雙層幕墻建筑防火設(shè)計(jì)初探

周華杰 吳超群 湯文輝

摘 要：現(xiàn)階段由于社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平的提高，雙層幕墻由于其具有良好的保溫、通風(fēng)等節(jié)能功能和美觀的外形被人們廣泛應(yīng)用。但也因?yàn)樗奶厥饨Y(jié)構(gòu)造成了消防滅火的困難。目前國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)解決這一問(wèn)題的有效應(yīng)對(duì)措施。所以可以從雙層幕墻的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與分類、火災(zāi)危險(xiǎn)性影響因素、現(xiàn)有規(guī)范防火要求、火災(zāi)控制方法等方面進(jìn)行分析，從現(xiàn)有研究來(lái)看目前雙層幕墻防火設(shè)計(jì)策略大體分為主動(dòng)、被動(dòng)兩類，其中主動(dòng)火災(zāi)控制即通過(guò)設(shè)置滅火設(shè)施，減小火災(zāi)的損失;被動(dòng)火災(zāi)的控制即通過(guò)使用耐火材料或其組成的阻擋性結(jié)構(gòu)遏制或減緩火災(zāi)的傳播。

關(guān)鍵詞：雙層幕墻;火災(zāi)危險(xiǎn)性;工程實(shí)例

0引言

雙層玻璃幕墻簡(jiǎn)稱DSF，由外層幕墻、熱通道和內(nèi)層幕墻（或門、窗）構(gòu)成，且在熱通道內(nèi)可以形成空氣有序流動(dòng)的建筑幕墻[1]。DSF一方面能穩(wěn)定室內(nèi)的溫度、光照，增強(qiáng)通風(fēng)換氣功能;另一方面能提高幕墻的保溫、隔熱、降噪能力，節(jié)省能量損耗[2]。根據(jù)我國(guó)建筑節(jié)能降耗的政策要求，幕墻行業(yè)應(yīng)大力研發(fā)和推動(dòng)使用節(jié)能、降耗、環(huán)保幕墻，如雙層幕墻。建筑雙層玻璃幕墻火災(zāi)相對(duì)于傳統(tǒng)建筑火災(zāi)具有特殊性，由于內(nèi)外幕墻間有較寬的熱通道，平時(shí)可利用煙囪效應(yīng)實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng)，但在火災(zāi)時(shí)可能成為煙和火向上層蔓延的主要通道，加速火災(zāi)的垂直蔓延，給消防安全帶來(lái)不利影響。為了推進(jìn)雙層幕墻的防火設(shè)計(jì)，有必要對(duì)雙層幕墻防火研究進(jìn)行梳理。本文首先對(duì)雙層幕墻火災(zāi)危險(xiǎn)性進(jìn)行分析，找出火災(zāi)中雙層幕墻結(jié)構(gòu)的薄弱點(diǎn)，再對(duì)國(guó)內(nèi)外的防火方法研究及其工程實(shí)例等方面進(jìn)行梳理，從而為后續(xù)解決雙層玻璃幕墻的防火問(wèn)題提供研究基礎(chǔ)。

1雙層幕墻

根據(jù)雙層幕墻的幾何結(jié)構(gòu)通?？梢詫⑵浞殖珊写笆?、豎井式、走廊式、整體式四種[2-3]。按通風(fēng)模式分類，雙層幕墻又可分為內(nèi)循環(huán)式（機(jī)械通風(fēng)型）、外循環(huán)式（自然通風(fēng)型）以及內(nèi)外循環(huán)式（混合通風(fēng)型）。

筆者通過(guò)網(wǎng)絡(luò)搜索及走訪，對(duì)全國(guó)19個(gè)省市的雙層玻璃幕墻建筑進(jìn)行了不完全統(tǒng)計(jì)，共發(fā)現(xiàn)92棟雙層玻璃幕墻建筑，主要分布于北京、上海、廣州等省市，且多用于辦公樓建筑。應(yīng)用雙層幕墻的建筑一般樓高為200米左右，多數(shù)建筑是僅部分立面使用雙層玻璃幕墻結(jié)構(gòu)。從通風(fēng)模式來(lái)看，內(nèi)外呼吸式占65.2%，外循環(huán)式占19.7%，內(nèi)循環(huán)式占15.2%。幕墻類型的選取存在明顯的地域差異。55.6%的省市幕墻結(jié)構(gòu)以內(nèi)外循環(huán)式為主，16.7%的省市以內(nèi)循環(huán)式為主，5.6%的省市以外循環(huán)式為主，其余22.2%的省市三類幕墻均有選用且數(shù)量平均，并未有一類占比明顯較大。

2火災(zāi)危險(xiǎn)性分析

因雙層幕墻的結(jié)構(gòu)特性，煙氣蔓延與常規(guī)建筑不同，大量的研究都表明雙層幕墻結(jié)構(gòu)會(huì)加速煙氣以及火災(zāi)蔓延[4]?；馂?zāi)時(shí)，室內(nèi)空氣溫度高于幕墻內(nèi)部溫度，室內(nèi)空氣將發(fā)生向上運(yùn)動(dòng)，即煙囪效應(yīng)。普通建筑火災(zāi)蔓延的速度約為0.14m/s[7]，而整體式玻璃幕墻內(nèi)煙氣流動(dòng)速度可到到1.3-4.5m/s[3]，是普通建筑的9-32倍。

幕墻結(jié)構(gòu)也會(huì)對(duì)煙氣流動(dòng)造成影響。豎井式和走廊式幕墻可將火災(zāi)煙氣完全限制在單層雙層玻璃幕墻內(nèi)。雙層幕墻空腔寬度對(duì)內(nèi)部煙氣溫度和速度的分布有較大影響[5]。

幕墻結(jié)構(gòu)一般由鋼結(jié)構(gòu)框架和玻璃組成，內(nèi)層幕墻一般采用單片玻璃或可開(kāi)啟窗，外層幕墻則采用中空玻璃或者Low-E玻璃。外幕墻采用雙層夾膠鋼化玻璃，其夾膠層內(nèi)的膠體極易著火。一旦外幕墻內(nèi)層迎火面玻璃破碎，火焰與煙氣組成的熱氣流接觸到膠體，夾膠層將會(huì)迅速燃燒并向上蔓延，并導(dǎo)致外幕墻外側(cè)背火面玻璃破碎、熔化、脫落。但是當(dāng)外幕墻破裂后，煙氣在高溫氣體產(chǎn)生的熱壓作用下噴出外墻，只有少量煙氣進(jìn)入內(nèi)外幕墻之間的夾層。幕墻夾層間溫度降低，對(duì)起火層以上各層內(nèi)、外幕墻的影響將大為減少。因此，外幕墻的破裂對(duì)降低幕墻夾層內(nèi)的煙囪效應(yīng)，減緩火災(zāi)和煙氣的垂直蔓延速度起到積極的作用。

除此之外當(dāng)溫度達(dá)到350℃時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)框架的強(qiáng)度將下降為原強(qiáng)度的60%左右，當(dāng)溫度達(dá)到600℃時(shí)，強(qiáng)度下降為原強(qiáng)度的30%左右[6]。但是通常在內(nèi)幕墻玻璃破碎前，鋼結(jié)構(gòu)框架在300～400℃時(shí)強(qiáng)度已經(jīng)下降，發(fā)生嚴(yán)重變形，導(dǎo)致煙氣透過(guò)玻璃與鋁合金框之間縫隙流入幕墻夾層。

3.防火要求

由于雙層幕墻是一種新穎的幕墻構(gòu)造形式，普通建筑的防火措施并不完全適用。在世界各國(guó)的消防規(guī)范中也鮮有針對(duì)雙層幕墻建筑的特殊規(guī)定。在我國(guó)《建筑防火設(shè)計(jì)規(guī)范》[7]中僅要求采用玻璃幕墻的建筑，上、下兩層之間應(yīng)設(shè)置高度不小于1.2m的實(shí)體墻或挑出寬度不小于1.0m、長(zhǎng)度不小于開(kāi)口寬度的防火挑檐，同時(shí)要求玻璃幕墻與每層樓板、隔墻處的縫隙，應(yīng)采用不燃燒材料填實(shí)，幕墻與每層樓板、隔墻處的縫隙應(yīng)采用防火封堵材料封堵。目前只有中國(guó)香港地區(qū)的《消防安全（建筑物）條例》[8]和上海的《雙層玻璃幕墻防火設(shè)計(jì)規(guī)程（暫行）》[2]針對(duì)性地對(duì)雙層幕墻進(jìn)行了更細(xì)致的規(guī)定，比如中庭、大堂內(nèi)無(wú)可燃物的獨(dú)立防煙分區(qū);走道或回廊設(shè)有排煙設(shè)施，建筑面積不大于100m2的房間;建筑部位為機(jī)電用房，符合以上三種情況的雙層玻璃幕墻建筑物可以不設(shè)排煙系統(tǒng)。由于各國(guó)規(guī)范中沒(méi)有專門規(guī)定，且各消防研究機(jī)構(gòu)對(duì)該類幕墻火災(zāi)特性的研究資料也較少。因此，各地消防監(jiān)督部門在審批采用雙層幕墻建筑時(shí)都比較謹(jǐn)慎，往往要求進(jìn)行性能化分析。

4防火設(shè)計(jì)

根據(jù)各規(guī)范的要求，防火設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡可能使得外幕墻早于內(nèi)幕墻破裂。限制煙氣的流動(dòng)，不要讓煙氣附著在內(nèi)部表皮上以防止內(nèi)部玻璃窗格開(kāi)裂[9]，以減少設(shè)施損壞和人員死亡。

最直觀的防火方法即為內(nèi)幕墻選用更為耐火、防火的材料。根據(jù)GB50016[7]的要求，耐火極限不低于1h的不燃燒體。例如上海中心大廈雙層玻璃幕墻結(jié)構(gòu)采用的金剛銫鉀防火玻璃;德國(guó)馬普協(xié)會(huì)總部大樓設(shè)計(jì)[16]將單元式絕熱玻璃作為大樓內(nèi)部幕墻的主要材料。在鋼結(jié)構(gòu)防火上可以選用截留法和疏導(dǎo)法等，可也可以采用用防火合金鋼材代替普通鋼材等方法加強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)的耐火性。

其次，控制幕墻空腔間距具有一定的防火效果。根據(jù)W.KChow[10]的研究幕墻玻璃間距與雙層玻璃幕墻的著火行為以及煙氣傳播情況關(guān)系密切。當(dāng)幕墻間距更寬時(shí)，煙氣傾向于在空腔中心流動(dòng)而不是緊貼著內(nèi)外幕墻壁流動(dòng)，所以適當(dāng)加寬幕墻空腔的間距可以延緩高溫?zé)煔赓N壁流動(dòng)，內(nèi)幕墻玻璃因高溫而破裂，從而使高溫?zé)煔膺M(jìn)入其他樓層，最終導(dǎo)致火災(zāi)蔓延的時(shí)間。

同時(shí)，可以通過(guò)限制幕墻尺寸進(jìn)行幕墻防火，例如上海[2]規(guī)定的整體式雙層玻璃幕墻的幕墻類型不適合24m以上的高層建筑。張志強(qiáng)[4]通過(guò)整體式與走廊式玻璃幕墻模擬結(jié)果的對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，利用防火分隔擋板將雙層玻璃幕墻的空腔進(jìn)行劃分，可以在火災(zāi)發(fā)生時(shí)將煙氣有效限制在起火樓層對(duì)應(yīng)的空腔內(nèi)。走廊式玻璃幕墻可將火災(zāi)煙氣完全限制在幕墻內(nèi)，與整體式玻璃幕墻相比可大大減小火災(zāi)煙氣影響區(qū)域，但著火房間所在樓層的玻璃幕墻空腔內(nèi)最高溫度達(dá)到了270℃，大大高于整體式玻璃幕墻空腔內(nèi)的最高溫度，接近玻璃破壞臨界溫度，對(duì)幕墻的結(jié)構(gòu)安全造成威脅。

此外，通過(guò)設(shè)置各類防火分隔，延緩、阻礙煙氣在空腔內(nèi)的蔓延是火災(zāi)控制的重要方法。中國(guó)香港[8]、上海[2]對(duì)雙層玻璃幕墻建筑的防火分區(qū)的劃分、防火隔斷的設(shè)置進(jìn)行規(guī)定：規(guī)定雙層玻璃幕墻在跨越水平向防火分區(qū)或防火單元處應(yīng)采用與防火分隔物耐火極限相同的不燃燒體隔墻進(jìn)行防火分隔。香港[8]規(guī)定了防火分區(qū)以3-4層為分區(qū)單位，防火分區(qū)間的幕墻空腔內(nèi)須特別設(shè)置豎向的防火棉等防火分隔處理。規(guī)范推薦的防火分隔的方法包括挑檐、檐墻以及約束隔板。DSF內(nèi)需要封堵的地方包括幕墻結(jié)構(gòu)間的縫隙。根據(jù)《建筑防火封堵應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[11]規(guī)定的，在玻璃幕墻與每層樓板、隔墻處的縫隙，用非燃燒材料嚴(yán)密填實(shí)。以及根據(jù)香港建筑部門[8]規(guī)定的，以3、4層為分區(qū)單位分隔的防火分區(qū)間的幕墻空腔內(nèi)須特別設(shè)置豎向的防火棉等處理。GB50016[7]規(guī)定的，整體式雙層玻璃幕墻的內(nèi)層玻璃幕墻窗檻墻應(yīng)采用非燃燒填充材料填充等。

檐墻結(jié)構(gòu)可以將煙氣從沿著內(nèi)幕墻的貼壁流動(dòng)引導(dǎo)為非貼壁流動(dòng)，延緩內(nèi)幕墻因高溫?zé)煔舛屏亚闆r的發(fā)生[5]。雷海英[12]利用FDS模擬防火挑檐及窗檻墻對(duì)火災(zāi)煙氣在空腔內(nèi)蔓延情況的阻礙效果，得到了窗檻墻的最佳寬度為0.8m，且明確了有防火挑檐時(shí)外幕墻先破裂，無(wú)防火挑檐時(shí)內(nèi)幕墻先破裂?？梢?jiàn)在幕墻空腔內(nèi)加設(shè)防火挑檐、防火百葉有利于引導(dǎo)煙氣靠外幕墻流動(dòng)，進(jìn)而有利于煙氣從外幕墻排出。實(shí)踐中天津某文化廣場(chǎng)就采用了窗檻墻作為防火結(jié)構(gòu)，窗檻墻內(nèi)部填充了防火巖棉的鋁制板材。中石油的華東總部大廈的幕墻防火結(jié)構(gòu)為窗檻墻和防火挑檐，窗檻墻由尺寸為0.8m的梁組成，防火挑檐外伸至內(nèi)層玻璃外0.5m處。

雷海英[12]還建議加裝噴淋防火系統(tǒng)，除了對(duì)幕墻與煙氣的降溫效果明顯，對(duì)阻礙火勢(shì)的蔓延有較好的作用。防排煙系統(tǒng)更為重要，上海[2]規(guī)定除少數(shù)建筑形制外其他設(shè)雙層玻璃幕墻的建筑都必須設(shè)機(jī)械排煙系系統(tǒng)。采用該方法進(jìn)行防火的雙層幕墻建筑有中石油華東總部大廈、上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院新樓等。

5. 結(jié)論

被動(dòng)與主動(dòng)兩類火災(zāi)控制方法是目前雙層幕墻的主要火災(zāi)控制方法，對(duì)這兩類方法依據(jù)前文的幕墻火災(zāi)危險(xiǎn)性影響因素進(jìn)行控制效果的分析比較可以得到，被動(dòng)火災(zāi)控制方法通過(guò)設(shè)置防火分隔和防火封堵可以引導(dǎo)或遏制煙氣在空腔內(nèi)的流動(dòng)，但是對(duì)煙氣的封堵也會(huì)導(dǎo)致局部煙氣聚集產(chǎn)生局部高溫影響構(gòu)件安全。其次，通過(guò)使用更為耐火的建筑材料可以針對(duì)性地解決雙層幕墻構(gòu)件耐火性的問(wèn)題，但是部分新材料的成本也較高。主動(dòng)火災(zāi)控制利用機(jī)械排煙系統(tǒng)直接對(duì)煙氣流動(dòng)進(jìn)行控制，使用自動(dòng)噴水裝置可以直接降低煙氣溫度，保護(hù)幕墻構(gòu)件。因此，主動(dòng)火災(zāi)控制方法對(duì)幕墻火災(zāi)危險(xiǎn)性控制效果更好。雙層幕墻作為建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)變化豐富，防火設(shè)計(jì)策略也不應(yīng)影響其外觀的美觀性，因此防火設(shè)計(jì)策略理應(yīng)具體案例具體分析，擇優(yōu)選擇最佳方案。

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基金項(xiàng)目：1、基金來(lái)源：浙江省大學(xué)生科技創(chuàng)新活動(dòng)計(jì)劃（省新苗活動(dòng)項(xiàng)目）;2、項(xiàng)目名稱：雙層幕墻設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)建筑的消防;3、項(xiàng)目編號(hào)：2019R428009。