红外热成像技术在玻璃幕墙建筑检查中的应用

王建勇

（墙管家建筑科技(上海)有限公司，上海 200241）

0 引言

近年来，因玻璃幕墙引起的高坠事故常有发生，玻璃幕墙使用量较大的大型城市纷纷加强了安全管理。根据上海市2012 年出台的《上海市建筑玻璃幕墙管理办法》（沪府令77 号）的第二十条（定期检查）要求，业主应当委托原施工单位或者其他有玻璃幕墙施工资质的单位按照其要求定期进行幕墙检查。但基于幕墙检查技术的局限性，大部分幕墙检查都以人工表面目测和触碰为主、少量简单的仪器检测为辅，对一些无损检查技术的应用很有限。本文以既有玻璃幕墙实际应用案例为研究对象，分析和论证红外热成像技术在既有玻璃幕墙检查中的应用可行性，为既有玻璃幕墙的无损检查提供相应的技术措施。

1 既有玻璃幕墙无损检查存在的问题和内容

1.1 玻璃幕墙检查的现状和问题

因玻璃幕墙是建筑类中一个专业类型，在国内的一、二线城市最为集中。早些年物业管理单位对既有玻璃幕墙的安全管理不太重视，但前些年频频发生因既有建筑玻璃幕墙玻璃自爆、装饰构件及开启窗脱落等引发的高坠安全事故，造成了一定的人员伤亡和财产损失，故逐渐引起各管理部门和业主、物业管理单位的重视，并出台了相应的管理条例和行业规范，使既有玻璃幕墙检查也有了一定的市场需求。但既有玻璃幕墙构造类型较多，关键结构连接构造又是隐蔽工程，检查作业时，也不可能尽数拆除幕墙面板去检查结构连接件及内部存在的安全隐患，加上行业内相应的无损检查仪器也较少，故对既有玻璃幕墙的检查不够全面，因此大部分的检查工作以人工目测观察为主，效率低，准确率不高。

1.2 幕墙隐患检查内容

根据幕墙检查相应规范要求，对幕墙面板、外露装饰构件、结构连接件、结构胶、密封胶、开启窗五金件、渗漏水部分还有节能、防火等方面进行检查。目前，对幕墙面板、外露装饰构件、密封胶等可见隐患都以人工目测为主。经过多年的发展，行业内也陆续应用光弹扫描、应力检测和红外热成像技术等进行无损检查，且取得了一定的效果。本文对红外热成像仪应用于玻璃幕墙无损检查进行了研究和探索。

2 红外热成像技术

红外热成像是基于温度高于绝对零度（-273.15 ℃）时任何物体都依据温度的不同对外发射电磁波辐射的物理现象而产生的。物体表面与其辐射强度和光谱之间存在明显相关性，红外光被分为近红外、中红外和远红外3 个波段，近红外、中红外和远红外的波长范围分别为2.5～0.7 μm、25～2.5 μm 和500～25 μm。红外热成像能通过红外敏感电荷耦合元件（charge-coupled device,CCD，可以称为CCD 图像传感器）采集。CCD 是一种半导体器件，能够把光学影像转化为数字信号。对物体进行红外热成像，可反映出物体表面的温度场。物体间的热传递模式有传导、对流和辐射3 种方式，而热传导就是通过分子与分子间相互碰撞而引起的将热能从一个分子转移到另一个分子的直接传递形式，它是固体内发生热传递的唯一形式。红外热成像技术优势如下：一是非接触性，可以在较远的距离上实施；二是响应速度快；三是测量实现多点化；四是温度的取值领域较宽，精确度高。红外热成像的依据是物体的热传导物理特性[1]，热传导率公式如下：

根据各种材料导热系数的不同，在外部同样环境下，通过红外热成像能探测到不同材质在热传导过程中温度差的二维影像，根据其物理特性，可对采集到的红外热成像数据通过一些专业软件进行分析。红外线热成像技术在军事、医疗、航天科技、建筑、科学研究和日常生活等各个领域都得到了非常广泛的应用[2]。

3 红外热成像技术在玻璃幕墙检查中的应用

3.1 项目概况

根据沪府令77 号的相关要求，上海市某玻璃幕墙检查项目委托具有相关资质的幕墙单位墙管家进行既有玻璃幕墙检查。该项目建筑竣工于2004 年，建成使用已近20 年，建筑面积约8 800 m2，采用了隐框构造式玻璃幕墙，面板为6 mm+1.14 mmPVB+6 mm（第一块玻璃面板厚度+聚乙烯醇缩丁醛胶片（polyvinyl butyral，PVB）厚度+第二块玻璃面板厚度）的夹层玻璃。本次检查采用了红外热成像技术，并根据其特性在节能、渗漏水、防火和构造等方面进行了应用，分析总结了该技术在玻璃幕墙无损检查中的应用。

3.2 红外热成像在玻璃幕墙渗漏水检查中的应用

3.2.1 既有玻璃幕墙检查渗漏水条件

既有玻璃幕墙在渗漏水方面的缺陷十分普遍，大部分建筑或多或少都存在渗漏水的现象，一部分是建筑结构缺陷造成的渗漏水，另一部分是因幕墙面板密封胶破损开裂造成的渗漏水。建筑渗漏水一般满足3个条件：一要有积水；二要有孔隙；三要有压力差。按照热传导原理，有积水的地方就会与周围材质产生热梯度差。如果积水在铝型材内部，肉眼是看不见的，用常规的检查方法显然无法检查，但是通过红外热成像仪可以采集到材质的红外辐射温差信息，就能清晰检测出积水的分布区域。这种无损探测技术方便实用，而且能准确显示积水的分布情况。但想要让红外热成像检查达到最佳效果，也需要一定的条件。实际经验表明，一般雨后24 h 的晴天最佳，因雨水在漏水位置形成一定的积水后，积压在构件内部，雨停后温度升高，无积水区域材质吸收太阳光及环境热量，与积水区的温差较大，这时通过红外热成像仪进行检测，温度成像反差明显，极易分辨和确认积水位置，见图1。如果雨后天晴时间太长，积压的水分被全部蒸发掉，则无法与周围构件形成温差，此时再用红外热成像仪去检查则无任何效果。

图1 雨棚顶渗漏水红外照片及雨棚顶可见光照片（Fig.1 Infrared and visible light comparison diagram of water leakage on the roof of rain shed）

3.2.2 幕墙顶部渗漏红外检查

幕墙顶部结构密封不好或清洗维修时放作业绳索压坏铝板间密封胶也是造成幕墙渗漏水的常见原因之一。一般在雨过天晴后1 d 进行红外热成像检查可明显发现积水位置。可视光照片颜色反差较小，不易发现积水区域，如图2 所示。而在红外热成像仪的红外照片下则通过高反差颜色标识，积水区域一览无遗，如图3 所示。在积水区与幕墙的渗漏处找渗水孔隙位置，就能找到缺陷源头，以便采取针对性的措施解决源头问题。

图2 幕墙封顶处渗漏水可见光照片（Fig.2 Visible light diagram of leakage at the top of curtain wall）

图3 幕墙封顶处渗漏水红外热成像照片（Fig.3 Infrared thermal imaging diagram of water leakage at the top of curtain wall）

3.2.3 幕墙立面室内顶部渗漏红外检查

本项目对玻璃幕墙的立面也进行了渗漏检查。因立面的渗水往往顺着面板和构件破损开裂的密封胶渗漏进室内，雨水通过竖向构件会瞬间向低处和内部扩散，不能形成积水条件，并且红外光波也不能穿透玻璃和铝型材等材质，因此红外热成像仪无法探测到内部积水形成的温差，在立面上用红外检查基本上没有任何效果。但如果雨水渗漏进室内侧，浸入石膏板吊顶和墙面涂料等材质内部，浸了水的石膏板与未浸水的石膏板形成一定的温差，浸水处的温度相对低，因此在室内用手持红外热成像仪也很容易发现渗水点，而可见光看不到任何水渍，如图4 所示。从室内反向找渗漏点，采取相应的补漏措施，效果也非常好。

图4 幕墙室内侧吊顶部位渗漏水红外热成像及可见光照片（Fig.4 Infrared thermal imaging photo&visible light photo of water leakage at the indoor side ceiling of the curtain wall）

以上案例中红外热成像仪的搭载为手持式或无人机搭载，无人机搭载具有灵活方便，可随时调整合适角度的优点，而手持式搭载在扫描高度较大的建筑时，由于俯仰角过大，不易达到最好成像效果，因此应根据现场情况采取不同检查方式。通过以上项目的应用分析可知，红外热成像仪用于幕墙渗漏的检查有一定效果，但受局限性也较大，只适用于积水明显的地方，对于整体幕墙立面不能达到预期目的。

3.3 红外热成像在既有幕墙节能方面的应用

项目幕墙面板采用的是6 mm+1.14 mmPVB+6 mm的夹层玻璃，不具有节能保温性能。本次检查正好是7月份，室外温度约为35 ℃，室内开中央空调，温度约为25 ℃，室内外温差约为10 ℃。因为夹层玻璃不具备保温性能，根据固体热传导原理，室内的冷气直接通过夹层玻璃面板传出室外，利用红外热成像仪检查时，图像呈现出不同颜色，橙色代表温度高，蓝色则代表温度低，其红外热成像照片见图5。由图5 可以明显看到玻璃幕墙面板呈蓝色，由此可判断室内的冷气温度直接通过玻璃面板传导至表面，从而可以得出其热传导性较好，保温节能性较差。

图5 玻璃面板节能性能红外热成像照片（Fig.5 Infrared thermal imaging photos of energy-saving performance of glass panels）

3.4 红外热成像在既有玻璃幕墙层间防火检查方面的应用

根据DG/TJ 08-56—2019 《建筑幕墙工程技术标准》第7.2.1 节要求：玻璃幕墙与楼层边沿实体墙上、下缝隙的防火封堵应采用厚度不小于200 mm 的岩棉、矿棉等耐高温、不燃材料填充密实，以厚度不小于1.5 mm的镀锌钢板为承托板并与相对应的幕墙横梁连接封堵，封堵材料不得与玻璃接触。而本项目在层间部位的红外热成像图片上呈明显橙色，说明其温度较其他部分高很多，这是因为夹层玻璃不保温，使室外面较高的温度通过玻璃材质的热传导直接传至混凝土梁上而被吸收，呈现图6 玻璃面板上半部分所示橙色，表明上半部分温度较高，因此可以判断层间部分没有保温层或防火岩棉，不符合现行规范要求。

图6 玻璃面板层间防火性能红外热成像示意图（Fig.6 Infrared thermal imaging photo of energy-saving performance of glass panel interlayer fire resistance diagram of infrared thermal imaging）

3.5 红外热成像在既有玻璃幕墙构造检查方面的应用

根据DG/TJ 08-56—2019 《建筑幕墙工程技术标准》第10.6.6 节要求：隐框或横隐竖明半隐框玻璃幕墙每块玻璃的下端应设置不少于2 个铝合金或不锈钢承托条，托条与幕墙支承构件应采用机械连接。在本次无人机载红外热成像云台对幕墙的检查中，通过红外热成像照片能清晰看到每个玻璃板块横隐密封胶部位设置的金属托块。因金属托块被密封胶遮盖，从现场人工目测检查和可视照片上基本看不出有无，但通过红外热成像的原理，硅酮密封胶与铝质金属托块的热传导性能不同，铝材的导热系数为160 W/（m·K），硅酮密封胶的导热系数为0.35 W/（m·K），室外的热量分别被2 种材质吸收，导热系数大的铝材吸收的热量比密封胶大得多，二者之间形成了对比强烈的温差，因此在红外热成像的照片中，颜色反差非常明显（见图7），说明红外热成像技术是效果较好的非接触式无损检测方法。

图7 幕墙构造红外热成像检查示意图（Fig.7 Curtain wall structure infrared thermal imaging inspection diagram）

4 结语

本次既有幕墙检查项目验证了红外热成像仪具有效率高、效果好、距探测目标距离远、搭载平台灵活、对幕墙非接触无损等优点。经过项目现场测试得出，红外热成像仪对既有玻璃幕墙的部分构件渗漏水、面板的节能性能、层间防火及节能、隐框及横隐的半隐框构造等项目的隐患检查具有较明显的效果。

在检查过程中要取得较高的测量精度，还需要注意如下几点：

（1） 使用红外热成像探测时要进行光学调焦，只有对焦准确，图像才足够清晰，测量的温度才较为准确。

（2） 被测目标要明显置于红外热成像仪的视场内，离探测的目标点距离要合适，如距离太远，测温准确性会受到影响。

（3） 要设定好合适的温度区间，温度区间设置太宽，测量精度会降低。

（4） 注意红外探测角度，最佳扫描角约为300°～800°。

（5） 注意区分被测目标物体受环境、反射和辐射等各种因素的影响。

由测试案例可见，利用红外热成像技术进行既有玻璃幕墙隐患检查确实是一种高效率的无损检查方法，虽然需满足一定条件，具有局限性，但是作为一种非接触式的无损检查方法，能采用手持或搭载无人机等机动方式，对一些达到条件的检查项目具有不可替代的效果，值得深入研究和推广。