4 結(jié)語(yǔ)

廈門兩次最嚴(yán)重的強(qiáng)臺(tái)風(fēng)災(zāi)害后的建筑受損調(diào)查情況顯示，正規(guī)設(shè)計(jì)及施工的建筑，建筑主體結(jié)構(gòu)均無(wú)損壞，但圍護(hù)結(jié)構(gòu)特別是屋頂彩鋼板損毀較嚴(yán)重，大部分幕墻門窗表現(xiàn)良好，少數(shù)門窗幕墻玻璃出現(xiàn)局部受損現(xiàn)象。建筑受損調(diào)查也顯示，對(duì)于強(qiáng)臺(tái)風(fēng)環(huán)境下的抗風(fēng)設(shè)計(jì)，目前規(guī)范仍存在不足之處，建議應(yīng)考慮：

(1)由于強(qiáng)臺(tái)風(fēng)旋渦中存在大量的各種高速運(yùn)動(dòng)的碎片，會(huì)使幕墻門窗玻璃等維護(hù)結(jié)構(gòu)承受撞擊力，因此，對(duì)建筑底部樓層的風(fēng)荷載應(yīng)提高設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，建議風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值(Wk)參照《福建省民用建筑外窗工程技術(shù)規(guī)范》(DBJ13-255-2016)取值不應(yīng)小于2.5kPa[6]。對(duì)中空玻璃，建議設(shè)計(jì)可采取外片玻璃厚度大于內(nèi)片玻璃厚度的方法，提高抗碎片撞擊能力。

(2)強(qiáng)臺(tái)風(fēng)下狹管效應(yīng)造成局部幕墻損壞嚴(yán)重，建議規(guī)范細(xì)化建筑相互影響間距具體值，并應(yīng)考慮狹管效應(yīng)下的風(fēng)荷載放大系數(shù)。

(3)圍護(hù)結(jié)構(gòu)特別是屋頂彩鋼板損毀較嚴(yán)重的原因，主要是屋面彩鋼板自身及其連接件強(qiáng)度不足，特別是邊緣帶及角部范圍的強(qiáng)度不足。