亚太地区抗旋风玻璃解决方案



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一个不断增长的市场以应对当前和未来的挑战

概述

亚太地区在过去十年中在经济和人口方面都取得了前所未有的增长。随着该地区的发展,对额外高密度住宅和办公空间的需求也有所增加,导致正在建造的高层建筑数量创历史新高。该地区建筑环境的发展主要发生在沿海地区,这些地区越来越容易受到灾难性风暴的影响,特别是气旋,在亚洲也称为台风,在美国称为飓风。

亚太地区是世界上最易发生灾害的地区,自 1980 年以来,这些由气候变化引起的灾害的频率和严重程度一直在增加。这些事件的严重程度可能会威胁到人口稠密地区的经济稳定和增长。目前,除了控制建筑物的内部气候和照明外,幕墙被视为保护高层建筑及其居住者免受这些外部威胁的主要屏障。

这项研究将检查受飓风事件影响的建筑物、当前处于危险中的建筑物以及已采取的应对这些威胁的措施。接下来,将对未来威胁进行预测,这将强调在防旋风玻璃技术和标准方面取得进步的必要性。通过这些进步,高层建筑不仅可以在飓风事件中避免重大损坏,还可以作为当地居民的避难所。

介绍

由于 Kuraray Trosifol® World of Interlayers 的研究资助,高层建筑和城市人居委员会进行了研究项目“亚太地区的旋风玻璃和外墙弹性”。当代摩天大楼的建筑形象与玻璃结构之间的联系是显而易见的。

玻璃的性能随着这些建筑的不断提高,保证了用户的安全。对亚太地区当前最先进的抗旋风外墙技术要求进行了调查。在世界的这个地区,特大城市正在发展以满足对额外住宅和办公空间的需求,这需要建造高层建筑。

强风风暴,在该地区被称为台风,对这些市场的经济稳定和增长构成严重威胁,一旦发生,往往会造成大量人员伤亡。建筑物的围护结构是其在风暴期间性能的关键组成部分。台风期间由风传播的碎片造成的玻璃外壳损坏是事后恢复成本的重要组成部分。

该研究的目的是探索亚太地区主要高层建筑市场的规范和标准,以便为这些国家未来的抗台风幕墙设计提出新的通用指南。

本文的研究重点是亚太地区一些最易发生台风的国家。

亚太地区环境脆弱性

世界银行集团在其 2016 年 10 月的“减少脆弱性”东亚和太平洋经济更新 [1] 中表明,自 1980 年以来,东亚太平洋地区灾害的频率和严重程度一直在上升。在此期间,超过 3.5 10 亿人受到自然灾害的影响,该地区遭受了约 5250 亿美元的损失(占全球自然灾害损失总额的近四分之一)。

尽管死亡人数并未呈线性趋势,但 1980 年至 2015 年 EAP 地区的灾害总数和受灾人数一直在不断上升。数据还显示大气事件的频率和强度有所增加。

这些数据意味着 CTBUH 必须使用构建解决方案和技术来减少受影响的人口。世界风险报告 [2] 创建了一个世界风险指数,它表征了 173 个国家的灾害风险。风险指数考虑了自然灾害和社会领域。

这是根据以下因素计算的:

  • 暴露于自然灾害中;
  • 易感性:遭受伤害的可能性;
  • 应对能力:一个国家减少负面后果的能力;
  • 适应能力:一个国家为社会变革制定长期战略的能力。

研究界必须增加为亚太国家提出的技术和社会改进建议,以减少自然灾害的负面影响。目前,全球 10 个最危险的国家中有 7 个位于亚太地区(前 20 名中有 11 个),而东亚和太平洋地区是世界上最容易发生灾害的地区 [3]。

此外,2017 年 4 月的“保持弹性”东亚和太平洋经济动态 [4] 表明,大多数太平洋小岛国都在经历温和到强劲的增长,但同时也容易受到自然灾害和气候变化的影响。这些国家或多或少每年都会遭受自然灾害的袭击。在长期经济机会研究的“可能的太平洋”计划中,即使增加了侧重于灾害风险管理的政策,脆弱性仍将保持在高水平。这种高度的脆弱性可能会破坏这些国家的发展 [5]。

几乎所有针对气旋事件的风速和风压制定的标准都基于预测模型。该模型没有以一种确定性的方式而是以一种统计的方式考虑最强的事件。研究界没有所有历史气旋事件的记录数据。考虑到气候变化导致的这些自然事件越来越多,该模型的发展近年来加快了[6]。

“亚太地区气旋玻璃和幕墙抗灾能力”研究项目

研究方法是根据以下三个步骤制定的:

  • 确定台风易发地区高层建筑存在问题的严重性;
  • 现有规范的识别——抗台风外墙的设计和测试要求;
  • 与亚太地区的规范进行比较,与西方最先进的国际规范和最佳实践进行比较。

该研究的成果是一个简明的工具,适用于公共行政部门、在亚太市场运营的私人顾问、保险公司,至少,对于在台风易发国家领域运营的幕墙专业人士而言。它是一个检查国际、美国和亚太国家防旋风玻璃系统规范和标准之间异同的矩阵。

显示了快速新兴经济体在设计、测试、调试和验收过程中的技术性能要求、当地市场最低要求。这意味着确定每个地区规范中缺少的内容以及如何合并各种可用要求以生成亚太地区台风易发外墙抗灾能力的新地区指南,该指南确定了特定主题中不同水平的技术性能。

抗台风能力是建筑物在热带风暴事件中保护其财产和为居住者提供安全的能力。通过这种拍摄当前状况的工具,可以突出分析快速新兴国家的社会状况,以便能够提出未来要采取的行动。

确定问题的严重性——台风易发地区的高层建筑

台风事件对亚太地区高层建筑的风险已逐个国家进行了详细研究。CTBUH 管理和实施摩天大楼中心 [7],这是世界上最大的高层建筑数据库,其中包含超过 13,000 座高度超过 100 米的建筑(以及总共超过 25,000 座高层建筑)的条目。

这些建筑物的地理位置已与过去台风事件的地理信息系统(GIS)数据进行比较,以确定该地区有多少高层建筑遭受台风事件(见图1),以及有多少位于一个地区过去曾遭受台风袭击,因此未来可能会受到极端风的袭击。

图 1 高层建筑和过去的台风事件。

图 1 高层建筑和过去的台风事件。

利用过去台风事件和高层建筑位置的 GIS 建模,为选定的亚太国家提取了以下信息:

  • 过去受台风事件影响的高层建筑数量;
  • 现在可能受到影响的相同易发地区的高层建筑数量;
  • 在不久的将来可能受到影响的同一易发地区的高层建筑数量。

1,772座建筑物经历了台风,导致过去45年至少有16,500个建筑物受到234次独特台风事件的影响(1,772座建筑物中的336座经历了风速大于150公里/小时的严重台风事件) .

在过去经历过台风事件的这些地区,现在建造的建筑物数量(3,647 座)是现在的两倍多(这些地区有 4,290 座建筑物已竣工或正在建设中)。这表明,随着高层建筑数量的增加和台风事件的严重性,问题的严重性正在增加。研究中分析的国家列表如表 1 所示。它报告了以下数据:当地人口;经济; 台风事件的影响;各个国家在台风易发地区的高层建筑 [8] [9]。

表1 亚太国家高层建筑发展与台风影响

表1 亚太国家高层建筑发展与台风影响

数据显示,在泰国过去30年经历过台风事件的地区,没有完整或在建的高层建筑。话虽如此,CTBUH 分析的数据并未考虑气候变化,各方表明气候变化是这些灾害频率和严重程度增加的主要因素。因此,在这些地区没有经历过过去事件的建筑物在未来很可能会经历台风。在该国,目前已建成或在建的高层建筑总数为 165 座。

亚太国家地理信息系统分析的总结输出如表2所示。亚太地区分析的高层建筑总数为6,618座,其中一半以上位于台风易发区(4,290座)。

表 2 亚太地区台风易发区高层建筑 – 4,290 座

表 2 亚太地区台风易发区高层建筑 – 4,290 座。

发达国家对台风易发外墙的现有规范和标准要求

澳大利亚(1975 年,在飓风特雷西之后)和美国(1994 年,在飓风安德鲁之后)是台风易发地区的规范和标准要求的第一批制定者。

1992 年,飓风安德鲁袭击了佛罗里达州海岸,造成 65 人死亡,当地建筑物受损 260 亿美元,尤其是它们的外壳。

在接下来的几年里,佛罗里达州建筑规范 [10] 中增加了幕墙条款,其中包括加强建筑开口和玻璃表面,以限制高速风传播碎片造成的损坏。该规范代表了美国最严格的建筑规范,涉及外墙系统在飓风事件中的抗冲击性。

佛罗里达州建筑规范通过测试应用标准 [11] 程序(佛罗里达州建筑规范中规定的 TAS 201-94、TAS 202-94、TAS 203-94)规定了外墙性能要求。这些标准对美国的研究课题提出了最严格的测试要求。迈阿密戴德县的最佳实践包括带有接受通知 (NOA) 的产品批准程序。迈阿密-戴德县为所有建筑行业制定了这些规定,佛罗里达州产品批准组织了业主的产品验收 [12]。

在 ASCE 7-10 [13] 中,显示了风区图以识别风载碎片区域和边界飓风易发区域。在美国受飓风影响的地区建造的建筑物必须遵守 ASTM E1886 [14] 和 ASTM E1996 [15] 要求,或者更严格的当地标准要求。ASTM 标准规定了建筑围护结构的玻璃成分,以及灾难事件期间的空气渗透控制 [16] [17]。

ASCE 7-05 [18] 和 ASCE 7-10 中表示的风区图之间存在一些差异。在 ASCE 7-05 中的风速低于在 ASCE 7-10 中的风速。这反映了基于气候变化的更安全风速图的定义,但在上一版的 ASCE 7-16 风速图代表了该国大部分地区的风速降低,并阐明了特殊的风速研究区,包括夏威夷的新地图[19]。

国际规范委员会管理风速为 130 英里/小时及更高的区域 [20],这些区域被确定为风载碎片区域,并在其中定义了所需的碎片导弹阻力。国际建筑规范的参考文献 [21] 是 ASTM E1886 和 ASTM E1996 标准。

国际标准 ISO 16932 [22] 定义了抗破坏性风暴的安全玻璃要求,它在过去几十年制定的 ASTM 标准和澳大利亚技术要求中有其参考,这些标准已成为亚太国家的最佳实践。 .

图 2 1970 年至 2015 年按风速划分的台风事件

图 2 1970 年至 2015 年按风速划分的台风事件。

亚太国家对台风易发外墙的规范和标准要求

澳大利亚和新西兰是亚太地区在抗台风外墙设计和施工的规范和标准要求方面最先进的国家。虽然澳大利亚和新西兰的测试和性能要求已经明确,但它们与美国的最佳实践有所不同。2011 年版的 AS/NZS 1170.2 'Wind Actions' [23] 包括对大型导弹(4 公斤木材质量)测试 [24] 速度的显着提高,现在该速度高于美国规定的速度。

然而,导弹撞击测试后的循环压力测试长期以来一直是飓风易发地区建筑物屋顶和外墙面板的要求,而不是台风玻璃认证的要求。循环压力对玻璃结构部件的影响很好地代表了台风事件的气象现象,在美国已被确定为导弹撞击玻璃测试协议的关键部分。在其他亚太国家,已经为建筑规范和标准最低设计要求确定了不同类型的方法。

在某些情况下,参考国际或美国抗台风玻璃系统标准的直接输入是提供给亚太地区规范用户的 [25]。在其他一些情况下,外国的规范已被翻译成当地语言并在当地采用(即菲律宾国家结构规范 [26] 基于 ASCE7-05 并要求满足 ASTM E1886 和 ASTM E1996 中规定的要求) .

然而,在某些情况下,这些国家的风图并未根据上次记录灾害导致的台风事件强度的增加而更新。亚太地区有一些没有自己的风图的国家,虽然标准权威翻译并采用了外国代码[27],但区域风图存在于国际公认的区域范围内的风图[28]。

许多被分析的国家在过去的几十年里每年都受到台风的影响,但他们仍然没有抗台风建设的安全要求。如果没有针对抗台风外墙的特定规范,通常可以使用每一种更具限制性的外国规范来应对风、压力循环、抗碎屑,以确保风暴灾害外墙的恢复能力。

从 CTBUH 咨询的各方来看,在亚太地区运营的承包商面临的一个主要问题是新项目的投标可能过于详尽,并且包含通用代码清单。承包商有责任决定遵守哪一项。许多国外、美国和国际规范经常被提及,在大多数情况下,幕墙施工授权过程不需要测试要求。

图 3 比洛克西。 尽管 MGM Mirage 的 Beau Rivage Hotel and Casino 的建筑围护结构表面上完好无损,但在卡特里娜飓风过后,仍有许多大面积的损坏

图 3 比洛克西。尽管 MGM Mirage 的 Beau Rivage Hotel and Casino
的建筑围护结构表面上完好无损,但在卡特里娜飓风过后,仍有许多大面积的损坏。

台风事件易发生的外墙 – 一般问题和标准差距

为在台风事件期间提供足够的安全性,需要立面弹性。该特性旨在主要避免碎玻璃。泰国要求从1997年起高层建筑外立面的玻璃必须是夹层安全玻璃[29]。

这一要求与抗台风没有直接关系,但对台风事件造成的环境影响具有无可争辩的影响。2011 年的澳大利亚标准 AS 1288-2006 修正案 2 [30] 也认识到钢化玻璃自发破裂所代表的潜在危险。5米以上的建筑物需要热浸钢化玻璃或夹层玻璃。它是识别钢化玻璃自发破裂所代表的潜在危险的唯一代码。

用于抗台风玻璃的夹层玻璃组合物必须能够抵抗设计风荷载和规范规定的导弹撞击。夹层玻璃中玻璃片的厚度由风荷载和夹层类型决定。然而,对导弹撞击穿透的抵抗力由夹层类型和夹层厚度决定。夹层厚度与导弹撞击速度有关,与设计风载荷无关。

ASTM E1886 和 ASTM E1996 的目的与保护人类生命和公共/私有财产有关。台风事件引起的建筑围护结构故障可能会导致内部损坏、内部加压、翻新期间业务中断,并可能导致潜在的霉菌问题。

这项研究发现并由技术专家确认的差距之一是需要改进对风驱动雨窗户的测试,而不是当前的国际和美国标准测试方法。虽然美国的抗风碎屑和风压循环标准是足够的,但需要改进的一个领域是关于风驱动的降雨。有许多与建筑围护结构的这种性能相关的标准,但它们不是气旋易发地区外墙测试 [31] [32] [33] 所必需的。

结论

目的是提高亚太各国政府对抗台风外墙安全问题的敏感度。如果地方指令不符合确定的最佳实践,最理想的结果是地方当局自己给予最长时间来使这些要求与最发达国家在特定问题上保持一致。

与传统建筑相比,摩天大楼集中在较小的厂区、大量的内表面和大量的外墙表面。

这种建筑类型一直代表着一种象征——对于公司、对于社会、对于城市的地标。这种建筑必须遵循抗台风玻璃的最佳实践,因为除了内部损坏外,风暴对外部区域的潜在影响是无价的(玻璃破损、内部物体倒塌)。对于快速发展的亚太国家来说,高层建筑最好的抱负是在集体功能中树立新形象,在灾害事件发生时作为当地居民的避难所[35] [36]。

参考

[1] World Bank Group, 2016b. “Reducing Vulnerabilities” East Asia and Pacific Economic Update (October 2016). World Bank, Washington, DC.
[2] Comes, M. et al., 2016. World Risk Report 2016. Edited by Bündnis Entwicklung Hilft (Alliance Development Works) and United Nations University – Institute for Environment and Human Security (UNU-EHS), 2016.
[3] United Nations Office for Disaster Risk Reduction www.unisdr.org/
[4] World Bank Group, 2017. “Sustaining Resilience” East Asia and Pacific Economic Update (April 2017). World Bank, Washington, DC.
[5] World Bank Group, 2016a. “Growing Challenges” East Asia and Pacific Economic Update (April 2016). World Bank, Washington, DC.
[6] Zhou, Y., Kijewski, T., and Kareem, A., 2002. Along-Wind Load Effects on Tall Buildings: Comparative Study of Major International Codes and Standards. Journal of Structural Engineering, pp. 788-796.
[7] The Skyscraper Center www.skyscrapercenter.com
[8] Global Risk Data Platform www.grid.unep.ch
[9] PreventionWeb www.preventionweb.net
[10] International Code Council, Florida Building Code – Buildings, 5th Edition, 2014.
[11] International Code Council, Florida Building Code – Test Protocols for High-Velocity Hurricane Zones, 5th Edition, 2014.
[12] Miami-Dade County, 2012. Notice Of Acceptance (NOA) General Submittal Information. Department of Regulatory and Economic Resources – Product Control Selection.
[13] American Society of Civil Engineers, ASCE/SEI 7-10, 2013. Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures.
[14] ASTM E1886-13a, 2013. Standard Test Method for Performance of Exterior Windows, Curtain Walls and Storm Shutters Impacted by Missile(s) and Exposed to Cyclic Pressure Differentials.
[15] ASTM E1996-14a, 2014. Standard Specification for Performance of Exterior Windows, Curtain Walls and Storm Shutters Impacted by Windborne Debris in Hurricanes.
[16] ASTM E283-04, 2012. Standard Test Method for Determining Rate of Air Leakage Through Exterior Windows, Curtain Walls, and Doors Under Specified Pressure Differences Across the Specimen.
[17] ASTM E330-14, 2014. Standard Test Method for Structural Performance of Exterior Windows, Doors, Skylights and Curtain Walls by Uniform Static Air Pressure Difference.
[18] American Society of Civil Engineers, ASCE/SEI 7-05, 2006. Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures.
[19] American Society of Civil Engineers www.asce.org
[20] International Code Council, ICC 600, 2014.  Standard for Residential Construction in High-Wind Regions.
[21] International Code Council, International Building Code, 2015.
[22] ISO 16932, 2006. Glass in building - Destructivewindstorme-resistant security glazing - Test and classification.
[23] AS/NZS 1170.2-2011, 2016. Structural design actions - Part 2: Wind actions. Incorporating Amendments No. 1, 2, 3 and 4 to Australian/New Zealand Standard.
[24] Cyclone Testing Station, 2017. Technical Note No. 4 - Simulated Windborne Debris Impact Testing of Building Envelope Components (Version 4). Cyclone Testing Station, James Cook University, Australia.
[25] Bangladesh National Building Code, 2004.
[26] Association of Structural Engineers of the Philippines C101-10, 2010. NSCP National Structural Code of the Philippines.
[27] SNI 03-1727, 2013. Minimum load for the design of buildings and other structures. Standard National Indonesia.
[28] HB 212-2002, 2016. Design Wind Speeds for the Asia-Pacific Region. Australian Standards.
[29] Republic of Thailand, 1997. Law Regulation No. 48, Clauses 27-28, 1997. Minister of Interior. Issued Under Building Control Regulation 1979.
[30] AS 1288-2006, 2016. Glass in buildings - Selection and installation. Incorporating Amendment No. 2 of November 2011 to Australian/New Zealand Standard.
[31] ASTM E331-00, 2016. Standard Test Method for Water Penetration of Exterior Windows, Skylights, Doors, and Curtain Walls by Uniform Static Air Pressure Difference.
[32] ASTM E2268-04, 2016. Standard Test Method for Water Penetration of Exterior Windows, Skylights, and Doors by Rapid Pulsed Air Pressure Difference.
[33] AAMA 520-12, 2012. Voluntary Specification for Rating the Severe Wind-Driven Rain Resistance of Windows, Doors and Unit Skylights.
[34] Lieut. Commander Mark Moran, 2005 September 11. Location: Mississippi, Biloxi. Looking east down Beach Blvd (Hwy 90). Beau Rivage at right, Hard Rock Casino with trademark guitar visible at top center. NOAA’s National Weather Service (NWS) Collection, Image ID wea02506.
[35] Mori, H., 2015. Developing Tall Buildings and Urban Spaces, in Japan and Elsewhere. In: CTBUH Conference Proceeding of CTBUH 2015 New York Conference, pp. 122-131.
[36] Judah, I., Cousins, F., 2015. The Resilient Urban Skyscraper as Refuge. In: CTBUH Conference Proceeding of CTBUH 2015 New York Conference, pp. 230-237. 

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