10. 淺談建築物外牆的玻璃(幕牆和窗) 對風壓的抵禦力

前言

2017年8月，澳門剛經歷了一場代號為天鴿的颱風吹襲，這是本澳有正式氣象記錄以來最強大的颱風。天鴿的平均中心風力超過每小時170公里，最大陣風超過每小時210公里(一說240公里)。有關該颱風的詳細資料和紀錄以及對澳門造成的破壞，大家很容易可以在網上找到大量資料，也不在這裡多複述。

當天鴿横掃期間，令我們的城市遭到眾多破瓌，當中遇到的一個問題就是“玻璃”。每次在颱風過後看到空蕩蕩的窗框和一街的碎玻璃。玻璃碎裂除了令家中因風吹水掩帶來了財物損失以外，亦可能傷及路人。另外，近年窗戶跟窗台的面積越做越大，甚至有些窗台變成了睡床。所以當颱風來時，窗戶碎裂也帶來人員下墮的額外風險。更重要的是，窗戶碎裂會令家人失去了心理上的防線，同時會帶來一種額外的，異常沉重的壓力。

本文章並非嚴謹的科學論文，對於專業的工程師來說肯定相當簡單。但我撰寫本文的目的，旨在深入淺出的向一般市民講解，到底你家裡的玻璃到底能否保護你甜蜜的家?

尤其是本澳現存法規的艱瀝，因為即使你看完法規內所有數據和規範後，一般民眾還是無法明確從中找到最簡單的答案，那到底就是 “我的家需要用何種規格的玻璃?”

為此，我希望用大家看得懂的表達方式，提醒大家在選用玻璃時需要注意的事項。以下分為三個主要章節，並為有興趣了解背後原理的朋友添加了延伸閱讀的部份。

1.民用玻璃種類的簡介

2.家裡應該如何選用玻璃?

3.除了正確選擇玻璃以外，我們還可以做什麼?

延伸閱讀

4.澳門法例對建築物可承受風力的要求

5.玻璃的玻壞的機制 (編輯中)

6.空氣(風)流過城市中的物理現象

1.民用玻璃種類的簡介

常用於家居的玻璃中，從價錢由低到高去粗略排列如下:

浮法玻璃 (普通玻璃) ; 在中港澳地區，浮法玻璃一般稱為普通玻璃，通常用作裝飾、鏡面、相框等地方，民用玻璃廠通常生產厚度在2~22mm之間的規格。

鋼化玻璃 (強化玻璃); 常見鋼化玻璃分三個級數，分別是全鋼化、半鋼化和超鋼化。不管用物理強化或化學強化的方法， 經鋼化的玻璃的抗拉度一般是普通玻璃的3倍以上，抗沖擊力是後者的5倍以上，而且當鋼化玻璃破碎時會比傳統玻璃更為安全， 一般民用玻璃廠生產最厚的規格為19mm。

鋼化玻璃因內應力原因，當破裂時會碎成小粒，所以亦稱為安全玻璃。

夾膠玻璃; 功能性的夾膠玻璃以多層的鋼化玻璃使用 PVB/SGP/EVA材料，使用高溫夾在一起，層數不限。 保溫性比強化玻璃和普通玻璃略佳，而力學性質和安全性在以上三種玻璃中最為優秀，尤其是萬一玻裂時，夾膠玻璃基本還能在窗框裡保持外型的完整性。

中空玻璃; 中空玻璃使用高強度高氣密性複合粘結劑，將玻璃片與內含乾燥劑的鋁合金框架粘結，中空玻璃的工藝要求較高，購買中空玻璃時需注意密封性必需好。市面上多層中空玻璃厚度可達22mm 或以上。

2.家裡應該如何選用玻璃?

想要知道自已家中需要選用那一款玻璃，以及需要多少公分的厚度，首先你必需要先知道和決定你想要抵抗多強的風。

其實，澳門對強颱風的分級，尤其是“十號風球”，在澳門回歸後的定義變得比較奇特#1。 所以，我們嘗試參考台灣的資料中等級16的風作出分析，通常在台灣16級風已定義為強度颱風。風速約為 51.0～56.0m/sec，相當於187~201 km/h，可為建築物正面產生壓力為360kg/m2 。也同時和美國、澳門的建築法規去比較。

M 級以上建築物的外窗玻璃

對於面積較大及承受風壓較高的玻璃窗， 有需要明確其

安全設計。在以下第9.2 和9.3 點所述的情況時，建議選

取一款或數款具代表性的玻璃窗， 遞交玻璃窗安全設計

計劃， 包括設計說明、計算書及構造圖。

9.2 固定於周邊結構或牆體上、由多個固定或可開啟窗扇組

成的玻璃窗，承受的風力(即面積A 與壓力值Ph 的乘積)

大於25kN。

9.3 由多組形式相同或相近的窗連續安裝而成、以上下或左

右對邊結構為支承的玻璃窗(注：較常見於工業大廈、辦

公樓或學校的玻璃窗類型)， 任一组窗承受的風力(即面

積A 與壓力值Ph 的乘積)大於8.5kN。

建築物玻璃窗

安全 設計指引

1 總

我們可以按經驗公式#1 #2 去計算，簡化結果如下表:

以上 均使用K值3之強化玻璃去估算

從上表可以看出一個很簡略的表格，希望可以協助完全沒有概念的你去決定購買玻璃的厚度，但仍需要更考慮以下各個因素去修正:

高度因素: 澳門法規對風力要求會因高度變高而變大，以上表格適用於50~100米高的住宅，假若你希望按不同高度計算出更精準的風力，可參考56/96/M號法令。

形狀因素: 玻璃的高寬度差別越大的玻璃抗風能力越強，例如同為4平方米的玻璃，1米x4米的玻璃就遠比2米x2米的抗風力強。原因可以參考後面章節<<玻璃的玻壞的機制>>。

地形因素: 同一風向、風力和風壓的氣流吹過城市時，會因為地形、建築物形狀不同、鄰近建築相互影響、材質等因素令風速出現局部變快和變慢、風作用於建築物的表面壓力局部變大和變小。有興趣可後參考後面章節<<空氣(風)流過城市中的物理現象>>。

其他因素: 颱風其間強降雨、微氣流、室內密封程度、溫度、大氣壓力等都會影響建築物外牆所受的壓力。所以，以上資料亦不適用於下雪、以及極高溫等較極端氣候的地區。

#1 -2012年7月23至24日颱風韋森特襲澳過後，時任澳門氣象局局長馮瑞權表示他個人認為懸掛及發出十號風球警告訊號的先決條件，必需是颱風中心經過澳門(出處wiki)。即使人類廣泛認知和定義平均風速每小時118公里以上的災害級的情況，他認為亦不需掛上十號颱風訊號。相比與澳門法規相近的香港做法，只需颱風或以上級數的熱帶氣旋在香港100公里以內掠過，以及任何一處海平面地區錄得風速每小時118公里或以上，就需要掛上十號風球。澳門這種長期以來所用的氣象預報方式在澳門民間相當有爭議性。事實上，從回歸以後澳門氣象局以這個充滿個人風格的天氣預報方式，不停為澳門造成數以十億計的財物損失，以及無數人命傷忙。

#2 - 風正面吹於建築表面上的壓力計算 方法

#3 - 玻璃可承受風力之計算

3.除了正確選擇玻璃以外，我們還可以做什麼?

由於玻璃於強風中破壞的方式，並非如實驗室般條件單純。所以我們可以針對玻璃的特質加強強化玻璃的弱點，包括可以做一些臨時性或永久性的方式去加強。

• 1. 於颱風來臨前、於玻璃貼上膠帶； 這是針對玻璃強度特性有效的臨時加強方式。其原理是當玻璃受風壓時、向風一面為受壓面、向室內一方為抗拉面。而強化玻璃的破裂的原因往往是抗拉性不夠強，所以通常是向室內一方在發生塑性變形前就會發生爆裂。而且，本方法也可以對硬物撞擊玻璃時，把集中的力量有分散一點作用。有興趣可以看第五節<<玻璃的玻壞的機制>>。而網上也可找到用濕布紙貼在玻璃上加強抗風力的方法，其原理類似。

• 台灣就有大學針對玻璃貼上膠帶這個一種做法，做過實驗室分析。雖然文章中作者也有說實驗的方法並不是十分嚴緊。但得出的結果從趨勢可以看出證據，貼膠帶的方法大約可以為玻璃增加近百份之二十的抗風能力。其中，貼米字的方法在便利性和增加強度的綜合考量下是最有效的。需注意的是，把膠帶貼在室內一側的方向才會有加強效果。以下是網上找到的實驗結果。

引用網上轉載之實驗室收據

很多人以為，在颱風其間貼上米字防風只是都市傳說

• 2. 於玻璃受風面放上薄軟墊、鋼網；由於颱風期間對玻璃造成的玻壞，並非單純的風壓力，更多時候，是風夾著硬物撞向玻璃。由於強化玻璃的物理特性，容易受到尖銳硬物撞擊時做成內部應力崩潰而破裂。所以，在外面就算貼上簡單的發泡材料、水松等軟墊、木板等，也可以在令硬物隨風撞撀時把應力分散。這種做法可以遠遠降低玻璃因硬物撞擊破裂的機會。

• 3. 於玻璃室內方向，貼上防爆膜；對於部份已落成的住戶、對玻璃的厚度和防風性有疑慮又不想更換玻璃的話，可以考慮貼上玻璃專用的防爆膜。其實，貼上防爆膜能夠對玻璃加強的原理和第一點類似，都是利用加強內側的抗拉力、分散外則受硬物撞擊時的集中力為目的，但由於材質和面積更大更為完善。購買不同價錢和級數的材料，通過貼膜這種方式可以大幅加強玻璃的防風性。大家不相信可以看一看youtube上很多實測效果。

4. 澳門法例對建築物可承受風力的要求

(本節適合有興趣的中學以上程度學生閱讀)

在這次颱造成的各種災害當中，很多市民家中和商戶的玻璃因此而爆裂。其實，就澳門的建築規範中的<<56/96/M 屋宇結構及橋樑結構之安全及荷載規章 >>法令，當中的第三章就有描述澳門政府對建築物所需承受的風壓的要求。

現在的問題出在於兩方面。第一，有某北區大型高層住宅玻璃大面積爆裂，發展商搬出了一堆數據試圖去證明他們的設計和施工標準符合了澳門政府的要求。但是，該建築物在之前每一次颱風來襲時，也出現了較多住宅的玻璃玻裂。但另一方面上，大家從新聞裡也看到了，記者從該大樓地上撿到的玻碎玻璃，測量的厚度為12mm，若照那裡的單隻窗戶最大面積來計算，其實基本上是已經符合了澳門法例要求。那麼，這樣又引伸出大家的第二個問題。是不是澳門法例的要求不足以保障建築物安全呢?

相信各位很常聽到，其實澳門法例對風壓的要求，對比鄰近地方來說其實是更高的。到底具體要求為何? 雖然澳門的法例由於奇怪翻釋等種種原因，對於一般市民大眾來說是很高深難懂的，但我也在這裡試圖向各位簡單介紹一下。

其中，風荷載標準Wka=Vhk^2/1632

上表是節錄自澳門56/96/M法令的第三章，其中我們可以看到，以澳門常見的建築物 50~100m高度中，我們在設計時要求遠離海邊的建築物要求可以承受時速262公里的陣風，對於近海邊建築甚至要求高達可以承受時速達到287公里的陣風。這數字其實遠比號稱百年一遇的天鴿正面吹襲時的最大紀錄陣風風速還要高。而且，這還未包括設計時加入了額外的安全系數。

既然法規要求沒有問題，玻璃的厚度又沒有問題。那麼到底出在那裡?

雖然，我並沒有機會去檢查該建築物的窗戶整體安裝方法。但一般來說，都是以下兩個地方出現了問題。

1. 第一是窗戶安裝是不是預留了足夠建築物擺動以及玻璃受壓時的柔性連接，以及窗框和玻璃的接合方式。

2. 第二點是當颱風吹過城市時，他並不是一個穩定的氣流，會不會出現局部加速的情況?大家有興趣可以看看最後一節<<空氣(風)流過城市的物理現象>>。

5.玻璃的破壞的機制

受力安全計算

窗框受力構件在荷載作用下的撓度限值應取為跨度的

1/180 或20mm 中的較小者，而懸臂式構件的撓度限值應

取為跨度的1/90 或20mm 中的較小者。

在荷載作用下，選用的窗框及配件須同時滿足上述第3.2

和3.3 點有關承載力極限狀態和正常使用極限狀態兩項

要求。

《屋宇結構及橋樑結構之安全及荷載規章》第九十

條定義

承載力極限狀態之安全性設計

正常使用極限狀態安全性

玻璃脆性的破壞機制

對工程材料而言，依據材料發生塑性變形的能力將其分類，即延性（ductile）和脆性（brittle）兩種。

玻璃就是脆性的材料的一種，不管是那一種材料，在正常情況下，其表面或內部總是存在非常微小的瑕疵或裂縫，這些瑕疵對於該材料可承受的應力是一種不利因素，因為對材料施加的應力會在這些瑕疵由於它們所在之處會放大應力，因此稱為這些瑕疪也稱為“應力集中源”。 當脆性材料受到破壞性應力時， 會由一條裂縫形成之後，直到到達到這臨界速度的過程，藉著在應力集中源快速的裂紋生長。一條裂紋可能分枝或分叉，這樣的過程可以一再的重覆，直到形成一系列的裂紋為止。

裂紋的運動方向幾乎是垂直於施加的拉伸應力，所以脆性材料的破壞幾乎沒有塑性變形，而且斷裂時會產生出一個相當平坦的破斷面。

網上圖片(不同材料在拉力下的破壞形式)

我們可以從下列第一條方程式中看出，裂紋前進的臨界應力和裂紋長度之間的關係。而從第二條方程式中，對於相對較薄的脆性材料試片(如玻璃)，Kc的值會取決於厚度，但當試片厚度遠大於裂紋的大小時，Kc的值就變得與厚度無關了。

所以，我們可以得出了一個有意義的結果，就是當玻璃厚度越大，可以更有效地減小玻璃在受到破壞應力時，應力集中源從應力垂直方向擴散到足以整體崩潰的可能。

淺白一點說，如果你的玻璃有足夠厚度，當受到足以破壞的力量時，整個爆開的機會會大大下降。

玻璃受力時的應力分佈

當玻璃受到風力而受壓時，其受力的情況可以從簡單的力學原理去分析。相關公式大家可以從一般的教科書都可以找到。

我們用下圖的受力情況作出比喻來討論。其中，大家都可以看到當至小兩邊平行於受力方向有支撐的玻璃，當受到外來風壓力時，玻璃中會出現彎矩(扭力)和剪力，而最大的撓度(變形量)與彎矩相關，所以，最大值同樣出現在離開支撐點最遠的中心部份。

伴隨前文提及的撓度和扭矩的形態，我們即可以看出玻璃內部內向一側是處於受拉力的狀態。作為一程脆性材料，對於壓力而言，並不會出現上一節所提及會”因瑕疵造成的應力放大現象”，因此，脆性材料抗壓強度一般都遠遠比抗拉強度大得多(相差10倍的級別)。所以，玻璃受壓力時發生破裂通常都由內側開始。

總結來說，大家可以看出玻璃玻壞機制中的幾大特性

• 跨度越大的玻璃，離支持點最遠的中心點所受的彎矩和撓度越大。

• 當玻璃受到外來風力，玻璃向室外一側的內部受的時壓力，而另一側向內的為拉力。

• 玻璃抗壓強度比抗拉強度高近十倍。

為此，我們可以針對以上的問題對玻璃進行有效的補強。例如，在颱風天用膠帶在玻璃上打上米字或貼上防爆膜。其實，以上兩種方法為玻璃加強抗風力的原理是相同時。

如下圖所示，防爆膜作出是當玻璃受拉一側受到外來風壓力時，針對玻璃抗拉強度是整體可承受壓力弱點的問題，提供了一個額外的向內抵抗力，從而抵銷內側部份因風造成的外拉力。而額外抵抗力的大小，主要取決於防爆膜的黏合性及以本身的抗拉性。

6.空氣(風)流過城市的物理現象

空氣，在工程層面其實可以視作一種可以壓縮的流體。它的物理性質比同樣為流體的水更為複雜。眾所周知，當等速和同方向的空氣(風)在城市裡吹過的時候，每一個建築物都會因為本身的形狀不同，以及向風的角度有所差異，做成本身承受風壓力也不相同。若然從微觀去看，風的速度、空氣的密度和壓力更會在建築物表面不同的區域、不同的方向、甚至因不同的微小凹凸表面以及外牆材料的不同而產生變化。

從宏觀的角度去看，風在城市中通過不同形狀的建築物和地形的過程中，會因為這些因素令風產生局部加快或減慢，而相對的風壓力和空氣密度也會因應在不同區域增大或減小。

所以這就出現了一個可能性，就是你家的窗戶破壞，未必是單純的抗風設計不足這單一因素。

所以，在各國建築法規中被理想化的風壓設計要求下，很難精準地計算出每個街區、每個建築物在受到風力時的真正受壓情況。於是，在一些高標準的建築物設計中，往往業主會可能建立真實的城市縮小模型，又或者利用電腦建立數字模型，利用計算流體動力學的原理去計算。甚至針對該建築物座落的整個片區，制作縮小模型去做風洞實驗，以求取得該建築物受到颱風吹襲時相對接近現實的風速和風壓力，並為日後其他增減等細部設計做為依據。

在本澳的例子中，以本人參與過的永利酒店第一期結構計算為例，他們就是使用了風洞測試的數據去對大樓及其附加物做結構設計及驗算。一般來說，當你使用的設計參數高於法規要求時，政府審批部門都不會有太多意見，而當時永利所設計使用的實際風洞結果，遠遠高於澳門法規所要求。

誠然，不管利用風洞實驗去計算建築物的風壓，還是利用CFD去計算。都無法百份百精準地描述出在颱風期間，風力對每一個建築物的受力情況。原因是颱風本身並不會以一個恆定不變的方向、不變的溫度、不變的雨量去穩定地吹襲城市。第二點就是你的縮小模型無法百份百反映真實的建築物所有細節。而且城市的變化是動態的，每天所有建築物都有不同程度的變化，例如打開窗戶、汽車經過、挖路、招牌等再細微的變化都會令風產生微小的渦流，而每一個微渦流在整個流場流過城市時，又會令到風在每一個位置的壓力和整體流場變化，其結果是一個不停變化的過程。

56/96/M號法令核准的《屋宇結構及橋樑結構之安全及荷載規章》