玻璃在冶金工业钢结构建筑中应用探讨

高亚平

（中冶赛迪工程技术股份有限公司，重庆 401147）

0 引言

在工业建筑设计中，钢结构因其材料自重轻、力学性能优、抗震性能好、可靠度及工业化程度、施工精度高、装配化施工、现场作业少、进度快、后期维护方便、材料绿色环保并可回收、重复利用等多方面的性能优势，从而得到迅速发展和设计师的青睐。

钢结构工业建筑，除钢结构的设计外，围护系统设计是其关键。而玻璃、采光板在其中的应用又居于比较重要的地位，理应引起足够的关注和重视。

“让光线来做设计”，在钢结构工业建筑设计中经济、合理地应用好玻璃，不只是满足功能需要，更是塑造建筑形象、改变工业建筑外观和室内效果的重要设计手法，能很好地提升工业建筑的创意性、趣味性和美观性。

1 建筑玻璃简介

玻璃是建筑材料大家庭中古老却又重要的成员之一。玻璃的世界是光怪陆离、多姿多彩的：采光、反射、控制光线、透视隔离、围护空间、调节热量、控制噪声、安全防护（防火、防盗、防弹、防辐射、防电磁干扰）、节约能量、降低建筑自重、改善建筑环境、提升建筑艺术感，都有玻璃大展身手之处。玻璃坚硬，但也相对易碎，是一种各向同性的非晶体材料，可通过添加其他物质元素与采用不同的生产工艺，从而使玻璃具有各种不同的特性，这也是玻璃具有各种功能和广泛用途的原因。

2 冶金工业钢结构厂房中玻璃的应用

玻璃主要应用于工业厂房外墙采光窗、玻璃幕墙和屋面天窗等部位，建议优先考虑安全玻璃，如夹层玻璃、钢化玻璃，其抗冲击性好，且耐久性长，比较适应相对粗犷的工业生产环境。

玻璃幕墙应用于轻工业、标准化厂房较多，但价格高，施工维护费事，不实用；冶金工业厂房若需要采用玻璃幕墙或采光带做法，则建议可以尝试采用U型玻璃。

U型玻璃具有肌理感、通透，可创造有趣又具有艺术性的光感氛围，其横截面结构有如玻璃肋支撑，因而其机械强度更高，抗冲击能力更强，适合大面积安装使用。

在钢结构厂房中应用、安装U型玻璃应注意以下要求：①U型玻璃应用于外墙采光带或玻璃幕墙时，应采用经过钢化处理的玻璃。②安装U型玻璃的受力框架，必须附着在建筑物的主体结构之上，并应对框架、主体钢结构进行挠度控制，保证结构稳定性，避免较大的变形损坏玻璃。当和可开启窗、门组合时，U型玻璃的框料应支撑在独立的受力框口上。③U型玻璃为脆性材料，其与安装框架、主体结构、金属件、砌体、周边混凝土等材料之间应避免硬接触。U型玻璃的下端应分别且独立地支撑在均匀的弹性衬垫上，其框料与支撑构件之间也宜增设弹性衬垫。④U型玻璃与建筑构件之间应留有满足变形要求的缝隙，其上端应留有≮25mm的缝隙；在温差较大的地区，还应注意调整玻璃之间的温度伸缩间隙。⑤框料与U型玻璃之间的缝隙中应设置弹性玻璃垫。⑥U型玻璃安装就位后，框料与玻璃，玻璃与玻璃，框料与建筑结构基体的周边接缝应采用玻璃胶或硅酮密封胶等弹性密封材料密封。

钢结构主厂房中应用U型玻璃的缺点主要是价格偏高，初始投资费用较大，施工烦琐，清洁不便，但U型玻璃使用年限长，美观，各方面性能优越，性价比高。

3 玻璃在冶金工业钢结构操作室中的应用探讨

操作室在冶金工业建筑中的体量很小，但兼有值班、监视、观察、集中控制等功能，要求外形美观、视线通透、环境舒适，大面积的玻璃观察窗是标准配置。

过去由于条件所限，操作室观察窗多采用双层玻璃现场拼装，由于制作、施工工艺、使用环境等方面的影响，双层玻璃的密闭性难以保证，其中间的空气间层易进灰，有些还因为内外存在温差，在空气间层内部产生结露现象，致使中空层内起雾发花，甚至结出霉点，既影响观察，还会对观察窗的耐久性产生影响，其内部的灰尘、水（雾）汽、霉点难以清扫去除，常常给用户造成困扰。

如今，钢结构操作室所使用的玻璃主要就两种了，一是中空玻璃，二是夹层（胶）玻璃。

中空玻璃具有良好的隔热、防结露、隔声性能，由于是工厂专业化生产、制作，品质有保证，可以很好地替代现场拼装观察窗所用的双层玻璃。中空玻璃虽然隔热性能好，但也应注意其适用环境温度，因其密封、粘结使用了密封胶、粘结胶等材料，故建议不应在70℃或更高的环境温度下使用，否则也会影响中空玻璃的耐久性。另外，实际工程中，应尽量采用双道密封的中空玻璃，其气密性更好，避免水气进入中空层，影响使用效果。

中空玻璃的基（原）片玻璃之间需要支撑物、间隔条、粘结剂等材料，大面积的观察窗拼接处拼缝比较明显，对通透性、美观度要求高的，则不太适合，此种情况，建议采用夹层（胶）玻璃。

夹层玻璃是由两片或多片基（原）片玻璃，之间用一层或多层中间层材料分隔，并通过特殊的工艺处理后，使玻璃和中间层材料永久性粘合为一体的复合玻璃产品。

日常生活中可能有一种错觉，会认为中空玻璃隔声效果好，其实中空玻璃隔声好也是相对的，毕竟中间空气层是传声的。实际上，夹层玻璃的隔声效果一般会更好，因其中间膜层相当于阻尼层，能对声波振动产生缓冲、减振、耗能作用，从而达到隔声效果；而且夹层玻璃之间可以通过透明玻璃胶粘结拼装，使大面积观察窗整体效果更通透、美观。

总体来说，钢结构操作室观察窗玻璃首选夹层玻璃，若对隔热性能要求更高，可选择中空玻璃；单层玻璃在隔热、节能、隔声等方面都有欠缺，基本上已很少使用。

4 玻璃在冶金工业钢结构封闭式参观通廊中的应用探讨

冶金工业厂房中，参观通廊动辄几百米，采用大面积玻璃窗，甚至整面的落地玻璃墙很普遍，但厂房内环境复杂，易受震动、热辐射、噪声等各方面的影响，在建设封闭式钢结构参观通廊时，对钢结构设计、窗型及其玻璃的选用及安装应特别注意。

4.1 钢结构设计

参观通廊的窗户支承在钢结构上，大面积的窗户玻璃受生产震动影响，很容易因钢结构变形、挤压、扭曲、应力集中等因素而碎裂。对于此部分钢结构（尤其是窗台梁、窗顶梁、中间支柱等）的变形容许值（挠度、水平位移等）建议应有比《钢结构设计标准》（GB 50017—2017）等规定的容许值更高的要求，可参考《玻璃幕墙工程技术规范》（JGJ 102—2003）中相关规定确定[1]。

对于参观通廊钢结构设计的挠度控制，建议尽量不用起拱的方式来解决，尤其是窗台梁，可采用加大梁截面高度，或采用钢桁架，对于大跨度梁，可在其中部增加支点立柱。

4.2 窗型选择

选择窗型时，应根据参观通廊的使用功能及美观要求、产品的经济性价比，通过综合平衡后，选择窗户的开启方式、分格形式、结构形式，以及确定窗户的性能指标、性能分级等物理性能指标（主要有抗风压性能、气密性、水密性、隔声性、保温性、采光性等）。

基于参观通廊的使用功能特点，一般选择大面积固定窗或落地窗+少量平开或推拉扇的窗型，材质方面，则以铝合金、彩钢、不锈钢等为宜。

从参观视线来考虑，参观通廊窗户一般都会比较高大、宽阔，玻璃分格巨大，玻璃之间采用胶缝拼接，因此常常超越门窗图集之规定，尚须与专业制造厂家另行协商确定窗型，以保证选用的产品合理、经济、安全、美观。

窗型选择时，还应考虑投入使用后窗户及其玻璃的检查、清洗、保养和维修，保证安全性和方便性。

4.3 玻璃选用

玻璃选用应根据《建筑玻璃应用技术规程》《建筑门窗幕墙用钢化玻璃》相关规定、门窗标准图集中不同型材系列窗允许安装玻璃厚度等要求，结合工程对窗户的性能要求（因参观通廊处于厂房内，抗风不是主要问题，主要考虑隔热、隔声、保温节能方面的要求）确定。尚需注意，玻璃的厚度应经专业厂家计算后确定，因此，设计选用玻璃后，还需专业厂家验算后实施。

根据参观通廊的功能及使用特点，窗户玻璃应选用安全玻璃（玻璃面积基本都大于1.5m2，或为落地窗）。可供选择的安全玻璃有：钢化玻璃、夹层玻璃，以及如安全中空玻璃等由钢化玻璃或夹层玻璃组合加工而成的其他玻璃制品。

钢化玻璃受外力破坏时，碎片为类似蜂窝状的钝角型、碎小颗粒，不易对人体造成伤害；而夹层玻璃的中间胶片坚韧且附着力强，受冲击破损后也不易被贯穿，面板玻璃破碎后碎片不会脱落散坠，与中间胶片依旧会紧密粘合在一起，因此夹层玻璃更适合应用于空中架设的封闭式参观通廊。

若选用夹层（胶）玻璃，则还会涉及夹胶片种类及其厚度问题，一般应根据基（原）片玻璃的形状（如异型、弯曲）、板块的尺寸（一般以短边800mm为分界）、性质（如是否钢化）进行考虑。

夹胶片种类及其厚度须经专业厂家计算后确定。从一般经验看，常用玻璃夹胶片最小厚度有以下一些要求可供参考，如表1所示。

表1 常用玻璃夹胶片最小厚度

4.4 窗户及玻璃安装

钢结构构件是刚性材料，而玻璃则为脆性材料，两者不可直接硬接触。窗户及玻璃如若施工安装不当，使用中极易造成玻璃碎裂，因此窗户及玻璃的施工安装很关键，尤应重视。

窗户及玻璃的安装，从设计方面比较难控制，建议由专业的门窗制造厂家二次设计并施工，或指导安装、施工、验收；设计、用户、施工单位应要求专业的门窗制造厂家提供窗户安装使用说明书，诸如：窗户的说明、窗户的安装说明、窗户的使用说明、窗户的保养维护说明。

窗户及玻璃安装所用的材料及施工安装均应遵循所选窗的产品标准、图集、《建筑玻璃应用技术规程》（JGJ 113—2015）、《建筑玻璃应用构造》等文件中的要求[2]。

窗框和支承钢构件之间连接应考虑增加柔（弹）性垫片（如衬软质橡胶垫）做为缓冲减震措施；适当增加窗框与钢构件的间隙，间隙内填胶或现场灌注聚氨酯发泡。

玻璃应避免和窗（边）框、型材直接接触，其最小装配尺寸应满足《建筑玻璃应用技术规程》（JGJ 113—2015）中的要求，前部及后部余隙、边缘间隙可适当再加大一些，充分保证玻璃能够适当地变形；所选窗户型材的凹槽宽度、凹槽深度与玻璃的装配尺寸密切相关，应保证其尺寸与玻璃厚度、装配尺寸相匹配。在安装玻璃时，确保使用玻璃垫块（支承块、定位块）垫住玻璃，用弹性止动片挤紧玻璃，不让玻璃左右上下晃动。安装玻璃时若采用密封胶做为密封材料，必须使用弹性止动片；若采用密封胶条安装，因胶条已经具有弹性止动片的作用，可不再使用弹性止动片。

玻璃安装尤应正确应用玻璃垫块。玻璃垫块分为承重（支承）垫块和定位垫块，均应采用挤压成形的未增塑及增塑PVC、邵氏硬度80～90的氯丁橡胶等材料，不得使用吸水性材料如木片（条、块）、硫化再生橡胶等代替。承重蛰块的作用是承受玻璃的自重或承受玻璃的压力，不同的窗型承重蛰块的安装位置不同，正确地安装承重垫块可以将玻璃的重量合理分配到窗（扇）框上，并能保持对窗（扇）框的校正作用，保证门窗的功能，确保开关灵活不下垂；定位蛰块亦称隔离蛰块、防震蛰块，其重要作用是防止玻璃与窗（扇）框直接接触，防止玻璃在窗（扇）框凹槽内滑动，门窗开关时减缓震动。玻璃垫块的材质、大小与数量、设置位置与间距等均应根据窗型，按照《建筑玻璃应用技术规程》（JGJ 113—2015）中的要求确定。

为了具有通透、美观的效果，参观通廊的窗户玻璃通常都是采用胶缝连接，玻璃之间的拼接胶缝宽度应能满足玻璃和胶的变形要求，其宽度应经计算确定，且不宜小于10mm。

4.5 保养和维护

参观通廊投入使用后，如此大面积的窗户及玻璃，必须要建立检查、清洁、保养和维修制度与计划。尤其是玻璃的清洁，既要不影响正常生产活动，又要能安全、方便地开展清洁作业，通常考虑在通廊室内通过人工或擦窗机器人进行，不宜考虑吊篮、升降平台或脚手架等方式。这要求设计之初在窗型选择、窗扇开启方式、玻璃分格时就应有完善的考虑，不宜单纯追求美观通透而大量采用固定、落地玻璃窗[3]。

5 结语

总体来说，玻璃在钢结构工业建筑应用上的创新性、美观性、艺术性还是相对欠缺，这一方面是因为业主、大众对此的需求不是那么强烈；另一方面，设计师对于在工业建筑上将新材料与新工艺的运用、科学技术与艺术的融合等意愿方面也缺少主观能动性；再者，各种采光板（如PC阳光板、FRP板）也代替了很多玻璃应用，其应用起来更灵活，施工安装更方便，材料本身自重轻，耐久性与防火性虽较玻璃逊色，但后续的维护、更换更容易，也更经济。