嘉瑪大清真寺項(xiàng)目幕墻層間防火設(shè)計(jì)與計(jì)算應(yīng)用研究

閆小平

中建深圳裝飾有限公司 廣東 深圳 518023

作為現(xiàn)代建筑，尤其是現(xiàn)代高層建筑的外衣，幕墻越來(lái)越受到建筑師的青睞，我國(guó)建筑幕墻從20世紀(jì)70年代末起步，現(xiàn)今已成為世界上最大的幕墻產(chǎn)品生產(chǎn)國(guó)亦是最大的消費(fèi)國(guó)，而高層建筑的防火問題無(wú)疑會(huì)成為其安全問題的核心。

建筑幕墻因其不可替代的外墻裝飾效果，給城市帶來(lái)了整潔美麗的同時(shí)，也留下了火災(zāi)的隱患，這些隱患主要體現(xiàn)在以下2個(gè)方面：

1）一般建筑幕墻的主要組成材料為玻璃、面材、復(fù)合鋁板、鋼材等，這些材料均不耐火，而且抗火性差，尤其是玻璃，當(dāng)溫度達(dá)到250 ℃時(shí)便會(huì)炸裂，這時(shí)不僅會(huì)導(dǎo)致火災(zāi)的進(jìn)一步蔓延，而且可能會(huì)傷及旁人甚至消防員。

2）因?yàn)槟粔Ρ旧斫Y(jié)構(gòu)的特殊性，在垂直幕墻與水平樓板之間往往存在縫隙，如果未經(jīng)處理或者處理不合理，在發(fā)生火災(zāi)時(shí)很有可能成為引火通道，也可能通過煙囪效應(yīng)釀成更大的火災(zāi)[1-8]。

因此，幕墻層間防火設(shè)計(jì)和計(jì)算在整個(gè)幕墻的設(shè)計(jì)中是至關(guān)重要的一部分。作為建筑的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)，幕墻是構(gòu)成建筑整體的一部分，在一些重要的部位，幕墻必須具有一定的防火性，如幕墻與周邊防火分隔構(gòu)件的間隙，與樓板和隔墻外延之間的縫隙等，均應(yīng)進(jìn)行防火封堵設(shè)計(jì)。

1 工程概況

嘉瑪大清真寺項(xiàng)目（Djamaa El Djaza?r）位于阿爾及利亞首都阿爾及爾，為阿爾及利亞科學(xué)、文化系列項(xiàng)目中的一個(gè)。該項(xiàng)目由祈禱廳、宣禮塔和文化中心等12幢建筑組成，是一個(gè)群體建筑項(xiàng)目（圖1）。該項(xiàng)目屬于阿爾及爾海港新規(guī)劃項(xiàng)目，在首都改造中是戰(zhàn)略性的一部分，因?yàn)槠洳粌H要形成一個(gè)協(xié)調(diào)的公共設(shè)施群，同時(shí)也需是一個(gè)飽含豐富歷史文化的紀(jì)念性建筑。

圖1 阿爾及利亞嘉瑪大清真寺項(xiàng)目效果圖

本項(xiàng)目建筑面積為40萬(wàn) m2，設(shè)計(jì)單位為德國(guó)公司KSPKUK，設(shè)計(jì)和建造均采用歐洲標(biāo)準(zhǔn)。其中B樓宣禮塔高265 m，采用框架核心筒結(jié)構(gòu)，外立面為玻璃幕墻、石材幕墻及BFUHP幕墻結(jié)合的形式。

2 工程重難點(diǎn)

1）工程體量大，工期緊。該項(xiàng)目玻璃幕墻面積約80 000 m2，主要分布在6個(gè)單體中，大部分材料為第三國(guó)采購(gòu)，幕墻部分施工工期約11個(gè)月，且對(duì)后續(xù)室內(nèi)裝飾及機(jī)電作業(yè)施工有較大影響。整體施工壓力巨大。

2）材料標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)，批復(fù)難。該項(xiàng)目設(shè)計(jì)和建造全部采用歐洲標(biāo)準(zhǔn)，由于總承包單位為中國(guó)企業(yè)，對(duì)歐洲規(guī)范不熟悉以及對(duì)歐洲材料、分包市場(chǎng)的不熟悉，對(duì)于歐洲建筑師及監(jiān)理單位的工作流程和習(xí)慣不適應(yīng)，前期設(shè)計(jì)和采購(gòu)環(huán)節(jié)花費(fèi)了近3年的時(shí)間，報(bào)審批復(fù)困難較大。

3）人員來(lái)源廣，管理難。該項(xiàng)目業(yè)主單位為阿爾及利亞住建部，監(jiān)理單位為德國(guó)Ksp-Kuk公司，總承包單位為中國(guó)建筑阿爾及利亞公司，分包單位涉及五大洲，最高峰時(shí)項(xiàng)目共有管理人員約500人，工人近1萬(wàn)人，國(guó)外分包單位300多家。這無(wú)疑對(duì)項(xiàng)目管理團(tuán)隊(duì)的管理能力提出了較高要求。

3 研究的過程

3.1 建筑幕墻層間火災(zāi)蔓延方式

對(duì)高層建筑，當(dāng)室內(nèi)起火時(shí)，層間位置的火勢(shì)蔓延情況共分竄煙、竄火和卷火等3種（圖2），主要發(fā)生原理如下所述。

圖2 建筑層間火災(zāi)蔓延方式

3.1.1 竄煙

當(dāng)建筑物室內(nèi)起火，物品燃燒會(huì)產(chǎn)生火焰、熱氣和煙霧?；馂?zāi)初起時(shí)，室內(nèi)熱氣流上升在室內(nèi)形成溫差和壓差，使得周圍空氣源源不斷地補(bǔ)充進(jìn)來(lái)，燃燒溫度不斷提高，進(jìn)而引燃附近的可燃性物質(zhì)使火勢(shì)不斷擴(kuò)大。普通玻璃在火焰的不斷沖擊之下往往會(huì)在15 min內(nèi)破碎，這時(shí)大量的熱量和煙霧會(huì)瞬間沖向室外，導(dǎo)致火勢(shì)向上蔓延，形成煙卷效應(yīng)。

3.1.2 竄火

幕墻設(shè)計(jì)時(shí)在混凝土樓板外側(cè)與幕墻內(nèi)側(cè)之間往往存在一個(gè)縫隙，縫隙的大小與建筑設(shè)計(jì)和幕墻鋁合金系統(tǒng)的尺寸有關(guān)，也與混凝土結(jié)構(gòu)尺寸誤差、幕墻構(gòu)造及制作安裝誤差有關(guān)。在實(shí)際失火情況下，由于幕墻的鋁合金構(gòu)件和鋼轉(zhuǎn)接件的變形，五金及連接件的松動(dòng)，這個(gè)縫隙可能會(huì)進(jìn)一步加大。如果防火巖棉、防煙層等無(wú)法有效地對(duì)這個(gè)縫隙變化進(jìn)行補(bǔ)償，火焰和高溫氣流就會(huì)通過這些間隙直接進(jìn)入上層樓面。

3.1.3 卷火

幕墻系統(tǒng)的鋁合金立柱是很好的熱傳導(dǎo)體，而且立柱常?？缭?個(gè)不同的防火分區(qū)，這使得火源層的熱量能通過立柱向上層傳遞。在火源層，當(dāng)溫度升高到了某個(gè)臨界點(diǎn)，短時(shí)間內(nèi)火勢(shì)會(huì)由局部擴(kuò)散到整個(gè)空間，從而產(chǎn)生轟燃現(xiàn)象?；鹪磳拥臒崃客ㄟ^樓板、金屬幕墻及周邊水平防火帶向上傳遞。如果上一層樓面的溫度升高達(dá)到了某個(gè)臨界點(diǎn)，也可能會(huì)產(chǎn)生轟燃現(xiàn)象，火勢(shì)就這樣向上發(fā)展。

3.2 國(guó)內(nèi)幕墻層間防火設(shè)計(jì)及做法對(duì)比

國(guó)內(nèi)主要的幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)于幕墻層間防火的設(shè)計(jì)要求對(duì)比如表1所示。

表1 中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于幕墻層間防火的設(shè)計(jì)要求對(duì)比

實(shí)際上，國(guó)內(nèi)大部分已建成采用幕墻的建筑并未設(shè)置高80 cm防火裙墻，這是因?yàn)榻ㄖ煟I(yè)主）認(rèn)為防火裙墻影響幕墻藝術(shù)效果，于是有人根據(jù)卷火直徑約為1.2 m的原理，提出在樓層上設(shè)30 cm高的踏腳線，在圈梁底向下設(shè)高約500 mm的堿性擋火板，這樣加上圈梁（約400 mm）高度，則總高度約為120 cm，在踏腳線頂部和擋火板底部各用厚40 mm硅酸鋁（鈣）板（耐火極限＞1 h）封閉，在板與幕墻桿件（玻璃）間用防火密封膠密封，達(dá)到防止?jié)鉄熒细Z的效果，高120 cm的實(shí)體堿性板可防止卷火，即使卷火使120 cm范圍內(nèi)玻璃開裂，再次進(jìn)入幕墻與堿性墻板之間，也被踏腳線頂部防火層擋住，不能竄入上一層房間。

在阿爾及利亞嘉瑪大清真寺項(xiàng)目的玻璃幕墻設(shè)計(jì)方案中，最初并未考慮在層間部分沿用國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》，經(jīng)過多次與德國(guó)建筑師的溝通仍然無(wú)法獲得圖紙批復(fù)，其要求承包商對(duì)所有幕墻的層間防火部位進(jìn)行計(jì)算，并依據(jù)計(jì)算結(jié)果選用符合歐洲規(guī)范的材料。而中國(guó)設(shè)計(jì)師對(duì)于層間防火部位的設(shè)計(jì)從未有過相關(guān)計(jì)算經(jīng)驗(yàn)，最終不得不聘請(qǐng)歐洲幕墻顧問來(lái)協(xié)助完成相關(guān)位置的設(shè)計(jì)和計(jì)算。

3.3 歐洲建筑物分類及應(yīng)用規(guī)則（以法國(guó)規(guī)范算法為例）

歐洲將建筑物按照使用功能分成以下幾種類型：

1）家居建筑物（住宅等）。

2）工業(yè)建筑（廠房等）。

3）公共建筑（體育場(chǎng)、歌劇院等），也稱為“ERP”建筑。

4）超高層建筑，也稱為“IGH”建筑。

不同類型的建筑在進(jìn)行層間防火設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，要求不盡相同。最主要的規(guī)范為在法令“24 mai 201”之下的規(guī)則“INSTRUCTION TECHNIQUE 249”（以下簡(jiǎn)稱為“IT249”），其中對(duì)于不同類型建筑幕墻層間防火規(guī)則“C＋D規(guī)則”及其使用情況進(jìn)行了詳細(xì)的描述。

3.4 C＋D規(guī)則

3.4.1 層間防火封堵C與D的定義

如圖3所示，根據(jù)IT249的定義，對(duì)于建筑物的層間位置，一般情況下，C指的是豎直方向上的下層房間結(jié)構(gòu)頂部到上層房間結(jié)構(gòu)底部之間的距離。D指的是水平方向上的幕墻玻璃外表面至所有層間水平防火填充物最內(nèi)邊緣的距離，只有在D≥0.15 m時(shí)才做考慮，當(dāng)D＜0.15 m時(shí)，認(rèn)為D＝0。

圖3 C＋D取值示例

3.4.2 層間防火封堵C與D的計(jì)算

根據(jù)IT249，應(yīng)對(duì)幕墻層間位置所有可燃燒材料進(jìn)行大面積可燃物熱量總和計(jì)算（Le calcul des masse combustible mobilisable，MCM，物理量定義為mcm），將計(jì)算結(jié)果與根據(jù)試驗(yàn)及經(jīng)驗(yàn)得出的限值進(jìn)行比較，從而得出不同情況下幕墻層間部位C＋D應(yīng)該滿足的最小尺寸。MCM的計(jì)算公式如下：

其中，幕墻層間位置各類型可燃物的可燃物等級(jí)要求，在規(guī)范“Nor: IOCE1117012A version consolidée au 26 novembre 2016”的Article GH13中已有如下定義：

1）一般在考慮所有相關(guān)材料的情況下，幕墻的大面積可燃物熱能總和MCM小于130 MJ/m2。

2）如果幕墻的大面積可燃物熱能總和MCM大于130 MJ/m2，需在滿足住房與建筑規(guī)范條款R.122-11-6的前提下，由相應(yīng)安全委員會(huì)給出相關(guān)意見。

3）幕墻采用重要的新科技的情況下，也需提供相應(yīng)安全委員會(huì)的意見。

一般來(lái)講，幕墻成分的防火等級(jí)為M0或者A2-s3, d0，除非以下情況：

① 門窗為木框。

② 門窗框的防火等級(jí)為M2或者C-s3, d0。

③ 門窗框及玻璃（包括其填充物）防火等級(jí)為C-s3, d0。

④ 幕墻玻璃及相關(guān)填充物的防火等級(jí)為C-s3, d0。

⑤ 幕墻系統(tǒng)噴涂及防水材料的防火等級(jí)為M1或B-s3, d0。

⑥ 幕墻外露或者內(nèi)嵌窗簾的防火等級(jí)為M1或B-s3, d0。

其中“M0”等為美標(biāo)的材料防火等級(jí)，“A2-s3, d0”等為歐標(biāo)的材料防火等級(jí)，其對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2所示。

表2 國(guó)標(biāo)與歐標(biāo)、美標(biāo)材料防火等級(jí)對(duì)比

s為材料的產(chǎn)煙附加等級(jí)，d為材料的燃燒滴落物/微粒的附加等級(jí)。

依據(jù)項(xiàng)目監(jiān)理的要求，玻璃幕墻應(yīng)當(dāng)符合以下2個(gè)規(guī)則之一：

1）根據(jù)IT249的規(guī)定，遵守C＋D規(guī)則前提下，滿足：

①M(fèi)≤80 MJ/m2時(shí)，C＋D≥1.2 m。

② 80 MJ/m2

2）根據(jù)傳熱軟件計(jì)算，證實(shí)從室外到室內(nèi)幕墻的防火等級(jí)為1 h。

3.5 單元幕墻層間防火封堵C與D計(jì)算實(shí)例

嘉瑪大清真寺項(xiàng)目宣禮塔單元幕墻的每個(gè)立面單元尺寸如圖4所示。

圖4 嘉瑪大清真寺項(xiàng)目宣禮塔幕墻立面單元尺寸

因此，每個(gè)單元總面積為：S＝H×W＝5.85×11.34＝66.339 m2。

查技術(shù)卡片，可得主要材料類型及參數(shù)如表3所示。

表3 嘉瑪大清真寺項(xiàng)目宣禮塔幕墻主要材料性能

各個(gè)材料的體積通過CAD測(cè)量可得出，相關(guān)截面如圖5所示。因此，可根據(jù)以下公式算出每種材料的大面積可燃物熱能總和：mcm,材料＝n×ρ材料×V材料×Epc,材料（n為相同材料的數(shù)量）。再將各材料的大面積可燃物熱能總和相加，得出單元幕墻的大面積可燃物熱能總和∑mcm,材料。

圖5 嘉瑪大清真寺項(xiàng)目宣禮塔幕墻C＋D類型

因此，每平方米之內(nèi)單元幕墻的大面積可燃物熱能總和為：∑mcm,材料/S=79.87 MJ/m2。

根據(jù)規(guī)范IT249，C＋D≥1.2 m，類型為：D＝0.22 m＞0.15 m。因此，C≥1.2－0.22＝0.98 m。這樣的結(jié)果恰好與國(guó)內(nèi)97SJ103《鋁合金玻璃幕墻》圖集的做法基本吻合。

4 結(jié)語(yǔ)

由以上中國(guó)規(guī)范與歐洲規(guī)范針對(duì)幕墻層間防火設(shè)計(jì)與計(jì)算的不同規(guī)定和做法可知，相較于國(guó)內(nèi)根據(jù)圖集中不同類型的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)造節(jié)點(diǎn)作為依據(jù)來(lái)設(shè)計(jì)和計(jì)算，歐洲規(guī)范對(duì)于幕墻層間防火的設(shè)計(jì)及計(jì)算更加嚴(yán)謹(jǐn)和準(zhǔn)確，對(duì)于國(guó)內(nèi)幕墻層間防火設(shè)計(jì)的啟發(fā)主要有以下幾個(gè)方面：

1）填補(bǔ)我國(guó)幕墻層間防火設(shè)計(jì)計(jì)算方面的空白，提升建筑幕墻防火性能。

2）將高層建筑層間封堵位置的材料選擇以及耐火構(gòu)造當(dāng)作一個(gè)系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)，既能確保層間位置防火構(gòu)造的可靠性，又能確保層間位置材料性能滿足要求。

3）前置設(shè)計(jì)工作，依據(jù)計(jì)算結(jié)果決定層間防火的尺寸，在建筑美觀性等方面可以有較大促進(jìn)作用。

4）填充我國(guó)幕墻層間防火設(shè)計(jì)計(jì)算方面的空白，減少建筑室內(nèi)火災(zāi)危害。

可見，歐洲標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于層間防火方面的設(shè)計(jì)和計(jì)算規(guī)則，可以填補(bǔ)國(guó)內(nèi)高層建筑層間防火設(shè)計(jì)和計(jì)算方面的缺陷，具有較大的推廣意義。