高層建筑外墻消防水幕應用對外保溫墻面 燃燒蔓延抑制研究

李洋

摘要：隨著我國綠色發(fā)展體系的構(gòu)筑，建筑節(jié)能成為節(jié)能減排中重要的一環(huán)，而使用外墻有機保溫材料可有效實現(xiàn)建筑節(jié)能。然而高層建筑外保溫墻體有機保溫材料很容易引燃并使火勢蔓延，造成極大的建筑火災隱患。高層建筑消防水幕的應用是抑制和熄滅建筑保溫材料火災最有效的技術(shù)手段之一，探索高層建筑消防水幕系統(tǒng)對豎直外壁面典型保溫材料火災抑制機理對設(shè)計、建立、優(yōu)化高效的外保溫墻體水幕滅火系統(tǒng)具有重要意義。

關(guān)鍵詞：高層建筑；外保溫墻體火災；消防水幕應用

中圖分類號：TU976.5? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ?文章編號：2096-1227（2024）02-0106-03

以上海為例，高層建筑歷史已過百年，是中國最早出現(xiàn)高層建筑的城市，也已成為世界上高層建筑最多的城市之一。高層建筑火災一旦導致外保溫墻體蔓延燃燒火災，現(xiàn)有的火災撲救技戰(zhàn)術(shù)很難做到有效地抑制和熄滅火情。目前，大多數(shù)建筑為了得到很好的保溫效果，在建筑外墻上使用容易起火的保溫材質(zhì)，如果發(fā)生火情，通過在建筑外保溫墻體上設(shè)置豎向或者橫向的水幕，就可以大大減輕火勢蔓延，這是一種符合時代的要求的方式，能夠?qū)崿F(xiàn)對火災的快速控制。

1 外保溫材料墻體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特性及其危險性分析

有機外保溫材料是一類在建筑領(lǐng)域用于隔熱和保溫的材料，通常具有較低的導熱系數(shù)，在火災事故發(fā)生過程中能夠有效地減緩熱量的傳遞。目前，我國常用的有機外保溫材料主要包括模塑聚苯板、擠塑聚苯板、酚醛樹脂板以及聚氨酯板等幾種類型，在選擇有機外保溫材料時，需要考慮其保溫性能、防火等級、耐久性、環(huán)境影響以及成本效益等因素。由于有機保溫材料可能存在燃燒隱患，通常會加入阻燃劑以提高其安全性。此外，根據(jù)建筑的具體需求和預算，可以選擇不同類型和規(guī)格的保溫材料，以達到最佳的保溫效果和經(jīng)濟效益。典型有機保溫材料性能參數(shù)見表1[1-4]。

2 消防水幕對外保溫墻體火災抑制作用理論研究

針對高層建筑外保溫墻體燃燒速度快、控制難度大的特點，本章節(jié)重點討論消防水幕對外保溫墻體火災抑制作用可行性的理論研究。

2.1? 消防水幕壓力及水柱物理特性

消防水幕的壓力要求根據(jù)其作用和部位而變化，并且消防水柱的物理特性包括密度、容重、狀態(tài)變化以及充實水柱長度等。關(guān)于消防水幕的壓力要求，它主要取決于設(shè)計的目的和場所的具體條件。例如，防火分隔水幕的作用是阻斷煙和火的蔓延，其噴頭布置應保證水幕寬度不小于6m，并采用多排布置噴頭以形成具有一定厚度的水墻或多層水簾。此外，不同等級的劇場、會堂等場所對水幕系統(tǒng)的要求也有所不同。一般情況下，室內(nèi)消火栓的壓力是不會大于0.50MPa的，如果室內(nèi)的消防栓壓力值超過了0.70MPa，必須有相應的減壓設(shè)備進行減壓。按照高層建筑室內(nèi)消火栓壓力情況，本次實驗測試0.30MPa、0.60MPa、0.90MPa三種水幕壓力及其水柱物理特性。由測試結(jié)果可得：在模擬高層建筑室內(nèi)消火栓壓力測試水幕有效覆蓋高度最大為7.3m，考慮其他干擾因素及水幕射水口傾斜角度（擬定45°），取最大覆蓋高度為3.5m。不考慮水柱下落覆蓋區(qū)域，發(fā)現(xiàn)覆蓋區(qū)域在底部至中段覆蓋率較低，中段至頂端覆蓋率較高。結(jié)合場地及實驗條件，本次測試雖然是水幕水帶向上噴射液滴，考慮實際情況，水幕在外保溫墻體外表面設(shè)置距離墻體一般為15～40cm，重力影響的誤差較小可以不用考慮，所以本次測試的結(jié)果可以為水幕水平或斜向下45°噴射液滴物理特性做參考[5-6] 。水幕水帶的水柱物理特性見圖1。

2.2? 噴淋液滴與壁面撞擊過程及撲滅機理

對于外保溫材料墻體豎直壁面上的火蔓延，由于火焰向上傳播，在浮力羽流和卷吸氣流的驅(qū)動作用下，火焰往往會出現(xiàn)貼壁效應，導致火焰面較薄，進而導致噴淋液滴直接穿透火焰面到達燃燒表面的概率大大增加[7]。

如圖2所示，水幕對外保溫墻體火災撲滅大體分為三個階段：第一階段，水幕與墻體碰撞，液滴撞擊到壁面上可能存在四種狀態(tài)：黏附、反彈、延展以及飛濺。最終的形態(tài)取決于水幕壓力、噴射角度、外保溫墻體飾面層物理性質(zhì)及水幕噴頭的構(gòu)建有關(guān)。第二階段，水幕與火焰面接觸，一部分液滴蒸發(fā)形成氣浪對上部分水幕延展有一定阻礙作用，其余液滴與火焰面對流換熱，吸熱降溫，阻止火焰面進一步發(fā)展。第三階段，水幕面與火焰面形成剪切面，該面為外保溫墻體火焰蔓延臨界點，當水幕供水量大于火焰蒸發(fā)液滴量時，水幕具有撲滅火災的能力。

3 外保溫墻體火災消防水幕設(shè)置思路

外保溫墻體火災具有燃燒速度快、控制難度大的特點，所以應該在消防固定設(shè)施的方面進行研究。本文討論預設(shè)消防水幕線路系統(tǒng)的設(shè)想，分為高層建筑屋頂水幕系統(tǒng)和高層建筑中間層水幕系統(tǒng)的設(shè)置。

3.1? 高層建筑屋頂外墻水幕的設(shè)置

高層建筑屋頂外墻的水幕系統(tǒng)設(shè)計要考慮到多個因素，包括水幕的用途、構(gòu)造、供水系統(tǒng)和控制策略等。如果水幕用于防火分隔，其設(shè)計應確保能夠阻擋火勢蔓延，為人員疏散爭取時間。此外，消防水幕在火災事故發(fā)生過程中還可以用于保護建筑結(jié)構(gòu)或設(shè)備免受高溫的影響。在實際設(shè)置過程中，應當選擇合適的噴頭類型（如霧化噴頭或灑水噴頭），以產(chǎn)生細小均勻的水珠，形成有效的水幕。此外，應當根據(jù)所需的水幕寬度和密度進行布置，通常要求有一定的重疊度，以確保連續(xù)無間隙的水幕，并合理布局供水管道，確保噴頭得到充足的水源供應。當建筑內(nèi)部發(fā)生火災事故時，需要維持恒定的水壓，保證水幕的形成和穩(wěn)定性，此時，水幕液滴在壁面由重力作用自上而下，達到對墻體冷卻降溫和阻止火勢蔓延的作用。通常情況下，樓頂通常有儲水罐、加壓泵等固定消防設(shè)施，將儲水罐的水通過加壓泵連接到外墻，每隔5～8m設(shè)置一個消防管道支架，防止消防管道充水后重量變大與外墻連接失效。在樓頂外墻距離墻體15～40cm預設(shè)DN65高強度耐腐蝕消防管道，置放在承重支架上并做好固定措施，管道上每隔2～3m配置一個25L/s的水幕噴淋，水平對準墻體，并在轉(zhuǎn)角處設(shè)置閥門，為后期區(qū)域水幕滅火做好條件。

3.2? 高層建筑中間樓層外墻水幕的設(shè)置

高層建筑低樓層外保溫墻體燃燒后，樓頂外墻水幕系統(tǒng)由于距離太遠，受風力影響滅火效能不佳。本文結(jié)合高層建筑室內(nèi)固定消防設(shè)施設(shè)想在高層建筑中間樓層外墻設(shè)置水幕噴淋系統(tǒng)，距離著火區(qū)域更近，滅火效能更高。同時還具有隔斷火勢蔓延的作用，使火勢無法蔓延至水幕噴淋系統(tǒng)設(shè)置樓層以上區(qū)域樓層，有效保護上部分區(qū)域人員生命財產(chǎn)安全，具有重要意義。如圖3所示，采用中間樓層一段區(qū)域的外墻水幕設(shè)置剖面圖。由中央消控室控制，DN40消防管道設(shè)置在樓層天花板或預埋在樓層間，管道連接室內(nèi)消火栓和墻外水幕噴淋組，水幕噴頭壓力25L/s，角度為45°，經(jīng)上文討論滅火效果與水平一致，直接作用于外保溫墻體飾面層。

綜上，基本闡明了高層建筑外保溫材料墻體消防設(shè)施給水設(shè)計。理論聯(lián)系實際是做事的基本方針，在外墻消防水幕噴淋設(shè)計中，應該注意消防給水方案的比較和選擇，滿足需求的前提下，應該選擇的設(shè)計方案簡單，節(jié)省投資，安全可靠，易于操作和管理。

4 結(jié)束語

固定消防設(shè)施的創(chuàng)新建設(shè)作為一線消防救援隊伍實戰(zhàn)處置過程中的輔助力量與硬件保障，直接關(guān)系著一起高層建筑火災處置的成功與否，通過研討的外墻水幕噴淋系統(tǒng)對高層外保溫材料墻體建筑火災火勢抑制具有重要意義，可為后續(xù)消防力量的到場處置打下堅實基礎(chǔ)。

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