《粵劇紅船》上建玻璃幕墻窗的設(shè)計

周俊輝 曾江易

摘? ? 要：本文以《粵劇紅船》為例，結(jié)合紅船的特殊要求，根據(jù)中國船級社《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》對上建玻璃幕墻厚度進行計算，并簡要介紹內(nèi)河船上建玻璃幕墻窗的設(shè)計要點。

關(guān)鍵詞：粵劇紅船;玻璃窗; 玻璃厚度計算

中圖分類號：U671.91 ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Selection of Superstructure Window Glass on

Cantonese Opera Red Boat

ZHOU Junhui，? ZENG Jiangyi

（ Guangzhou Marine Engineering Corporation， Guangzhou 510250 ）

Abstract： Taking the Cantonese Opera Red Boat as an example， combined with the special requirements of the boat， this paper calculate the thickness of glass curtain wall of superstructure on the boat according to the rules for the Classification of Steel Inland Waterways Ships of CCS， and briefly introduces the selection of glass curtain wall window on inland river boat.

Key words： Cantonese Opera Red Boat; Window Glass; Glass thickness calculation

1? ? 引言

《粵劇紅船》是廣州市為振興嶺南文化、弘揚粵劇精髓而打造的重點工程項目，是目前珠江夜游船中最大、最長、最寬、最高的一艘游船。主要用于廣州市珠江航道日夜游中進行粵劇表演、觀光等，同時又可以根據(jù)客戶要求提供個性化服務，例如新聞發(fā)布、商務會議、產(chǎn)品推介、學術(shù)交流等。

本船主要航行于以廣州市珠江航道為主的珠三角內(nèi)河航道，按內(nèi)河A級游覽船/第4類客船/大型客船進行設(shè)計。眾所周知，玻璃作為一種透明或半透明部件，不僅滿足了氣候、聲學等對船舶的空間進行分隔和圍護的要求，而且其裝飾性和通透性也極大地提高了船舶的魅力。

2? ? 設(shè)計要點

《粵劇紅船》的玻璃幕墻窗與普通船用窗的主要區(qū)別，在于幕墻窗的尺寸比普通方窗的玻璃尺寸大了好幾倍，使玻璃抵御船舶航行時產(chǎn)生的船體振動和變形等的能力急劇下降，加上玻璃幕墻窗沒有普通方窗所具有的整體方框，而是直接貼在艙壁上，更降低了整體的抗破壞能力。因此玻璃幕墻窗結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵是如何解決由于尺寸增大而帶來更多的沖擊、振動變形等問題。

為此，在玻璃幕墻窗的結(jié)構(gòu)設(shè)計中參考了國外有關(guān)資料，決定采用彈性結(jié)構(gòu)來解決這一問題：在玻璃的上下及兩邊墊上橡膠嵌條的墊體，有效地避免由于船體變形對玻璃造成的硬接觸，同時還能防止玻璃的移動和錯位;采用雙層夾層玻璃，中間層使用聚乙烯醇縮丁醛中間膜（PVB），能有效增加玻璃的抗沖擊性能，并能減少外界噪音的干擾。通過計算，確定夾層玻璃的規(guī)格以及夾膠、粘膠的施工厚度。

此外，由于玻璃幕墻窗不存在窗框，因此必須在玻璃的四邊用防水結(jié)構(gòu)硅膠密封，確保玻璃幕墻窗的水密性（如圖1所示）。

3? ?玻璃的物理性能簡述

玻璃的物理性能是玻璃抵抗預計環(huán)境力量的能力。就本文而言，即為抵抗船舶綜合環(huán)境力量的能力，包括：熱工性能（隔熱）、采光性能、隔聲性能、氣密性能及抗風壓能力等。

3.1? 熱工（隔熱）性能

船舶熱源分為外部熱源與內(nèi)部熱源兩類：外部熱源主要是太陽;內(nèi)部最大的熱源則是機艙。此外，還有太陽能量以光輻射的形式直接傳導熱量到室內(nèi)。

3.2? 隔聲性能

玻璃的隔聲性能是指通過空氣傳到玻璃外表面的噪聲，經(jīng)過玻璃的反射、吸收及其他形式的能量轉(zhuǎn)化后所減少的量的差值。噪聲通過空氣傳遞到玻璃的外表面，其中：一部分能量在玻璃表面產(chǎn)生反射;一部分能量被玻璃材料吸收轉(zhuǎn)化為其他能量;一部分能量透過玻璃材料及其間的空隙傳入室內(nèi);一部分能量投射在玻璃上激發(fā)材料自身的振動，并將這種振動向室內(nèi)空氣中輻射;一部分能量沿玻璃及其構(gòu)件以固體聲形式繼續(xù)傳播。可以看出，能量通過反射、吸收和其他形式的能量轉(zhuǎn)化，傳到室內(nèi)時已有一定程度的減少，這種減少量值稱為玻璃（材料）的有效隔聲量。由于珠江河道不寬，江邊人聲鼎沸，所以隔聲性能良好的玻璃對本船來說是非常重要的。

3.3? 氣密性能

玻璃窗的氣密性能是指在壓力差的作用下，其可開啟部分于關(guān)閉狀態(tài)下（或固定式窗的常態(tài)）玻璃及其結(jié)構(gòu)阻止空氣穿過的能力。從玻璃窗縫隙滲入艙內(nèi)的空氣量對整船的艙內(nèi)溫度有較大影響，數(shù)據(jù)顯示由縫隙滲入室內(nèi)的冷空氣的耗熱量達到全部采暖耗熱量的20%～40%。所以玻璃窗的形式和機構(gòu)，以及相關(guān)結(jié)構(gòu)膠的選用顯得尤為重要。

3.4? 抗風壓性能

玻璃窗的抗風壓性能是指在風壓的作用下，其可開啟部分于關(guān)閉狀態(tài)下（或固定式窗的常態(tài)）玻璃變形不超過允許范圍且不發(fā)生結(jié)構(gòu)損壞的能力。

4? ?玻璃的強度

船舶在航行過程或靜止狀態(tài)下均會受到波浪力的影響，從而引起船體的變形。由于本船所使用的玻璃單塊面積大、覆蓋上建的范圍較廣，玻璃受結(jié)構(gòu)變形的影響還是比較大的，可能會導致玻璃使用壽命的減少甚至直接變形破碎的情況。

在船舶上用作玻璃幕墻或大片玻璃窗的玻璃，其應力抗力（包括抗扭等綜合應力）很大程序上取決于玻璃表面的完備性。根據(jù)玻璃晶格的化學粘結(jié)性和破斷所需的能量，玻璃抗拉強度的理論值要遠高于玻璃成品所達到的值，這是因為玻璃表面許多隨機微觀裂紋和宏觀裂縫的存在，由于玻璃沒有明顯的塑性發(fā)展能力，裂縫擴展會導致突然的脆性斷裂。

玻璃強度的測試強度與試件的尺寸有關(guān)。小片玻璃的測試強度要高于大片玻璃，這是因為玻璃尺寸越大其表面存在缺陷的幾率越高，因此有學者提出了建立在失效概率理論而不是預先確定強度方法的基礎(chǔ)上的玻璃結(jié)構(gòu)設(shè)計方法。

玻璃的強度還與載荷作用的長短有關(guān)，玻璃裂紋在長期載荷作用下會擴展直至破壞，而對于短期載荷則強度較高。

如上所述，玻璃的實際強度不是其理論的機械強度，而是取決于其表面（包括端部和鉆孔周圍）損傷程度的變量。嚴格而言，只有通過統(tǒng)計方法才能確定臨界損傷相對應的玻璃強度。

本船是珠江上的游船，需要滿足舞臺表演、觀光等需求：舞臺需要安靜，而觀光需要通透廣闊的視野。夾層玻璃與中空玻璃是強度、隔熱性能與隔聲性能等各項指標都比較好的玻璃，但中空玻璃由于工藝的限制，對潮濕空氣的耐受性比較差，考慮到船舶的使用環(huán)境，最后選用雙層夾層玻璃。其中：玻璃板材選用鋼化處理過的高透白玻璃以保持通透性;中間層使用聚乙烯醇縮丁醛中間膜（PVB）夾層，其外觀與普通玻璃一樣，中間PVB膠的韌性較好，能在玻璃受到外力沖擊時提供一定的保護作用，而且能在玻璃破碎后把玻璃完整地保持在框架內(nèi)一定時間，防止突發(fā)傷人并在一段時間內(nèi)保持玻璃窗擋雨遮風的基本功能，為船舶安全使用提供了保障。此外，PVB膠還對聲波有較強阻尼作用，減少岸上噪音的干擾，滿足作為移動舞臺需要對噪聲進行控制的要求，提高船舶的舒適性。

5? ?玻璃幕墻窗的結(jié)構(gòu)計算

本計算參考中國船級社《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》（2014）要求進行。

5.1? 玻璃厚度計算

玻璃厚度t，應不小于按下式計算所得之值：

（1）

式中：? b——? 玻璃短邊長度，mm;

C——? 系數(shù)，按規(guī)范表4.8.1.3選取;

[σB]——玻璃許用彎曲應力，N/mm2。對鋼化玻璃取[σB]=50 N/mm2;

對普通玻璃取[σB]=19.5 N/mm2;對聚碳酸酯玻璃取[σB]=26 N/mm2;

P——玻璃承受的載荷，kN/m2。應不小于按下式計算所得之值：

kN/m2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

式中：h——壓力計算中心距滿載靜浮水線的垂直距離， m。當 h<1.5 m 時，取 h=1.5 m。

必須注意：上層建筑（甲板室）玻璃頂篷甲板的計算壓力 P，應不小于 2 kN/m2;玻璃厚度t小于5 mm時，應取t=5 mm;

當采用雙層夾層玻璃時，兩層玻璃的厚度之和應不小于以上玻璃厚度t計算值的1.25倍;

當采用三層夾層玻璃時，三層玻璃的厚度之和應不小于以上玻璃厚度t計算值的1.5倍。

5.2? 粘接寬度計算

當玻璃采用粘接方式與框架或壁板進行連接時，粘接寬度 d 應不小于按下式計算之值：

mm? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

式中： P——玻璃承受的載荷，kN; ? ? ? ?σt ——粘接劑拉伸強度，N/mm2。應不小于2.5 MPa; ? ? ? ? ?b ——玻璃短邊長度，m;

必須注意：在任何情況下粘接寬度應不小于15 mm。

5.3? 粘接厚度計算

當玻璃采用粘接方式與框架或壁板進行連接時，粘接厚度 t 應不小于按下式計算之值： ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? t = ka? mm? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （4）

式中：a——玻璃的長邊長度， m; ? ? ? ? ? k——系數(shù)。鋼化玻璃和夾層玻璃取k=5;聚碳酸酯玻璃取k=8;

必須注意：在任何情況下粘接厚度應不小于6 mm。

圖2為玻璃幕墻側(cè)視圖。

圖2? 玻璃幕墻側(cè)視圖

5.4? 計算結(jié)果

本船上層建筑和甲板室的主要外窗玻璃尺寸如下（表1）：

本船采用雙層夾層鋼化玻璃及高性能結(jié)構(gòu)膠粘結(jié)，計算結(jié)果如下（表2）：

根據(jù)以上計算結(jié)果，本船實際選用配置為：10mm鋼化玻璃+0.76 mm PVB+10 mm鋼化夾層玻璃 ;玻璃結(jié)構(gòu)膠粘結(jié)寬度為30 mm、粘結(jié)厚度為22 mm。

6? ?結(jié)束語

船舶玻璃幕墻窗的設(shè)計，既要考慮船體的振動又要考慮結(jié)構(gòu)變形等因素，對玻璃的物理特性、強度等有較高要求，同時還受船舶排水量限制而盡可能減少玻璃重量。因此，在玻璃幕墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計和材料選擇上要綜合考慮，滿足使用及法規(guī)的要求。

隨著時代的發(fā)展和人們生活水平的提高，船舶已經(jīng)不僅是一種交通工具，在兼具娛樂、餐飲、舒適性以及觀光等需求的新時代，帶狀玻璃幕墻窗在內(nèi)河以及沿海船舶上的應用越來越廣泛，大而通透的玻璃能給人帶來更好的空間感、更開闊的視野，同時也能使船舶的外觀更富有現(xiàn)代感。

希望通過本文能為今后類似玻璃幕墻的設(shè)計者提供參考。

參考文獻

[1] 中國船級社 鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范 [S].2016.

[2] 張其林. 玻璃幕墻結(jié)構(gòu)[M]. 山東科學技術(shù)出版社，2006.2.