超高層建筑幕墻抗火策略

周偉民

摘 要 以上海中心大廈內(nèi)幕墻的設(shè)計(jì)及施工為例，對上海中心大廈分隔使用空間與空中中庭的玻璃內(nèi)幕墻消防安全展開研究，通過理論計(jì)算及火災(zāi)實(shí)驗(yàn)?zāi)M的方式，研究和探討內(nèi)幕墻玻璃在火災(zāi)中的燃燒性能、幕墻玻璃的加強(qiáng)保護(hù)策略和相關(guān)構(gòu)件的防火保護(hù)措施，提出了根據(jù)不同的工況選擇玻璃幕墻防火系統(tǒng)，特別是以普通鋁合金玻璃幕墻系統(tǒng)輔以窗玻璃噴淋系統(tǒng)作為防火分隔，可代替常規(guī)的鋼框防火玻璃幕墻系統(tǒng)，可節(jié)省投資及工期，為超高層建筑內(nèi)幕墻設(shè)計(jì)帶來更多可能性。

關(guān)鍵詞 上海中心大廈 內(nèi)幕墻 玻璃幕墻防火 窗玻璃噴淋

1引言

超高層建筑是人類社會城市化、現(xiàn)代化、高科技化發(fā)展進(jìn)程中的產(chǎn)物。它的出現(xiàn)不僅僅滿足人們的基本物質(zhì)要求，更主要的是滿足人們在精神上及商業(yè)利益上的需求，其發(fā)展體現(xiàn)著結(jié)構(gòu)、技術(shù)、能源、美學(xué)及社會和文化的科學(xué)綜合。

玻璃作為建筑材料，同時具備四大特點(diǎn)：透明、高強(qiáng)、輕質(zhì)、耐久。裝設(shè)玻璃幕墻的建筑一旦失火后，火焰和煙霧會沿著玻璃幕墻與樓板、隔墻的縫隙蔓延，同時玻璃在250℃左右炸裂，并引起火焰迅速沿外墻上卷延燒。玻璃幕墻的鋼材和鋁合金型材的耐火性能都比較差，鋼型材在300～400℃高溫下強(qiáng)度下降，600℃時承載力下降到常溫下的40%左右，而鋁合金結(jié)構(gòu)型材的耐火性能更差，受熱條件下極易發(fā)生結(jié)構(gòu)變形，350℃左右失去承載能力。目前的玻璃幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，雖然考慮了玻璃和鋁合金在溫度驟變情況下因變形伸縮不一致而發(fā)生的“冷橋”現(xiàn)象，玻璃和鋁框中間采用橡膠、聚乙烯泡沫材料相隔，但是能承受的溫度變化范圍僅在-40～+50℃之間。建筑物內(nèi)發(fā)生火災(zāi)，輻射熱、高溫?zé)煔舛际菇Y(jié)構(gòu)溫度變化范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于+50℃，結(jié)構(gòu)受熱膨脹變形過大，造成玻璃破碎、脫落。

玻璃幕墻體系的設(shè)置給防火安全帶來了諸多不利因素，由于玻璃幕墻的耐火性能較差，一旦建筑物發(fā)生火災(zāi)，火災(zāi)蔓延迅速、撲救難度大、危害性大。在上海中心大廈的設(shè)計(jì)與施工過程中，建設(shè)單位協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)單位及施工單位找尋一種系統(tǒng)的內(nèi)幕墻抗火解決方法，并成功得到了驗(yàn)證與實(shí)施。

2上海中心大廈玻璃幕墻體系概述

上海中心大廈是上海浦東陸家嘴核心區(qū)的第三座超高層建筑，位于陸家嘴金融貿(mào)易區(qū)、緊鄰陸家嘴中心綠地，地塊面積約30 370m2，地上建筑面積約380 000m2，121層，總高為632m，結(jié)構(gòu)高度為580m。大廈分為9段，共6個主要功能區(qū)域：商業(yè)、辦公、精品辦公、酒店、酒店公寓和觀景體驗(yàn)區(qū)域。每段都有獨(dú)立的中庭，為人們提供交流活動的場所。

上海中心大廈的中庭設(shè)置在內(nèi)外雙層幕墻之間。整個大樓采用了獨(dú)特的內(nèi)外雙層幕墻系統(tǒng)。外幕墻輪廓由3段圓弧構(gòu)成的圓倒角三邊形作為基本構(gòu)形，平面三邊形逐漸旋轉(zhuǎn)上升并均勻縮小，形成了一個平滑扭曲面，其內(nèi)幕墻沿著主體結(jié)構(gòu)樓板邊緣呈圓柱式布置。內(nèi)外幕墻間的月牙形空間形成了一個獨(dú)立的中庭，每段中庭的高度為69.9m。

上海中心大廈的幕墻體系包括：內(nèi)層幕墻（A幕墻）、幕墻支撐系統(tǒng)（CWSS）、外層幕墻（B幕墻）（圖1，2）。

3上海中心大廈玻璃內(nèi)幕墻的消防設(shè)計(jì)特點(diǎn)

考慮到中庭與使用空間的防火設(shè)計(jì)，上海中心每個區(qū)的中庭與標(biāo)準(zhǔn)層的使用空間分隔可采用以下幾種方式：1）采用防火墻分隔，但此類分隔阻擋了功能層與中庭的視線聯(lián)系；2）參考《高層建筑防火設(shè)計(jì)規(guī)范》的傳統(tǒng)做法為采用耐火極限達(dá)到3h的防火卷簾分隔，但考慮大面積使用防火卷簾的可靠性，火災(zāi)時若有任意一面防火卷簾不下降，則防火卷簾形同虛設(shè)，而且本項(xiàng)目內(nèi)幕墻為圓形，給防火卷簾的設(shè)置帶來困難；3）參考《上海市公共建筑防火分隔消防設(shè)計(jì)若干規(guī)定》，中庭四周采用C類防火玻璃或防火卷簾分隔，防火玻璃耐火極限不小于1h，但全防火玻璃系統(tǒng)存在的問題：只能采用鋼框架形式，不能采用工廠化安裝的單元幕墻，施工較慢，與超高層建筑的建設(shè)周期不匹配。

綜合以上幾個因素，上海中心內(nèi)幕墻嘗試性地提出一種較新型的防火分隔方案：采用鋁合金框架玻璃+窗玻璃噴淋系統(tǒng)。

窗玻璃噴淋保護(hù)系統(tǒng)不同于一般意義上的保護(hù)防火卷簾的加密噴頭。首先，嚴(yán)格要求將窗玻璃噴淋系統(tǒng)獨(dú)立于普通噴淋系統(tǒng)獨(dú)立設(shè)置；其次，窗玻璃噴頭是一種特制的邊墻灑水噴頭，它的布水性能較好，灑水均勻，如圖3所示。

經(jīng)ICC-ES和ULC認(rèn)證，窗玻璃噴頭和6mm的鋼化玻璃組合后，可以提供2h耐火極限?；馂?zāi)發(fā)生時，玻璃表面受到煙氣傳導(dǎo)和火焰輻射，玻璃表面溫度升高，若保護(hù)玻璃的窗玻璃噴頭及時產(chǎn)生動作，往受熱玻璃表面均勻布水，可以有效降低玻璃表面的溫度，保證玻璃的完整性。窗玻璃噴頭的保護(hù)間距宜為1.83～2.44m，每只噴頭流量不小于1.26L/s，噴頭有邊墻安裝和垂直安裝兩種方式，噴頭與玻璃隔墻間距宜為50～100mm，噴頭啟動溫度有68℃和93℃兩種，噴頭為3mm玻璃泡快速響應(yīng)型，作用長度內(nèi)的噴頭數(shù)量一般約為7只，消防用水量須單獨(dú)考慮窗玻璃噴頭用水量。

4上海中心內(nèi)幕墻體系的設(shè)計(jì)火災(zāi)場景

4.1利用 FDS 模擬驗(yàn)證內(nèi)幕墻溫度場

考慮火災(zāi)發(fā)生在辦公區(qū)域，火災(zāi)規(guī)模參照上海市2006年版《建筑防排煙技術(shù)規(guī)程》中噴淋失效的辦公場所，設(shè)定為6MW快速t2發(fā)展火，并保守假設(shè)辦公區(qū)域的普通噴淋系統(tǒng)和機(jī)械排煙系統(tǒng)失效。[1]

從模擬輸出結(jié)果，在有窗玻璃噴淋保護(hù)的條件下，火源邊緣距離玻璃表面1m的條件下，玻璃表面最高溫度為60～85℃，遠(yuǎn)低于鋼化玻璃的臨界溫度200℃。無窗玻璃噴淋保護(hù)的玻璃表面溫度為70～240℃，高于鋼化玻璃的臨界溫度200℃。

考慮火災(zāi)發(fā)生在辦公區(qū)域，火災(zāi)規(guī)模參照上海市2006 年版《建筑防排煙技術(shù)規(guī)程》中噴淋失效的辦公場所，設(shè)定為6MW快速t2發(fā)展火，并保守假設(shè)辦公區(qū)域的普通噴淋系統(tǒng)和機(jī)械排煙系統(tǒng)失效。

本場景是為驗(yàn)證內(nèi)幕墻若采用防火玻璃，且防火玻璃在無噴淋保護(hù)下，其表面溫度能否在安全值以下?；鹪催吘壟c玻璃之間的距離為0.5m，其他輸入?yún)?shù)和場景一的參數(shù)一致。計(jì)算結(jié)果顯示無噴淋保護(hù)的防火玻璃表面溫度為190～330℃，未超過防火玻璃失效溫度500℃。

上海中心各區(qū)段中內(nèi)外幕墻之間形成三個獨(dú)立的新月形空間，內(nèi)外幕墻之間的距離變化很大，中間區(qū)域較大，兩端較小，最窄處的距離小于2m（圖4）。

為了研究內(nèi)外幕墻之間的距離對火災(zāi)特性的影響，考慮了內(nèi)外幕墻狹窄處所對應(yīng)的辦公區(qū)發(fā)生火災(zāi)時的場景，得到煙氣的蔓延情況，并測定內(nèi)幕墻處的熱煙氣溫度。根據(jù)FDS計(jì)算在內(nèi)外幕墻之間距離為2m時，由于空間狹小，高溫?zé)釟饬髟谏仙^程中，卷吸的新鮮空氣較少，煙氣流保持較高的溫度向上蔓延，形成煙囪效應(yīng)。造成在整個豎向空間內(nèi)，溫度下降梯度較小，整個區(qū)域溫度大部分都在140℃，其中距中庭底部5m處煙氣溫度為500℃左右，10m處為230℃，中庭頂部55m溫度在240℃。

4.2根據(jù)FDS模擬的初步結(jié)果及建議

針對目前模擬驗(yàn)證結(jié)果，建議中庭防火分隔采取以下方式：

（1）內(nèi)外幕墻狹窄區(qū)域（內(nèi)外幕墻之間距離≤2m）：整個中庭高度上采用防火玻璃系統(tǒng)。

（2）內(nèi)外幕墻寬闊區(qū)域（內(nèi)外幕墻之間距離>2m）：距中庭底部5m及10m處（即標(biāo)準(zhǔn)層首層、二層），頂部以下2 層標(biāo)準(zhǔn)層建議采用防火玻璃系統(tǒng)；其余系統(tǒng)各標(biāo)準(zhǔn)層采用鋼化玻璃+內(nèi)側(cè)窗玻璃噴頭保護(hù)的形式。

同時，對窗玻璃系統(tǒng)提出以下要求：1）建議用于保護(hù)鋼化玻璃的窗玻璃噴頭安裝間距約為2m，并應(yīng)保證噴頭距離玻璃表面的垂直距離能確保玻璃表面無灑水盲點(diǎn)；2）窗玻璃噴淋的設(shè)計(jì)用水量應(yīng)單獨(dú)考慮，約按7個噴頭（按作用面積設(shè)計(jì)）同時動作考慮設(shè)計(jì)用水量。

4.3內(nèi)幕墻防火系統(tǒng)深化

按照模擬計(jì)算結(jié)論，內(nèi)幕墻設(shè)計(jì)效果將如圖5所示（其中紅色陰影區(qū)域代表防火玻璃系統(tǒng)）。57.8%內(nèi)幕墻區(qū)域?qū)⒉捎梅阑鸩Ａ粔ο到y(tǒng)，其余區(qū)域?yàn)槠胀ㄤ摶Ａ粔ο到y(tǒng)。這樣的設(shè)計(jì)將帶來以下困難：

（1）施工困難，由圖5可知2m狹窄區(qū)域在整個中庭豎向高度上為曲線延伸，在施工時很難完全做到防火玻璃系統(tǒng)和普通鋼化玻璃系統(tǒng)的銜接。

（2）系統(tǒng)邊界玻璃受熱不均，在同一層一邊采用窗玻璃噴頭保護(hù)鋼化玻璃系統(tǒng)，一邊采用防火玻璃系統(tǒng)，一旦在兩個系統(tǒng)邊界區(qū)域發(fā)生火災(zāi)，一邊有窗玻璃噴頭啟動，另一邊沒有，這樣容易造成玻璃受熱不均而引起破裂。

（3）影響建筑外觀，混合兩種系統(tǒng)對建筑外觀造成很大的影響。

鑒于以上原因，內(nèi)幕墻系統(tǒng)配置如圖6，7所示，歸納如下：1）靠標(biāo)準(zhǔn)層一側(cè)采用普通鋼化玻璃；2）靠中庭一側(cè)采用單片C類1h防火玻璃；3）靠標(biāo)準(zhǔn)層一側(cè)框架采用窗玻璃噴頭+帶鋁飾面的連續(xù)鋼框架系統(tǒng)；4）靠中庭一側(cè)框架采用連續(xù)鋼壓條框架系統(tǒng)。

5上海中心大廈玻璃幕墻體系防火性能測試

5.1非隔熱鑲玻璃構(gòu)件防火測試

在施工階段，根據(jù)幕墻施工公司深化圖紙做實(shí)樣到國家消防檢測機(jī)構(gòu)做經(jīng)過多輪試驗(yàn)，不斷改進(jìn)玻璃配置及安裝節(jié)點(diǎn)（表1），從而確定了最終的內(nèi)幕墻分隔，驗(yàn)證了理論計(jì)算的防火分隔的有效性。在以上多次的實(shí)驗(yàn)中，水噴淋防火實(shí)驗(yàn)是國內(nèi)首次進(jìn)行，為此專程搭建了相關(guān)實(shí)驗(yàn)裝置。

5.2非隔熱鑲玻璃構(gòu)件防火測試程序

試驗(yàn)在公安部天津消防研究所實(shí)驗(yàn)室，根據(jù)GB/T12513-2006《鑲玻璃構(gòu)件耐火試驗(yàn)方法》規(guī)定進(jìn)行。試件實(shí)際玻璃尺寸為2 710mm（高）×804mm（寬）和2 710mm（高）×1 020mm（寬）兩種，玻璃受火面積分別為2 673mm（高）×766mm（寬）和2 673mm（高）×981mm（寬），鑲嵌玻璃深度為20mm。

按GB/T 9978的規(guī)定進(jìn)行測量，試件背火面竄火持續(xù)達(dá)10s以上時，則認(rèn)為試件失去耐火完整性；當(dāng)試件背火面出現(xiàn)貫通至試驗(yàn)爐內(nèi)的裂縫，直徑6mm±0.1mm的探棒可以穿過裂縫進(jìn)入試驗(yàn)爐內(nèi)且探棒可以沿裂縫長度方向移動不小于150mm，或直徑25mm±0.2mm的探棒可以穿過裂縫進(jìn)入試驗(yàn)爐內(nèi)，則認(rèn)為試件失去耐火完整性。當(dāng)測得的試件背火面平均溫度超過試件表面初始平均溫度140℃，或測得的試件背火面任一點(diǎn)最高溫度超過初始溫度180℃時，則認(rèn)為試件失去耐火隔熱性，試驗(yàn)過程如圖8所示。

5.3水噴淋保護(hù)鑲玻璃構(gòu)件防火測試程序

試驗(yàn)在公安部天津消防研究所實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，通過檢測一些系數(shù)，如噴頭動作時間、玻璃和玻璃框的溫度、玻璃裝置保持完整性的時間，來確定在可控制火源的條件下玻璃裝置的噴水滅火的性能，對窗噴系統(tǒng)性能進(jìn)行評估。檢測室的寬度為3.3m，進(jìn)深為3.3m，高度從地面算為3.3m。檢測室的三面墑和吊頂貼上陶瓷纖維，放置檢測樣品的那面墻不裝陶瓷纖維。將檢測樣品安裝在燃燒器前擋板對面并平行的墻上，大小為2m×3m（圖9）。

檢測樣品包括玻璃裝置和噴水系統(tǒng)。玻璃裝置包括玻璃、玻璃框、墊圈、合適的銷以及其他完成安裝需要的組件。噴水系統(tǒng)包括自動噴頭、供水管路和其他任何檢測室里通常要安裝的組件。檢測樣品的中垂線與檢測室墻上開孔的中垂線對齊，樣品放在具有耐火等級的墻上。墻的耐火等級要大于樣品的耐火等級。

1h窗噴水噴淋保護(hù)鑲玻璃構(gòu)件防火測試結(jié)論：1）防火玻璃及鋁臺金框架完成了連續(xù)1個小時的窗噴試驗(yàn)；2）玻璃或鋁合金框架上所有測溫點(diǎn)的平均溫度不超過140℃；3）熱電偶不接觸火源一面的溫度在40min的時間間隔內(nèi)不超過180℃；4）玻璃裝置未出現(xiàn)穿孔、崩裂等破壞現(xiàn)象；5）在距離樣品背火面3m處輻射照度末達(dá)到0.42W/cm2；6）在距離樣品背火面2.4m處輻射照度未達(dá)到3.35W/cm2。

6結(jié)論

通過對上海中心大廈分隔使用空間與空中中庭的玻璃內(nèi)幕墻消防安全展開研究，通過理論計(jì)算及火災(zāi)實(shí)驗(yàn)?zāi)M的方式，研究和探討玻璃內(nèi)幕墻在火災(zāi)中的燃燒性能、幕墻玻璃的加強(qiáng)保護(hù)策略和相關(guān)構(gòu)件的防火保護(hù)措施，得出如下結(jié)論：1）上海中心中庭防火分隔采用的防火玻璃系統(tǒng)經(jīng)過模擬分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明均滿足1小時耐火極限的要求；2）窗玻璃噴淋和防火玻璃鋁框幕墻體系結(jié)合代替防火玻璃鋼框系統(tǒng)，滿足耐火極限要求，這給中庭內(nèi)幕墻的建筑設(shè)計(jì)帶來更多的可能性；3）鑲玻璃構(gòu)件以玻璃、框乃至機(jī)電設(shè)備配合共同作用達(dá)到防火要求，構(gòu)件間聯(lián)接的節(jié)點(diǎn)應(yīng)經(jīng)過防火試驗(yàn)的驗(yàn)證。