厦门两次强台风的建筑受损调查及设计思考

林树枝 廖文彬

(1.厦门市建设局 福建厦门 361003；2.福建天正建筑工程施工图审查事务有限公司 福建厦门 361009)

0 引言

厦门作为海边城市，1999年的9914号强台风和2016年1614号“莫兰蒂”超强台风，是厦门最严重的两次台风灾害，台风过后，满目疮痍，停水停电，交通中断，经济损失巨大，给厦门人民留下了刻骨铭心的痛苦记忆。

1999年9914号台风是厦门市建国近50年来遭遇最强的一次台风，强台风持续时间长达11h，极大风速达47.1m/s( 15级)，造成全市停电、停水、停气，交通中断，死亡13人，失踪3人，受伤727人，经济损失19亿元，是厦门市建国以来遭受损失最惨重的一次自然灾害。

2016年9月15日，超强台风“莫兰蒂”正面登陆厦门，极大风速达63.1m/s(大于17级)，为厦门有气象记录以来的最大风速。台风给厦门造成重创，导致全市大面积停电、停水和通讯中断，65万棵行道树倒伏，全市交通瘫痪，受灾企业566家，房屋损毁17 907间，农作物受灾面积700.35hm2，直接经济损失102亿元人民币，因灾死亡1人、重伤2人。

1999年厦门新建建筑数量还较少，2016年厦门新建建筑、超高层等建筑已经非常多，两次超强台风过后，厦门市建设局均组织专业技术人员对建筑受损情况进行调查分析。本文介绍这两次厦门最严重的台风灾害后的建筑受损调查情况，并主要从设计角度对调查结果进行探讨，总结经验教训，以提高抵御大自然灾害能力。

1 建筑受损调查

1999年9914号台风中建筑受损情况调查结果[1]：厦门经济特区成立以来，实行监督、监理的在建及竣工建筑工程的地基基础、主体结构及建筑幕墙结构在台风中基本完好，是安全可靠的。

2016年1614号“莫兰蒂”台风后，基于轻钢结构和幕墙受台风影响较大，厦门市建设局组织专家对全市轻钢结构建筑物、构筑物和幕墙受损情况分别进行调查[2-3]。轻钢结构调查结果：符合现行规范标准建设的轻钢建筑主体结构经受住了1614号强台风考验，未见损坏，无需加固或修复，可继续使用；但围护结构特别是屋顶彩钢板损毁较严重。非正规建设的轻钢结构、临时建筑、屋顶广告的主体及围护结构均遭受严重破坏，甚至垮塌。幕墙调查结果：经过对既有幕墙门窗及在建工程项目的调查观察，大部分幕墙门窗在这次强台风中表现良好，少数门窗幕墙玻璃出现局部受损现象，而个别项目，特别是一些小区的阳台门窗，玻璃受损较为严重。

两次强台风建筑受损情况调查结果均表明，正规设计及施工的建筑，无论钢筋混凝土结构还是钢结构，其建筑主体结构均无损坏，表明目前主体结构的抗风设计规范能满足结构安全要求。

主体结构遭受严重破坏甚至垮塌的均是老旧建筑以及业主自建未按规范进行设计施工的建筑。

对于“莫兰蒂”台风中围护结构特别是屋顶彩钢板损毁较严重的原因分析如下：

(1)屋面压型钢板抗超强台风能力不足：目前，压型钢板设计一般是根据荷载、支承条件、强度、变形条型材等参数直接引用国标图集。屋面彩钢板型材自身抗超强台风能力不足，是屋面围护结构大面积受损的原因之一。

(2)局部范围内抗风能力不足：当气流越过或绕过建筑物时，在墙角、檐口、屋脊、屋面角部等区域发生气流分离而产生较大的局部负压。调研发现，围护结构在房屋角部、端部、檐口等处的破坏尤为明显。经分析，在台风来袭时，边缘带及角部范围内面板系统破坏，引起屋面的整体抗风性能降低，最终导致屋面板大面积损坏。

(3)围护结构连接件抗风能力不足：连接件刚度、强度不足或数量偏少，在风吸力作用下，易发生脱扣现象，在台风上拔力的作用下，导致大面积屋面板刮飞。

(4)门窗的抗风能力不足：钢构厂房、仓库门窗尺寸普遍较大，尤其采用高大卷闸门时，门扇的厚度和刚度不足，抗风能力弱。在台风来袭时，门窗首先被破坏，以致台风灌进厂房内，向上吹开屋顶彩钢板。

2 幕墙门窗受损分析

台风来临时，天昏地暗、狂风肆虐、飞沙走石、暴雨如注，人显得十分渺小无助，只有躲在房屋内才有安全感。当建筑幕墙门窗破坏直接威胁躲在屋内人员的安全，引起的恐慌和社会影响巨大，已成为民众在台风后的关注热点；两次强台风过后，并未出现某个区域(包括台风风口区域)建筑的窗户或幕墙普遍大量损坏，一般出现的是某栋楼幕墙损坏严重，与相邻的仅少数幕墙损坏的建筑形成强烈对比，这也已成为业主和民众的关注热点。因此，台风对建筑安全影响，主要集中在建筑幕墙及门窗安全上。笔者在台风过后进行的大量现场调查，发现不少受损现象与设计不符之处，有必要引起设计重视与改进。

2.1 幕墙按窗户设计

图1为“莫兰蒂”台风过后的厦门某海景小区，窗户大量破坏。事后调查，该两层高的弧形窗户，仅按窗进行设计，未按幕墙要求进行设计，在超强台风下安全性显露无疑。

图1 厦门某海景小区窗户大量破坏

2.2 高层建筑上部风压大，为什么下部玻璃损坏更严重

高层建筑上部风压大，但现场发现下部楼层玻璃损坏更严重(图2)。查阅图纸，低楼层玻璃与其高楼层的玻璃同规格，那么，破坏现象与设计的高度越高风压越大存在明显相反；更诧异的是，这种情况发现还不止个别建筑，存在于许多建筑幕墙，引人深思。

图2 下部低楼层玻璃损坏更严重

进一步观察，现场发现，中空玻璃存在大量外片玻璃破坏，内片玻璃完好(图3)，中空玻璃计算时为内外两片玻璃同时受力，在两片玻璃共同承受台风下，外片玻璃破坏后，由于台风为持续荷载，仅剩内片玻璃，明显承受不了台风荷载，必然破坏。显然，内片玻璃未损完好，与设计不符。从力学分析，外片玻璃应该受到了除台风外的其它荷载，那其它荷载是什么？

图3 中空玻璃存在大量外片玻璃破坏

众所周知，台风来时狂风肆虐、飞沙走石，图4 可以看到吹落的百叶、满地的碎玻璃，当它们从附近的建筑半空中掉落，在狂风中飞舞狂奔，其威力犹如子弹，这就是导致外片玻璃破坏的其它荷载。台风过后满地的广告牌、窗扇、玻璃、树枝等便是明证。

图4 满地的碎玻璃

因此，荷载设计规范对抗风设计存在考虑不足，应考虑台风中飞行物的附加荷载，对低楼层的风荷载设计值应提高设计标准。

2.3 建筑幕墙比周边损坏严重

“莫兰蒂”台风过后，厦门两岸金融中心、湖里五缘湾商务区、集美软件园三期等多个区域出现某栋楼幕墙损坏严重，与周边相邻的建筑幕墙仅少数损坏相比，形成强烈对比(图5)，造成建设单位怀疑是施工偷工减料原因。某写字楼(图6)为此专门委托检测单位对幕墙进行既有幕墙质量现场安全性核查。但经过现场材料取样检测及幕墙强度复核验算，均满足规范要求，未发现设计及施工质量问题。对该项目进行风环境分析(图7～图8)表明[4]，两楼之间形成狭管效应，风速放大系数达到2.0 以上，在两栋楼之间形成涡流区，很容易形成“级联效应”；当幕墙已遭受破坏时，风速较大的蜗旋使得旋涡内的玻璃碎片以及其他杂物击向建筑物表面，风暴卷起的玻璃碎片使玻璃下落造成的波状花纹会造成更多的玻璃破损，而在幕墙表面造成的划痕会降低玻璃的强度，因此，狭管效应是造成局部幕墙损坏严重的主要原因。

图5 某栋楼幕墙损坏比周边严重

图6 某写字楼幕墙损坏严重

图7 两栋楼间的狭管效应

某办公楼群(图9～图10)，平面为L形布置的2栋楼，两楼之间形成狭管效应，(图11)也是狭管效应造成局部幕墙严重破坏的案例。

图9 狭管效应造成局部幕墙严重破坏

图10 狭管效应的平面示意

图11 两栋建筑之间玻璃受损严重

图12同一面墙的玻璃损坏有明显差别，是由于主楼与裙房之间存在的通道产生狭管效应，造成靠近通道口局部幕墙严重破坏。

图12 主楼与裙房之间的通道产生狭管效应

建筑设计的多样性，加上土地稀缺，高层建筑群集布置已成常态，强台风下狭管效应造成局部幕墙损坏严重的众多案例已显示，幕墙设计应该考虑高层与高层、高层与多层之间的狭管效应影响。

3 强台风环境下抗风设计探讨

与一般大风不同，台风是一种热带气旋，是一个强大而极具破坏力的气旋性旋涡，遇到高层建筑群，建筑物迫使气流改变方向造成下冲、缩流、渠化、涡旋、角流、尾流、遮蔽、穿堂风等效应与现象，使建筑物周围空气流动变化更加强烈、复杂。出现局部强风，瞬间风力剧增的情况，建筑周围的砂石碎片或附近建筑围护构件破坏后散落下来的碎片在强风涔旋作用下, 克服自身重力、摩擦力等约束力的作用, 成为空中随强风一起高速运动的物体，当碎片以一定的速度射向结构时, 极易造成像窗这样的脆性围护结构破坏。

从强台风后的建筑受损调查显示，对于强台风环境下的抗风设计，目前规范仍存在不足之处，建议应考虑。

3.1 建筑底部楼层的风荷载设计值应提高设计标准

由于强台风旋涡中存在大量的各种高速运动的碎片，会对幕墙门窗玻璃等维护结构承受撞击力，因此，对建筑底部楼层的风荷载设计值应提高设计标准，建议风荷载标准值(Wk)不应小于3.0kPa。对中空玻璃，建议设计可采取外片玻璃厚度大于内片玻璃厚度的方法，提高抗碎片撞击能力。

3.2 幕墙设计应考虑狭管效应

《建筑结构荷载规范》(GB50009-2012)[5]第8．3．2条规定：“当多个建筑物，特别是群集的高层建筑，相互间距较近时，宜考虑风力相互干扰的群体效应；一般可将单独建筑物的体型系数μs乘以相互干扰系数。相互干扰系数可按下列规定确定：

(1)对矩形平面高层建筑，当单个施扰建筑与受扰建筑高度相近时，根据施扰建筑的位置，对顺风向风荷载可在1.00～1.10范围内选取，对横风向风荷载可在1.00～1.20范围内选取。

(2) 其他情况可比照类似条件的风洞试验资料确定，必要时宜通过风洞试验确定。

目前幕墙设计中该条文很少执行，其原因：

①条文为“宜”，不必一定执行；②相互间距没有具体值，难以判断；③风洞试验花钱花时间。

鉴于强台风下狭管效应造成局部幕墙损坏严重，建议规范细化建筑相互影响间距具体值，并应考虑狭管效应下的风荷载放大系数。

对屋顶彩钢板等围护结构及其连接件应进行计算，对房屋角部、端部、檐口等处应加强。

围护结构特别是屋顶彩钢板损毁较严重的原因，主要是屋面彩钢板自身及其连接件强度不足，特别是边缘带及角部范围的强度不足。

4 结语

厦门两次最严重的强台风灾害后的建筑受损调查情况显示，正规设计及施工的建筑，建筑主体结构均无损坏，但围护结构特别是屋顶彩钢板损毁较严重，大部分幕墙门窗表现良好，少数门窗幕墙玻璃出现局部受损现象。建筑受损调查也显示，对于强台风环境下的抗风设计，目前规范仍存在不足之处，建议应考虑：

(1)由于强台风旋涡中存在大量的各种高速运动的碎片，会使幕墙门窗玻璃等维护结构承受撞击力，因此，对建筑底部楼层的风荷载应提高设计标准，建议风荷载标准值(Wk)参照《福建省民用建筑外窗工程技术规范》(DBJ13-255-2016)取值不应小于2.5kPa[6]。对中空玻璃，建议设计可采取外片玻璃厚度大于内片玻璃厚度的方法，提高抗碎片撞击能力。

(2)强台风下狭管效应造成局部幕墙损坏严重，建议规范细化建筑相互影响间距具体值，并应考虑狭管效应下的风荷载放大系数。

(3)围护结构特别是屋顶彩钢板损毁较严重的原因，主要是屋面彩钢板自身及其连接件强度不足，特别是边缘带及角部范围的强度不足。