我國玻璃幕墻建設始于20世紀80年代，主要標志是1983年建成的北京長城飯店。20世紀90年代開始，我國幕墻行業迅速發展，現今幕墻建筑面積己穩居世界首位。隨著時間的增長，我國存量巨大的既有幕墻逐漸接近或超過設計使用年限。據相關文獻推算，我國超過設計使用年限的幕墻存量超過千萬平方米，但由于經濟因素等諸多原因，當中的絕大多數尚在服役。這些幕墻作為圍護結構，直接暴露在環境中，同時經受各類荷載（風荷載、溫度作用等），性能逐漸劣化，引起滲漏、真空失效等各類耐久性問題，甚至引起構件墜落等安全性問題，危害人民的生命財產安全。在我國，幕墻玻璃或開啟扇高空墜落等事件時有報道，這些難以預料的潛在威肋，被稱為“空中定時炸彈”，引起專家學者和人民群眾的擔憂。此類潛在威肋，應通過科學的管理養護與適時的維修更換來減少或消除。雖然國內外均高度關注幕墻的檢測、監測和養護，但在幕墻的長期性能演化規律、維護的有效性、維護策略方面仍然有許多未知的領域，亟需幕墻長期性能演化規律、有效的維護策略等方面的信息。
1 玻璃幕墻簡介
玻璃幕墻根據面板支承形式，可以分為全玻幕墻、點支式幕墻和框架式幕墻。全玻幕墻為面板和支承結構均為玻璃的建筑幕墻，如圖1所示；點支式幕墻是指面板通過點支承裝置與支承結構連接的玻璃幕墻，如圖2所示；框架式幕墻是指面板邊緣鑲嵌于金屬框架中或粘接于金屬框架外表面，并以金屬框架作為支承邊的玻璃幕墻。根據框架與面板的相對位置，又可以分為明框幕墻、全隱框幕墻和半隱框幕墻，如圖3所示。
圖4a為明框幕墻，構造圖中可見，明框玻璃幕墻是面板鑲嵌在框架中，由框架支撐面板自重的一種幕墻形式；圖4b為隱框玻璃幕墻，構造圖中可以看到隱框玻璃幕墻是通過結構膠將玻璃面板粘結在金屬骨架上，不再設金屬連接件的一種幕墻形式。由于金屬骨架隱藏于玻璃面板后，可形成大面積的全玻璃鏡面，具有最佳的立面效果，故隱框玻璃幕墻是較為常見玻璃幕墻形式。但另一方面，玻璃面板之外不再設有金屬骨架或連接件，一旦因施工問題、材料劣化等引起連接失效，面板將會整體脫落墜下，造成嚴重后果。因此，我國住建部對隱框玻璃幕墻的應用場合進行了限制。
事實上，通過加強施工質量監管和全壽命的風險管控，可以減小或消除隱框幕墻的事故風險。在國外，隱框幕墻仍被廣泛的應用，在2019年德國慕尼黑門窗幕墻展上，隱框玻璃幕墻仍是一大熱門產品。因此，對隱框玻璃幕墻限制，頗有因噎廢食之感，為給隱框玻璃幕墻的使用和管養提供理論支持，同時給既有隱框幕墻的風險管理提供建議，本文將以隱框玻璃幕墻作為主要研究對象。
2 隱框玻璃幕墻長期性能研究
服役條件下，環境一荷載作用直接影響幕墻材料的性能，引起材料性能的劣化，隨后通過材料一構件一結構的性能傳遞路徑，進一步影響幕墻構件乃至幕墻結構的長期性能。最終呈現的幕墻結構長期性能演化，實質上是材料（面板、連接等）、構件和結構各個層面性能演化的綜合結果。本文的研究將以材料、構件的長期性能作為切入點，下文將介紹材料、構件層面的研究進展。
2.1 玻璃面板長期性能研究
玻璃面板是現代幕墻結構采用最多的面板類型。根據表面應力可以分為鋼化玻璃、半鋼化玻璃和普通玻璃鋼化玻璃。通過將普通玻璃加熱至軟化溫度并急速冷卻制得，強度為普通玻璃的4一5倍，表面應力一般在 90N/mm2以上；半鋼化玻璃亦為熱強化玻璃，但加熱后冷卻速度較低，強度為普通玻璃的1.5一2倍，表面應力一般在45一54N/mm2之間；普通玻璃即未經熱強化的玻璃。根據面板的組成可以分成單片玻璃、中空玻璃和夾層玻璃。單片玻璃即單層普通玻璃；中空玻璃是由兩片或多片玻璃，以內部充滿高效分子篩吸附劑的鋁框間隔出一定厚度的空間（多充滿惰性氣體或空氣），邊部采用高強度密封膠粘合而成的玻璃組件；夾層玻璃是用膠合材料將兩片或者兩片以上的玻璃粘結在一起的安全玻璃，破損時碎片不會飛散。
幕墻領域針對玻璃的研究絕大多數圍繞玻璃的破碎展開。最常見的玻璃破碎形式為鋼化玻璃自爆和玻璃熱炸裂。
鋼化玻璃自爆的機理研究相對成熟，龍文志、劉軍均指出，鋼化玻璃中硫化鎳晶體伴隨體積膨脹的相變是引起鋼化玻璃自爆的主要原因：室溫中，不穩定的α一NiS逐步轉變為β一NiS，并伴隨2％一4％的體積膨脹，使玻璃因相變張應力而自爆。Bao等通過對玻璃自爆殘片的電鏡觀察和成分分析指出，單質硅微粒周邊切應力過大引起的局部拉伸破壞也是自爆的一大誘因，且降溫過程會增大應力，增加破裂風險。包亦望等還進一步探討了鋼化玻璃自爆準則和影響因素，指出自爆概率與鋼化應力溫度變化呈正相關，與雜質到玻璃中性層距離呈負相關，與雜質顆粒半徑的三次方成比例。劉軍探究了玻璃自爆的機理，并詳細介紹了控制磨邊精度、控制鋼化工藝和均值（熱浸）處理等降低鋼化玻璃自爆率的方法。吳從真則指出玻璃廠家均值處理能力不足，且目前沒有成熟檢測方法，建議采用半鋼化玻璃以從根源上阻止玻璃自爆對玻璃熱炸裂的研究也較為深入。早在1991年，馬眷榮等人便指出玻璃熱炸裂實質上是溫度應力導致玻璃缺陷發展造成的斷裂，并通過對玻璃溫度應力成因、溫度應力場性質，以及玻璃自身缺陷與裂紋發展過程的理論分析，系統地探討了玻璃熱炸裂的機理和影響因素，認為玻璃的面積、邊部損傷和太陽能吸收率是關鍵影響因素。劉忠偉等通過有限元法求解了日光照射下建筑玻璃的溫度場和應力場，明確了建筑玻璃熱炸裂是有邊部沿邊長方向的拉應力造成的，并指出熱炸裂的破裂特征：起始點只能發生在邊部，且起始裂紋垂直于邊部。
除玻璃自身性質之外，岳凱還指出，幕墻上方結構物遮陽引起的陰影和室內遮陽材料（窗簾、百葉窗等）的熱反射也會引起玻璃局部溫差，從而導致熱炸裂。學者們還指出，合理地選用玻璃類型、適當的熱處理、控制面板尺寸和機械磨邊可以降低玻璃熱炸裂的風險。顯然對于鋼化玻璃自爆和玻璃熱炸裂，學者們己經深入探討了其發生機理、影響因素和應對措施，研究相對完善。除了破裂這種劇烈的損傷形式之外，玻璃面板還可能在風沙環境作用下出現陷坑、劃痕等輕微損傷，并逐漸累積，影響面板的適用性和安全性。關于風沙環境建筑材料損傷，國內已有較多的研究。李亞杰以氣流挾沙噴射法測得了混凝土抗沖磨特性參數。王彥平等同樣采用氣流挾沙噴射法，研究了水泥石、砂漿和混凝土在不同沖蝕風速、不同沖蝕角度下的沖蝕規律，確定了質量沖蝕率和進入穩態沖蝕階段所需的孕育期。郝負洪等、張博等利用同樣的試驗方法模擬風沙沖蝕，并采用掃描電鏡進行表面形態學分析，分別研究了鋼結構表面涂層和二氧化欽納米薄膜的沖蝕行為和侵蝕機理。李貝對風特性和風沙流特性進行討論，對風沙二相流進行了理論分析，為氣流挾沙試驗法提供了理論依據。
既有研究對玻璃材料的沖蝕損傷亦有所涉及。Bouzid等和Ismail等對玻璃沖蝕損傷的機理進行了探究，均指出：沖蝕引起的亞表層橫向裂縫沿表面平行方向發展至與表面相交時即引起材料損失，產生沖蝕坑；沖蝕引起的亞表層徑向裂紋沿表面垂直方向向上發展至與表面相交時即形成徑向裂紋（圖5）。Ismail等還通過試驗和數值模擬，指出了沖蝕坑尺寸與沖蝕速度存在指數為1.65一2的指數函數關系。
圖5 玻璃沖蝕損傷機理
郝負洪等將上文提及的氣流挾沙試驗法引進玻璃沖蝕研究，結合掃描電鏡，對工程玻璃在氣固二相流下的沖蝕性能和損傷機理進行了探索。其研究表明，工程玻璃的沖蝕過程存在多種損傷模式，后續研究需考慮多種損傷模式復合出現的情況。對于玻璃沖蝕損傷后性能變化的研究較少。姜利祥等 [29]通過試驗探究了光學玻璃在空間粉塵撞擊后的透過率變化，并得出了單個陷坑的光線衰減因子。雖然沖擊顆粒和靶材的性質與服役條件下的風沙和工程玻璃的性質有顯著的差距，但關注沖蝕損傷對透過率影響的研究思路在后續研究中可以采用。
綜上可知，風沙損傷的試驗方法己趨于成熟，且己被引入玻璃沖蝕研究領域。但當前對玻璃而板沖蝕損傷的研究尚顯薄弱，且集中于沖蝕機理的研究，未深入探究沖蝕損傷對玻璃面板性能的影響。后續的研究可采用既有的氣流挾沙試驗法，進一步探究沖蝕損傷機理和損傷對性能的影響。
2.2 結構膠長期性能研究
結構密封膠（簡稱“結構膠”）是密封膠的一種，是常見的建筑密封材料。根據配方組成，主要可以分成單種組分可直接使用的單組分膠和需將A、B兩種組分混合后使用的雙組分膠。結構膠被廣泛應川于幕墻結構安裝（尤其是隱框玻璃幕墻）和中空玻璃的二次密封中，是結構連接的關鍵材料。服役條件下，膠體粘結性能劣化將會引起密封失效，甚至有面板墜落的隱憂；膠體變形性能劣化將會導致緩沖能力下降，在極端條件下有引起面板破碎的風險。國內外學者高度重視，針對結構膠的劣化開展了較多的研究。既有研究對影響密封膠老化的因素進行了深入的探索。Jones等在RILEM耐老化測試方法的實驗中證實荷載循環作用會加快結構密封膠的降解。Wolf指出膠縫移動是影響密封膠老化的一個突出因素，因其在密封膠硬化過程中和硬化之后都對密封膠有損傷效果。
外國學者對密封膠的拉壓疲勞、剪切疲勞性能進行了試驗，觀察了相應條件下密封膠疲勞失效的類型、特征和位置，并有學者探究了膠體尺寸和疲勞壽命的關系。
王娜指出，因結構膠拉伸模量和壓縮模量不同，故正負風壓的作用效果不同，負風壓對于結構膠的性能演變影響更大，且結構膠尺寸對老化效果也有影響。由于學者著重于力學行為的研究，亦未深究風致疲勞作用體性能的演變規律。密封膠老化也受到環境因素影響。以Wolf激授為代表的國內外學者經研究指出光照、溫度、濕度等環境因素是影響建筑密封膠老化的因素，鄧超等還通過自然曝曬試驗、熱老化實驗和氛燈照射實驗對陽光、溫度的影響進行了驗證。陳文浩等通過高濃度臭氧加速老化試驗，證明硅酮密封膠具有良好的耐臭氧性能：臭氧不是造成硅酮結構膠老化的主要環境因素。
多種環境因素，或環境因素與其他因素的協同作用對于結構膠的老化影響較大。Wolf曲研究表明陽光和氧，陽光和水，環境因素和機械應變等協同作用對于結構膠的老化有較大的影響。曾兵等的研究表明，水熱協同作用對于結構膠的老化也有很大影響。
有文獻通過在試驗室模擬自然條件對密封膠進行加速老化，研究了光照對密封膠老化的影響，亦有學者對高溫、熱水和光照禍合作用等老化因素進行了探究。試驗中均觀察到了膠體劣化，但未能總結出膠體性能劣化規律。
曾兵等對光照、升溫、熱水、光熱水循環作用、鋁型材表面處理方式對結構膠耐久性的影響進行了試驗研究，并對試驗數據進行了歸一化，得出了光老化試驗和熱老化實驗下結構膠相對粘結強度劣化曲線。但其直接對不同成分結構膠試樣的數據取均值進行歸一化，故方程的合理性仍需更深入的探討。
國內外學者通過試驗研究了疲勞與光照藕合對密封膠耐久性的影響，但多停留于比較不同密封膠耐久性好壞和判斷該藕合作用下耐久性影響因素的階段，未能總結出膠體性能劣化規律。
綜上可知，國內外學者己明確了光照、溫度、濕度等環境因素和荷載應變是影響結構膠劣化主要因素，但對于結構膠劣化行為研究尚不成熟，環境一荷載禍合作用下的試驗研究更是較為欠缺，亟待進一步開展。此外，學者們采用的試驗方法存有差異，既有的研究結果難以對比，迫切需要一種相對合理的統一試驗方法。
劉軍進等對加速老化試驗方法進行歸納整理，對比篩選出了較為合理的光照條件、溫濕度、老化循環和加載方式等，并推薦設計有光照和濕氣作用組成的老化循環，以紫外熒光UVA一340作為老化光源，在老化的同時對膠體施加拉伸、壓縮和剪切組成的應變循環。
2.3 幕墻構件長期性能研究
幕墻構件是幕墻結構中具有特定功能的組成部分，本文中關注的構件主要指型材、玻璃和連接拼裝而成的幕墻單元或者多個單元的組合，可一定程度上反映幕墻結構性能。
有文獻指出，影響幕墻構件長期性能的主要有設計因素、施工質量、材料選擇以及玻璃、結構膠等材料的劣化。有文獻對影響構件長期性能的設計、施工因素進行探討，提出了優化建議。設計 、施工和選材的影響均可通過完善規范和加強監管予以削弱，故本文的研究將主要關注材料劣化的影響。
因設備尺寸限制，構件層次的老化試驗不易開展，故涉及構件長期性能的試驗研究較少。有有文獻對單塊玻璃、結構膠和型材組成的構件單元開展了試驗研究，在人工模擬自然老化后，對構件進行擬風壓加載試驗，探究不同條件下構件性能的演化，但該研究主要關注構造措施對構件性能影響，未對構件性能劣化規律進行探討。有文獻模擬了伊斯坦布爾的環境作用，對構件式幕墻和單元式幕墻開展了足尺耐候試驗，關注其性能的劣化，但由于其研究目的為對比兩類幕墻的耐候能力，亦未對構件的劣化規律進行探索。
前文已提及，幕墻結構長期性能演化，實質上是材料、構件和結構各個層而性能演化的綜合結果。Wolf提出，可將材料劣化行為等作為輸入信息，以數值模擬方法構建幕墻構件模型，分析其劣化行為。日前己有部分研究將數值模擬方法用于幕墻構件或結構服役性能的研究，但主要關注幕墻結構的節能、防火和抗震等方面的性能，與木研究關注的領域不同。
綜上可知，學者們己明確了幕墻構件長期性能的影響因素，并對其中設計、施工等認為因素進行了討論，材料老化引起的構件性能劣化則仍待探索；受限于試件尺寸，構件層面的劣化行為試驗研究開展較少，有學者提出以數值模擬方法研究幕墻構件的長期性能演化，但目前針對幕墻構件的仿真分析尚未涉及劣化行為的探究。后續研究可基于材料劣化行為信息，對構件劣化進行數值模擬，并結合小尺寸單元試驗，探究幕墻構件的劣化行為。
3 結束語
當前，既有玻璃幕墻（尤其是既有隱框幕墻）的科學管養和風險評估尚缺少幕墻結構長期性能演化規律和評估方法等方而的理論信息，對玻璃幕墻劣化行為的需求尤為迫切。此外，了解了玻璃幕墻的劣化行為，對幕墻行業內各領域均有裨益。設計者可推算幕墻結構的后續性能，留足安全余量；建設者可明確幕墻性能的關鍵影響因素，做好構造措施；檢測者和管理者可確定幕墻結構的狀態和風險，做好評估預測和管養維護。因此，后續應該著重研究玻璃幕墻的劣化行為，掌握玻璃幕墻長期性能演化規律。
