玻璃幕墙风压检测系统设计应用*

宋心智, 王海文, 陈子琦

(1.陕西金信建筑工程质量检测有限公司,陕西 西安 710086; 2.陕西省机械研究院,陕西 咸阳 712099;3.西安工业大学机电工程学院,陕西 西安 710086)

0 引 言

随着建筑科学技术的进步以及城市土地使用的限制，高层建筑越来越多的出现在世界各大城市，而且大多数的高层建筑都采用大型建筑幕墙来进行装饰和减轻重量。因建筑幕墙破裂、坠落等问题导致的伤人事件屡见不鲜，为了保证幕墙自身性能和安全性，确保人民群众的生命财产安全，建筑幕墙检测随之发展起来。参照国家相关检测标准[1]，幕墙检测主要是对建筑幕墙进行物理三性测试，包括空气渗透、雨水渗漏和抗风压三种特性实验。其中建筑幕墙检测所用的风压加载系统是整个检测试验台中最关键的部分。

笔者重点介绍风压检测系统的主要组成部分，着重介绍正负压切换机构的设计思路和工作方式。通过隐框玻璃幕墙物理性能检测试验，证明了此风压系统的可行性，对玻璃幕墙风压检测系统的设计具有一定的参考价值。

1 风压系统的主要构成

玻璃幕墙检测的基本原理为：将玻璃幕墙试件安装在静压箱体上，其静压箱体为五面封闭墙体，一面预留开口供玻璃幕墙的安装；通过风压调节系统和风管路系统完成对静压箱体内空气压力的控制，通过供压系统向静压箱体内提供不同压力差，并利用相关传感器测出相关参数，以此完成玻璃幕墙检测[2]。玻璃幕墙检测风压系统主要作用是使玻璃幕墙两侧产生不同的压力差及周期变化的压力差，以模仿实际工况下风载荷的变化[3]。玻璃幕墙检测风压系统主要由供压系统、测量装置、控制系统等部分组成。如图1所示。

图1 风压系统主要构成

1.1 供压系统

供压系统主要由风机、正负压切换机构、变频控制器、风管路系统等组成，其可向静压箱体施加正负两个方向的压力差[4]。如图2所示。采用高压通用风机并利用风管路系统为静压箱体供压。风机的运转速度由风机变频器控制，利用正负压切换装置及风量控制装置准确控制玻璃幕墙两侧压力差。同时利用相关传感器测量气密、位移变形数据并上传到计算机控制系统，方便后续的试验数据保存及分析[5]。

图2 玻璃幕墙检测供压系统

1.2 正负压切换装置

正负压切换装置是玻璃幕墙检测风压系统中最为重要的一环[6]。其工作原理为：风机按照一个方向转动，持续为静压箱体提供风压，以满足检测时风压的要求，并通过控制风压调节系统中伺服阀门开启的角度改变压力箱内风压的方向和大小，如图3所示为正负压切换机构简图。

图3 正负压切换机构

如果要降低箱体内工作风压，在风机正常运转的同时，将阀门2和4开启，关闭阀门1和3。通过降低风机的转速和改变伺服阀门的角度实现对工作风压的调节。同时在风管路中安装泄压阀和流量计，满足控制风压的安全性和方便性要求。并在进、出气口配备消音装置，降低工作噪声。

根据该正负压切换装置的工作原理，该装置具有以下优点。

(1) 风机始终沿同一方向运转，不需要改变运转方向来实现风压方向的改变。解决了通过频繁改变风机运转方向实现正负压切换的方式，同时提高了风机的可靠性，延长了使用时间。

(2) 系统响应快，通过控制伺服阀门开启的角度以控制静压箱体内的压力变化，这样比通过控制风机的转速以实现箱体内风压的变化所需的响应时间更快。

(3) 控制组合方式多，伺服阀门和风机构成静压箱体控制风压的主要输入量，可通过改变输入量的方式实现对风压的灵活控制，增加了控制方式的多样性和灵活性。

(4) 安全性高，因安装了流量计及泄压阀，在风压达到警戒值时可通过泄压阀完成对压力的释放，以保证整个检测系统的安全可控，保证了玻璃幕墙检测的安全。

1.3 数据采集系统

幕墙检测风压系统中数据采集系统主要采集箱体内外的压力差和空气流量，主要由空气压力传感器、空气流量传感器和信号采集模块构成。

(1) 空气压力传感器：空气压力传感器的主要作用是实时监测静压箱体内空气压力的变化情况，将监测数值上传到计算机监控系统。因玻璃幕墙检测风压范围为0～6 000 Pa左右，因此选择空气压力传感器的测量范围为0～8 000 Pa。根据检测要求选择空气压力传感器基本误差为0.2%，如图4所示。

图4 空气压力传感器 图5 空气流量传感器

(2) 空气流量传感器：在对玻璃幕墙进行检测时需要对风管路内的气体流量进行数据监测。根据风管路内的气体流量选用合适的空气流量传感器，本次选用热感式流量传感器。其测量量程为：1～50 m/s，其基本误差为1%，如图5所示。

(3) 信号采集模块：它可以获取检测试验过程中的相关数据，并将相关数据上传到计算机监控系统，完成对箱体压力、空气流量数据的监测同时上传到计算机监控系统。

1.4 应用控制系统

应用控制系统其工作原理为：利用数据采集系统中各种传感器采集到的现场试验数据和供压系统中的控制信号，对各种试验数据进行分析与处理并对供压系统进行控制，以完成对玻璃幕墙的检测。

2 玻璃幕墙检测风压系统工作原理

玻璃幕墙检测风压系统工作时，先启动应用控制系统，通过数据采集系统检测箱体内风压情况。根据数据采集系统和检测时不同的风压要求，应用控制系统控制供压装置向静压箱体供压。数据采集系统实时对箱体内的风压进行监测，控制系统实时控制风机转速、阀门，以实现对静压箱体风压的实时控制。系统工作原理如图6所示。

图6 幕墙检测风压系统工作原理

3 玻璃幕墙检测风压系统的构成

3.1 供压系统构成

玻璃幕墙检测风压系统由风机、正负压切换装置、风机变频器以及管道组成。根据检测要求，供压系统需要向静压箱体提供至少9 000 Pa的风压。因此为实现最大测试风压，选择1台9-26-710D/50kW高速离心风机，如图7所示。该风机可为不同尺寸的幕墙提供检测风压。变频器选择西门子MM440 110 kW风机专用变频器，它可以极大地降低了风机的使用噪音，降低风机的启动扭矩，增加使用寿命，减少对电网的冲击。由于风管路较长，为了减少风压损失，风管采用直径为500 mm的钢管。

图7 高速离心风机

3.2 数据采集系统构成

数据采集系统的主要作用是采集现场各种数据信号，通过工业以太网和通讯现场总线传递传感器数据及设备控制信号，系统可以简化布线工作，有效提高各种传感器信号的抗干扰性[7]。空气压力传感器、空气流量传感器以及数据采集卡是数据采集系统的主要组成部分。数据采集系统的空气压力基本误差为0.2%、空气流量基本误差为1%，可实现了数据自动采集等功能。

3.3 应用控制系统构成

应用控制系统的主要任务是分析处理采集的相关试验数据，控制供压系统中的风机、阀门、变频器的运转[8]。其主要由BL1800控制器、PLC以及计算机控制系统组成。其中BL1800将相关传感器采集到的风压、气体流量等数据发送给计算机控制系统，以实现对静压箱体内风压的监测和控制。PLC主要负责将控制命令传送给风机变频器，以便控制风机的运转速度。应用控制系统完成整个幕墙检测系统的信号处理、显示和控制过程，应用控制系统界面如图8所示。

图8 应用控制系统

4 风压检测系统应用

借助设计的玻璃幕墙风压检测系统，对现有的玻璃幕墙物理性能试验台进行改造，在此试验台上完成对隐框玻璃幕墙物理三性的检测，如图9所示。在检测过程中，风压系统能满足国标中对风压的要求。其检测结果如表1、2、3所示。从表1、2的可知，试验测得幕墙试件空气渗透量随压差不断增加而增大，且大体呈线性增加趋势。表3中单位面积空气渗透量作为判断指标，可以判断幕墙试件的气密等级。通过对隐框玻璃幕墙的物理性能的试验，证明了此设计的可行性。

图9 隐框玻璃幕墙检测

表1 正压空气渗透数据

表2 负压空气渗透数据

表3 空气渗透量参数计算

5 结 语

文中将玻璃幕墙检测的基本原理作为设计依据，完成了对风压系统的设计。对其各分系统进行了详细介绍，其中风机和正负切换机构是整个系统中核心部分；数据采集系统完成整个检测过程中数据信号的采集，并上传至计算机控制系统；应用控制系统完成整个检测过程中信号的处理、显示以及控制。文中对幕墙检测风压系统的研究，为保障幕墙的安全提供了可靠的检测手段，促进了建筑幕墙的健康、可持续发展。