幕墻建筑防火設(shè)計(jì)及試驗(yàn)分析

1、幕墻建筑防火設(shè)計(jì)及試驗(yàn)分析 上?！?1.15” 重大火災(zāi)事故造成了大量人員傷亡，慘痛的教訓(xùn)尤其對(duì)我們建筑工程人員敲響了警鐘。在建筑玻璃幕墻領(lǐng)域，縱觀現(xiàn)狀，有些幕墻公司對(duì)防火防煙理念缺乏足夠認(rèn)識(shí)，不少幕墻工程防火設(shè)汁不盡完善，暴露出令人擔(dān)憂的潛在隱患。國(guó)外近代建筑史上，由于建筑物外墻防火設(shè)計(jì)缺陷，造成了多起重大火災(zāi)。1973年8月2日，英國(guó)曼島道格拉斯的Summerland度假村火災(zāi)造成50人死亡。由于外墻及周邊水平防火帶材料和設(shè)計(jì)的缺陷，火勢(shì)從外墻和縫隙蔓延到整個(gè)建筑物。1988年5月4日，62層高美國(guó)洛杉磯First Interstate Bank大廈，由于玻璃破碎，玻璃纖維保溫棉熔化，焰卷

2、效應(yīng)導(dǎo)致火勢(shì)從13層外墻和周邊水平防火帶空隙上竄到16層，造成1人死亡。1991年2月23日，美國(guó)賓州費(fèi)城38層高One Meridian Plaza，大火從22層開始，通過樓板邊緣空隙上竄到30層。幸虧第30層裝備有自動(dòng)噴淋系統(tǒng)（其他幾層沒有），將火勢(shì)控制下來。因?yàn)槭侵苣┐髽菦]人，有3 名消防人員死亡。2004年5月4日，美國(guó)芝加哥LaSalle Bank大廈，大火從29層開始連續(xù)燒了6個(gè)小時(shí)，最終只有29層和30層受到影響，無人死亡。主要?dú)w功于建筑物周邊水平防火帶及防火棉，有效抑制了火勢(shì)向上發(fā)展。一. 幕墻建筑防火措施及周邊水平防火帶幕墻系統(tǒng)主要由抗燃性不強(qiáng)的鋁型材、硅膠、玻璃等材料組成。

3、與傳統(tǒng)意義上具有防火等級(jí)的防火門防火墻相比，并不具有等級(jí)概念的防火性能。合理設(shè)計(jì)幕墻及建筑物周邊水平防火帶，會(huì)大大抑制火勢(shì)向上蔓延。高層建筑防火有效措施是三位一體：報(bào)警系統(tǒng)、圍堵（Containment）和遏制（Suppression）措施。圍堵手段屬于被動(dòng)防火類（Passive Fire Protection）, 指的是利用適當(dāng)?shù)慕ㄖ牧虾徒ㄖ?gòu)造將火勢(shì)控制在局部，延緩火勢(shì)蔓延。幕墻系統(tǒng)的防火設(shè)計(jì)就是采用被動(dòng)防火理念，將具有防火等級(jí)的建筑物樓板與沒有防火等級(jí)的幕墻系統(tǒng)，中間用與建筑物樓板相同防火等級(jí)的水平防火帶結(jié)合在一起，形成一個(gè)完整的防火體系，共同抵御火勢(shì)、煙霧和有毒氣體的擴(kuò)散。即采用圍堵

4、手段來加強(qiáng)建筑物結(jié)構(gòu)和人員的防火安全。遏制措施屬于主動(dòng)防火類（Active Fire Protection）。自動(dòng)噴淋系統(tǒng)是最常用且有效的一種手段。它通過增加濕度、降低溫度、防止轟燃（Flash-over）現(xiàn)象來控制火勢(shì)的蔓延。實(shí)踐表明，建筑物采用自動(dòng)噴淋系統(tǒng)后，火災(zāi)損失將減少百分之五十以上。然而建筑防火不能僅僅依靠自動(dòng)噴淋系統(tǒng)，也就是說不能忽視和消弱建筑物及幕墻系統(tǒng)的防火圍堵設(shè)計(jì)。一旦自動(dòng)噴淋系統(tǒng)由于機(jī)械、電力或供水出現(xiàn)問題而不能正常工作，具有較高可靠性的防火圍堵構(gòu)造成為抑制火勢(shì)的關(guān)鍵。同樣，盡可能將火勢(shì)圍堵在小范圍內(nèi)，自動(dòng)噴淋系統(tǒng)才能更好地發(fā)揮作用。所以，只有二者有機(jī)結(jié)合才是最佳防火措施。

5、幕墻建筑物周邊水平防火帶（Building Perimeter Fire Barrier）指的是在幕墻內(nèi)側(cè)與建筑物樓板之間的空隙中，建立與建筑物樓板具有相同防火等級(jí)的水平防火帶，以切斷層間通道，阻止火勢(shì)上竄蔓延。設(shè)計(jì)水平防火帶，除了考慮風(fēng)載、地震、溫差等因素引起的變位，還要考慮到起火情況下周圍材料的破碎、脫落、支撐強(qiáng)度降低及巨大變形等。同時(shí)還必須同幕墻內(nèi)部結(jié)構(gòu)和防火材料相結(jié)合，一起抵抗來自建筑物內(nèi)部和外部的火勢(shì)攻擊，將火勢(shì)控制在最小范圍內(nèi)。幕墻系統(tǒng)窗間墻部分須具備一定的防火和阻燃性能，它在防止焰卷效應(yīng)(Leap Frog Effect)、保證水平防火帶有效工作方面起著關(guān)鍵作用。根據(jù)規(guī)范要求，窗

6、間墻高度不低于0.8米，耐火極限不低于1.0小時(shí)。被視為實(shí)體裙墻，其主要防火構(gòu)件-防火保溫棉的選擇和固定，鍍鋅鐵板背板的防變形能力設(shè)計(jì)，應(yīng)能最大限度地保護(hù)幕墻鋁合金主結(jié)構(gòu)及承重支撐構(gòu)件不過早失效，特別對(duì)高層建筑是至關(guān)重要的。防火的同時(shí)還必須考慮到防煙，組成一條完整的防火防煙帶，爭(zhēng)取更多的時(shí)間，挽救更多的生命。 二. 幕墻建筑火勢(shì)向上蔓延的機(jī)理當(dāng)建筑物室內(nèi)起火，燃燒產(chǎn)生火焰、熱、氣和煙霧。起初階段熱氣流上升，形成溫差和壓差，使周圍的空氣源源不斷地補(bǔ)充進(jìn)來，燃燒溫度不斷提高，引燃附近可燃性物質(zhì)，火勢(shì)不斷地?cái)U(kuò)大。這樣的空氣循環(huán)過程會(huì)不會(huì)由于室內(nèi)氧氣的耗盡而終止呢？理論上是這樣，但現(xiàn)實(shí)中這樣的情況很少

7、發(fā)生。燃燒室內(nèi)部各處的壓差是不同的，且是動(dòng)態(tài)變化的。室外和下面樓層的空氣通過幕墻中的間隙和樓板縫隙（如管道、樓梯間等）吸進(jìn)室內(nèi)。氣密性好的幕墻可以延緩這個(gè)階段火勢(shì)的擴(kuò)大。隨著室內(nèi)溫度的不斷提高，室內(nèi)外的壓差也在不斷增加。普通玻璃（非防火玻璃）在火焰的不斷沖擊下，往往會(huì)在15分鐘內(nèi)破碎。大量的熱量和煙霧瞬間沖出室外，導(dǎo)致破碎窗口室內(nèi)側(cè)的溫度下降幾百度。同時(shí)大量的空氣進(jìn)入室內(nèi)參與燃燒，通過缺口常常將燃燒引到室外，形成對(duì)玻璃幕墻的內(nèi)外夾攻。層間非可視玻璃及上層可視玻璃直接暴露在火焰中，增加了火勢(shì)向上蔓延的可能性。如果由于窗間墻處防火材料或構(gòu)造上的缺陷造成防火系統(tǒng)提早失效，就有可能形成所謂的焰卷效應(yīng)。

8、跟據(jù)美國(guó)對(duì)高層幕墻建筑火災(zāi)的研究統(tǒng)計(jì)資料，約有百分之十的火勢(shì)是通過室外側(cè)向上蔓延的。這是第一種火勢(shì)向上蔓延的方式。第二種火勢(shì)向上蔓延的方式：混凝土樓板一般用于分隔防火分區(qū)， 它應(yīng)該具有一定的防火級(jí)別。根據(jù)高層民用建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范 GB 50045 表3.0.2 中規(guī)定，耐火等級(jí)為一級(jí)的建筑物樓板耐火時(shí)間為1.5 個(gè)小時(shí)，耐火等級(jí)為二級(jí)的建筑物樓板耐火時(shí)間為1.0 個(gè)小時(shí)。在混凝土樓板外側(cè)與幕墻內(nèi)側(cè)之間存在一個(gè)空隙。空隙的大小及既與建筑設(shè)計(jì)和幕墻鋁合金系統(tǒng)的大小有關(guān)，也與混凝土結(jié)構(gòu)尺寸誤差、幕墻構(gòu)造及制作安裝誤差等因素有關(guān)。大部分建筑物其實(shí)際范圍在幾十毫米到200毫米之間。這個(gè)空隙也用來補(bǔ)償由于

9、溫度、載荷、地震等引起的建筑物變形。這個(gè)空隙應(yīng)該視為混凝土樓板的延伸，防火設(shè)計(jì)中它應(yīng)該可靠地填滿防火棉，設(shè)計(jì)合理的周邊水平防火帶必須能夠經(jīng)受住防火規(guī)范GB 50045所要求的耐火時(shí)間。在實(shí)際失火狀態(tài)下，這個(gè)空隙有可能進(jìn)一步被擴(kuò)大。主要是由于鋁合金構(gòu)件和鍍鋅鐵板背板的變形，五金連接件、承重支撐構(gòu)件的松動(dòng)。如果防火棉、防煙層不能有效地補(bǔ)償這個(gè)變位?；鹧婧透邷貧饬骶蜁?huì)通過這些間隙、裂縫直接進(jìn)入上層樓面。第三種火勢(shì)向上蔓延的方式是通過熱量傳遞方式進(jìn)行的。熱量傳遞的方式有傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射。幕墻系統(tǒng)的鋁合金立柱是非常好的傳熱載體，而且立柱往往是跨越二個(gè)不同防火分區(qū)，火源層的熱量能通過立柱向上層傳遞。幕墻的

10、這種構(gòu)造形式?jīng)Q定了它很難被界定為具有等級(jí)概念的“防火幕墻”。在短時(shí)間內(nèi)上層樓面鋁合金表面的溫度會(huì)高于紙張的自燃點(diǎn)。對(duì)流是由于空氣流動(dòng)傳遞熱量。開啟窗或玻璃破碎雖然對(duì)排煙有好處，但增加了空氣的流動(dòng)，也增加了氧氣的供給。輻射是溫度較高的物體以能量波的方式向溫度較低的物體傳熱的一種方式。在火源層，當(dāng)溫度升高達(dá)到了某個(gè)臨界點(diǎn)，“轟燃現(xiàn)象”使得在短時(shí)間內(nèi)火勢(shì)由局部擴(kuò)散到整個(gè)空間?；鹪磳拥臒崃客ㄟ^樓板、金屬幕墻及周邊水平防火帶向上層傳遞。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)發(fā)生轟燃現(xiàn)象，火勢(shì)就以這樣的方式向上發(fā)展。三. 煙霧和有毒氣體在建筑物防火措施中，防止煙霧擴(kuò)散是非常重要的一環(huán)。研究資料

11、表明，高層建筑火災(zāi)造成的人員死亡，75 % 以上是由于煙霧所引起的?，F(xiàn)代建筑裝飾材料、家具和日用品含有大量易燃、有害化學(xué)物質(zhì)，燃燒后分解產(chǎn)生可見和不可見煙霧，能短時(shí)間內(nèi)造成人員昏迷和死亡。煙霧擴(kuò)散的速度取決于空氣流動(dòng)、上浮效應(yīng)、熱氣流膨脹和自然風(fēng)。而且它的擴(kuò)散速度會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于火焰向周圍擴(kuò)散的速度。幕墻系統(tǒng)本身也產(chǎn)生一些有毒氣體。鋁合金表面噴漆、密封橡膠條、泡沫棒等，并通過幕墻內(nèi)部縫隙向上層擴(kuò)散。目前在幕墻防火方面，國(guó)內(nèi)外做了不少試驗(yàn)和研究，頒布了一些試驗(yàn)規(guī)程和規(guī)范。但在幕墻防煙方面還有許多工作要做。例如，如何控制煙和有害氣體的滲透；如何測(cè)量以及應(yīng)限制在怎樣的一個(gè)范圍內(nèi)；另外如何能降低上層樓面鋁合

12、金表面溫度的升高，是否規(guī)定一個(gè)溫度限值等等。四. 幕墻防火試驗(yàn)規(guī)范在美國(guó)ASTM (American Society for Testing and Materials) 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)體系中，與幕墻材料和防火有關(guān)的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)主要有：ASTM E2307 “Standard Test Method for Determining Fire Resistance of Perimeter Fire Barriers Using Intermediate-scale, Multi-story Test Apparatus”。 采用中型多層測(cè)試設(shè)備，確定建筑物周邊水平防火帶防火性能標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法。ASTM E

13、119 “Standard Test Methods for Fire Tests of Building Construction and Materials”。建筑結(jié)構(gòu)和材料防火標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法：定義了標(biāo)準(zhǔn)“時(shí)間-溫度曲線”。此測(cè)試方法主要針對(duì)具有防火等級(jí)的建筑結(jié)構(gòu)和材料，不包括沒有防火等級(jí)的幕墻，也不包括建筑物周邊水平防火帶。ASTM E1399 “Standard Test Method for Cycling Movement and Measuring the Minimum and Maximum Joint Widths of Architectural Joint System”

14、 。建筑構(gòu)造縫隙的周期性運(yùn)動(dòng)及其最小最大寬度測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法。ASTM E1966 “Standard Test Method for Fire-Resistive Joint System”。防火構(gòu)造縫隙的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法。此標(biāo)準(zhǔn)要求所測(cè)試的樓板和外墻均具有防火等級(jí)。ASTM E84 “Standard Test Method for Surface Burning Characteristics of Building Material”。建筑材料表面燃燒特性的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法?？捎糜谠u(píng)定建筑材料的燃燒蔓延性能和煙霧產(chǎn)生性能。本文介紹的防火試驗(yàn)主要根據(jù)ASTM E2307進(jìn)行。ASTM E230

15、7是近幾年頒布的標(biāo)準(zhǔn)。它專門用于測(cè)試幕墻建筑物周邊水平防火帶的耐火性能，即在構(gòu)件破碎、脫落、支撐強(qiáng)度降低及大變形等情況下，水平防火帶在燃燒時(shí)能夠維持其圍堵功能的能力。試驗(yàn)是在室內(nèi)可控制的環(huán)境下進(jìn)行的，沒有考慮實(shí)際情況中風(fēng)和周圍環(huán)境的影響。根據(jù)試驗(yàn)測(cè)試要求，對(duì)這個(gè)雙層幕墻模擬結(jié)構(gòu)，主要是控制下層燃燒室燃燒溫度，測(cè)試幕墻外表面及上層觀察室的溫度升高情況，觀察幕墻結(jié)構(gòu)的變形脫落等對(duì)水平防火帶的影響，觀察水平防火帶的防火表現(xiàn)（是否產(chǎn)生變形、開裂、縫隙、火焰和熱氣流滲透等），同時(shí)對(duì)上層煙霧情況進(jìn)行觀察。試驗(yàn)前，沒有進(jìn)行對(duì)防火構(gòu)造縫隙寬度方向的循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)，沒有測(cè)試水平防火帶燃燒時(shí)是否產(chǎn)生煙霧和有毒氣

16、體，沒有限制上層觀察室的溫度升高值，也沒有對(duì)上層觀察室的煙霧和有毒氣體進(jìn)行定量限制。循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)是為了模擬構(gòu)造縫隙的實(shí)際變化情況。這種運(yùn)動(dòng)既有水平方向的，也有垂直方向的。例如重力和風(fēng)載下鋁合金構(gòu)件的變形，樓面活載荷產(chǎn)生的樓板變形，層間位移，熱脹冷縮和地震等。根據(jù)試驗(yàn)的性質(zhì)和要求，試驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)采用ASTM E2307中有關(guān)防火層耐火等級(jí)的規(guī)定。防火層耐火等級(jí)分二種：F級(jí)和T級(jí)。F級(jí)：當(dāng)水平防火帶或其邊界處被燒穿；或當(dāng)滲透過水平防火帶的火焰和熱氣流足以點(diǎn)燃棉紗布時(shí)，被記錄下來的時(shí)間，經(jīng)常用F級(jí) XX小時(shí)表示，如F級(jí) 1.5小時(shí)。以F級(jí)來評(píng)價(jià)防火層及材料的耐火等級(jí)，就是確定燃燒穿透防火層引起另一

17、側(cè)起火的時(shí)間。下文描述的實(shí)驗(yàn)即以F級(jí) 2.0小時(shí)為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。T級(jí) ：被保護(hù)一側(cè)任何一點(diǎn)的溫度上升了181C；或被保護(hù)一側(cè)平均溫度上升了139C，被記錄下來的時(shí)間，經(jīng)常用T級(jí) XX分鐘表示，如T級(jí) 35分鐘。以T級(jí)來評(píng)價(jià)防火層及材料的耐火等級(jí)，就是確定由于熱量傳遞，引起防火層另一側(cè)溫度升高到限值的時(shí)間。五. 試驗(yàn)設(shè)備介紹設(shè)備由上下二層組成：下層為燃燒室，即火焰發(fā)源地，上層為觀察室。圖3 為它的側(cè)面圖，圖4 為燃燒室平面圖。前方為被測(cè)試的幕墻，其它三面均為防火時(shí)間為4小時(shí)的防火混凝土磚墻。下層燃燒室的三面墻及天花板均鋪上一層16mm厚1小時(shí)X型防火石膏板，再覆蓋一層38mm厚陶瓷纖維氈（密度為12

18、8 kg/m3）。地面和底層幕墻背面鋪設(shè)二層同樣型號(hào)的防火石膏板。構(gòu)件說明如下：1. 鋼架結(jié)構(gòu)立柱；2. 鋼架結(jié)構(gòu)橫梁；3. 被測(cè)試幕墻；4. 室外燃燒器；5. 混凝土樓板；6. 厚度16 mm的1小時(shí)X型防火石膏板，再覆蓋一層38mm厚陶瓷纖維氈；7. 二層1小時(shí)X型防火石膏板；8. 室內(nèi)燃燒器；9. 防火石膏板輕鋼龍骨支架（鍍鋅冷彎鋼板）；10. 防火混凝土磚墻；11. 幕墻上的開口（1918mm寬762mm高），模擬玻璃破碎，通過這個(gè)缺口火被引到室外側(cè)；12. 幕墻承載固定連接件；13. 厚度為25.5mm中空玻璃；14. 幕墻鋁合金立柱；15. 幕墻鋁合金橫梁；16. 厚度6.4mm單

19、層玻璃；17. 厚度75mm防火保溫棉；18. 防火保溫棉橫保持架（鍍鋅冷彎鋼板）；19. 背板（鍍鋅鋼板）；20. 厚度3mm防煙層；21. 厚度100mm防火棉；22. 背板加強(qiáng)筋(鍍鋅冷彎鋼板)。下層布置有二臺(tái)天然氣燃燒器。室外燃燒器在水平方向位置可以調(diào)節(jié)。通過測(cè)量燃燒室內(nèi)五個(gè)熱電偶溫度值，取其平均值來控制燃燒器天然氣的流量，從而達(dá)到控制燃燒室的溫度。前30分鐘的溫度控制值根據(jù)表1進(jìn)行，30分鐘到45分鐘大致保持在898C左右，45分鐘到120分鐘參照表2，即根據(jù)ASTM E119的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間-溫度曲線（圖5）。在標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間-溫度曲線中，小虛線為美國(guó)ASTM E119和加拿大的標(biāo)準(zhǔn)，大虛線為

20、ISO834標(biāo)準(zhǔn)，亦同英國(guó)和德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)。二者的差別不是很大。測(cè)量溫度的熱電偶，在燃燒室內(nèi)布置12個(gè)，其中5個(gè)用于控制燃燒室內(nèi)的溫度，其他7個(gè)用于測(cè)試水平防火帶下側(cè)和幕墻內(nèi)側(cè)的溫度。在幕墻外側(cè)表面中心線垂直方向布置12個(gè)熱電偶。在二樓觀察室水平防火帶表面及周圍布置11個(gè)。同時(shí)，在二樓觀察室還布置了2個(gè)線性位移傳感器，用于測(cè)試幕墻系統(tǒng)的變形情況。六. 幕墻構(gòu)造介紹幕墻結(jié)構(gòu)采用鋁合金6063-T6,與樓板連接的承載固定連接件采用鋁合金6061-T6。上層采用25.5mm厚雙層中空透明玻璃（6.4mm清透半鋼化，最外層第一面機(jī)械磨邊處理，12.7mm中間空氣層，鋁合金間隔框，6.4mm清透半鋼化，最里層

21、第四面機(jī)械磨邊處理）。窗間墻部分玻璃采用6.4mm清透半鋼化，外面機(jī)械磨邊處理。在單層玻璃后面是75mm厚半硬式防火保溫棉（礦棉：玄武巖加礦渣，密度128 kg/m3，熔點(diǎn)溫度為1177C），用二根橫保持架（0.86mm鍍鋅冷彎鋼板）將防火保溫棉固定在0.86mm厚鍍鋅鋼板背板上。背板上靠近防火棉處，有一根用1.2mm鍍鋅冷彎鋼板加工而成的背板加強(qiáng)筋，通過M5不銹鋼螺釘固定到背板和立柱上。底層幕墻室內(nèi)側(cè)采用的二層1小時(shí)X型防火石膏板用于加固窗口結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)硅膠為道康寧DC 983，密封硅膠為DC 791?？諝饷芊鈼l材料為EPDM。樓板邊緣與幕墻立柱之間的縫隙為150mm，由于背板不與鋁合金立柱內(nèi)

22、側(cè)面平齊，所以樓板邊緣與背板之間的縫隙為160mm。整個(gè)水平縫隙中填滿100 mm厚半硬式防火棉，防火棉與保溫棉是相同材料，密度64 kg/m3，熔點(diǎn)溫度為1177C，防火棉以33 %壓縮率填充。本試驗(yàn)中防火棉沒有采用機(jī)械式固定形式。在防火棉的上方覆蓋一層防煙層，厚度為3 mm左右。這個(gè)防煙層象硅膠一樣，固化以后表面基本與結(jié)構(gòu)樓層表面平齊。單元式幕墻在工廠制作組裝而成。所有材料采購、加工工藝等與一般工程制作流程相同，整個(gè)生產(chǎn)過程、質(zhì)量控制系統(tǒng)受到獨(dú)立第三方的審核和監(jiān)督。燃燒室部分，除了開口以外，其他縫隙均要密封，以防氣流影響。二樓觀察室留有一個(gè)開口作通道。其它試驗(yàn)環(huán)境條件根據(jù)ASTM E230

23、7。試驗(yàn)之前，先要進(jìn)行校正實(shí)驗(yàn)，將燃燒器煤氣流量調(diào)節(jié)程序確定下來。正式試驗(yàn)時(shí)，先打開室內(nèi)燃燒器，5分鐘以后再打開室外燃燒器，模擬玻璃破碎后，燃燒向室外發(fā)展。試驗(yàn)中溫度是逐漸升高的。因?yàn)槿绻麥囟仍诙虝r(shí)間內(nèi)急劇升高，將會(huì)導(dǎo)致玻璃很快破碎，而溫度逐漸升高，玻璃將會(huì)逐漸熔化。七. 試驗(yàn)觀察和分析室內(nèi)燃燒器點(diǎn)燃后2分鐘，從室外看，有煙霧開始從窗間墻幕墻下部出現(xiàn)。應(yīng)該是玻璃嵌條EPDM橡膠條和玻璃下的EPDM橡膠墊塊引起的；2分35秒：間斷有火焰從開口處伸出來。室內(nèi)壓力高于室外壓力；2分50秒：開口處上部橫梁開始彎曲，此時(shí)室內(nèi)燃燒室溫度到達(dá)400C左右。鋁合金材料在溫度達(dá)到250C 300C時(shí)承載能力開始

24、下降，（碳鋼在溫度達(dá)到375C 左右承載能力開始下降）。此處橫梁通過二塊EPDM橡膠墊塊承受6.4mm厚單層玻璃重量；3分40秒：二樓觀察室中水平防火帶表面中部出現(xiàn)少量煙霧?？赡苁菑姆阑鹈藓头罒煵牧现猩l(fā)出來的；5分鐘：室外燃燒器點(diǎn)燃；6分鐘：室內(nèi)燃燒器所產(chǎn)生的熱氣流在室內(nèi)壓力的作用下，從開口處以較高的速度從室內(nèi)沖出來，使得室外燃燒器的火焰偏離幕墻面。幾分鐘后，當(dāng)溫差和壓力趨于平衡時(shí)，室外燃燒器的火焰基本回復(fù)正常，稍稍外偏；8分20秒：開口處上部橫梁中間的硅膠開始燃燒；9分鐘：?jiǎn)纹Ａ?nèi)側(cè)發(fā)現(xiàn)有冷凝水下淌；11分40秒：在開口附近的火焰高度超過開口處上部橫梁大約300mm左右；14分25秒：開

25、口處上部橫梁的鋁合金開始熔化，并滴落下來，鋁合金的熔化溫度是660C；14分50秒：在開口附近的火焰高度已超過開口處上部橫梁大約600mm左右；16分鐘：火焰高度已達(dá)到單片玻璃的頂部；18分10秒：在水平方向，火焰向外延伸到離外墻面大約450mm左右；21分鐘：開口處上部橫梁的鋁合金大約有500mm長(zhǎng)已熔化掉了；28分45秒：由于最中部鋁合金立柱（防火棉以下部分）已熔化，下面一根保溫棉橫保持架的連接失效，造成此保持架懸空掛在那里，失去作為保持架的作用；30分鐘：在二樓觀察室中發(fā)現(xiàn)幕墻發(fā)生變形，中部水平方向朝外變形了3mm；46分鐘：在二樓觀察室中水平防火帶表面中部出現(xiàn)連續(xù)不斷的煙霧；52分鐘：

26、6.4mm厚單層玻璃開始軟化并向外拱起，玻璃的熔化溫度是821C；作為背板的鍍鋅鋼板和防火保溫棉看起來完好；62分鐘 72分鐘：6.4mm厚單層玻璃繼續(xù)軟化、下垂、熔化并滴落下來；75分鐘：在二樓觀察室中觀察幕墻中部水平方向朝外變形沒有增加；120分鐘：燃燒器熄火。熄火以后觀察和分析：1) 120分鐘內(nèi)燃燒沒有蔓延到上一層。2) 防火棉看起來完好無損，在水平防火帶防火棉的下部與鍍鋅鋼板背板的交界處，發(fā)現(xiàn)一條約12mm寬的縫隙，縫隙的走向沿著背板變形的形狀。從背板傳遞過來的大量熱量燒烤防火棉側(cè)面接觸面，經(jīng)壓縮后的防火棉其擴(kuò)張性能可能受到影響。 防火棉底部經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間的高溫燃燒已變硬和發(fā)脆。正是由于防

27、火棉以33 %壓縮率填充，縫隙沒能貫穿100mm高的防火棉，阻擋了火焰向上蔓延。3) 在防火棉上方覆蓋的這層防煙層，大部分仍保持了其柔韌性，說明防火棉上側(cè)的溫度值大部分在防煙層工作溫度范圍內(nèi)。在靠近背板附近因受到高溫影響有部分已脫裂開，形成煙霧上升通道（圖12）。由于這層防煙層伸縮性為50%，基本上保證了與周圍材料的有效密封。4) 鍍鋅鋼板背板在燃燒中被燒得通紅，背板的受熱不勻造成一定程度的翹曲，但其翹曲程度明顯受到背板加強(qiáng)筋的制約。由于這個(gè)加強(qiáng)筋不僅僅固定在立柱上，還直接固定在背板上，使得防火棉附近的背板變形量保持在最小。（圖11，圖13）5) 開口處上部的鋁合金橫梁基本上都熔化掉了，最中部

28、的鋁合金立柱（在水平防火棉以下部分）也熔化掉了，其他地方的鋁合金結(jié)構(gòu)基本保持完整（圖14）。固定在這些已受損鋁合金結(jié)構(gòu)上的部件，如背板、防火保溫棉、玻璃等，其穩(wěn)固性和功能性會(huì)受到影響。6) 窗間墻部分的75mm厚半硬式防火保溫棉在背板加強(qiáng)筋以上部分基本上完整。由于下面一根保溫棉橫保持架的一端連接失效，防火保溫棉產(chǎn)生傾斜，下方的防火保溫棉直接暴露在火中燃燒，部分被燒脫下來，使得背板下方正反二面都受到火焰的攻擊。7) 在2小時(shí)燃燒中，上層中空玻璃完好無損，下層單層玻璃部分熔化，未產(chǎn)生破裂現(xiàn)象。注意到為什么開口處上部橫梁都熔化掉了，但單層玻璃不掉下來呢？這是一個(gè)半隱框系統(tǒng)，玻璃四周全部用結(jié)構(gòu)硅膠，由

29、于定位玻璃的EPDM橡膠塊已失效，所以應(yīng)該是結(jié)構(gòu)硅膠在起作用。結(jié)構(gòu)硅膠在高溫下到底起多大作用？這個(gè)問題有待研究，在這個(gè)試驗(yàn)中至少還能保持住單層玻璃2個(gè)小時(shí)。窗間墻玻璃的破碎和脫落對(duì)幕墻防火系統(tǒng)雖然不是太重要，但是也起到一些正面作用，它保護(hù)了后面的防火保溫棉不直接遭受火焰的攻擊，這個(gè)防火保溫棉保持時(shí)間越長(zhǎng)，對(duì)室外側(cè)火焰的防火就越好。我們將這次試驗(yàn)同不久前的另一次相似試驗(yàn)相對(duì)比，總體結(jié)果相當(dāng)相似，也是以成功告終。但前一次試驗(yàn)玻璃的運(yùn)氣不如這次好，在27分鐘時(shí)，上層樓面其中一塊中空玻璃的外片破裂；在72分鐘時(shí)，上層另一塊中空玻璃的外片破裂。幸運(yùn)的是，這二塊中空玻璃的內(nèi)片自始至終沒有破碎。究其原因，我

30、們推測(cè)第一塊外片玻璃破裂得早與玻璃邊緣缺陷有關(guān)。要知道，這些玻璃是玻璃公司在流水線上以標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)程序切割和磨邊的，按要求，磨邊量為1.5mm（圖15），有誤差和缺陷是難免的。8) 從二樓觀察室中發(fā)現(xiàn)，密封硅膠呈黑色，外表看起來還不錯(cuò)，部分硅膠與連接件已分開了（圖16）。一樓燃燒室內(nèi)部背板周圍的密封硅膠均已燒成白色的焦?fàn)钗铩?圖17）9) 本試驗(yàn)中，在燃燒室的幕墻部分，沒有采取任何隔熱等措施以延緩熱量從幕墻系統(tǒng)內(nèi)部向上層傳遞。事實(shí)上，上層樓面幕墻內(nèi)側(cè)金屬表面的溫度已超過500度，超過了表面噴漆的工作溫度范圍，可能會(huì)產(chǎn)生化學(xué)物質(zhì)的分解。同時(shí)也有相當(dāng)數(shù)量的氣體和煙霧進(jìn)入上層樓面，足以使人能在數(shù)分鐘內(nèi)昏

31、倒，達(dá)不到能維持生命的水平。八. 幕墻防火設(shè)計(jì)要點(diǎn)通過對(duì)防火試驗(yàn)的研究，以及近幾年幕墻設(shè)計(jì)中對(duì)防火要求、防火材料和防火系統(tǒng)不斷的探索和實(shí)踐，我們基本上掌握了幕墻建筑周邊水平防火帶和幕墻系統(tǒng)防火構(gòu)造的設(shè)計(jì)要領(lǐng)。當(dāng)然隨著防火要求、防火材料性能的不斷提高，還需要作進(jìn)一步的研究。本文中對(duì)幕墻構(gòu)造的描述主要基于單元式幕墻系統(tǒng)，其它幕墻系統(tǒng)可以參考它的設(shè)計(jì)原則和思路作相似的安排。由于單元式幕墻制作和安裝質(zhì)量易于控制，在防火方面，它與框架式幕墻相比優(yōu)勢(shì)是明顯的。建筑幕墻防火設(shè)計(jì)的原則是有效、可靠、制作安裝方便，并且不增加太多成本。優(yōu)秀的單元式幕墻系統(tǒng)完全可以達(dá)到這些要求。建筑師和土建結(jié)構(gòu)師應(yīng)該了解和懂得如何

32、利用幕墻防火構(gòu)造來滿足建筑物周邊防火要求。這里，一個(gè)土建結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)值得提一下。在北美絕大部分建筑物幕墻預(yù)埋件安排在樓層表面部分，而國(guó)內(nèi)大部分安排在梁或樓板的側(cè)面。先不說前者對(duì)幕墻安裝、調(diào)節(jié)、定位等帶來很多好處與方便。從防火角度看，幕墻與主結(jié)構(gòu)的承載連接件安排在靠近樓面位置，便于防火棉和防煙層的施工，有利于防火棉更有效地保護(hù)這個(gè)連接件，使它不過早失效。建筑物燃燒產(chǎn)生的溫度高低，與燃燒材料、通風(fēng)狀態(tài)等有關(guān)，研究資料表明，溫度的峰值可達(dá)到1200C。幕墻系統(tǒng)本身并沒有很多易燃性材料，但大部分材料抗燃燒性都不強(qiáng)。幕墻常用金屬材料的熔點(diǎn)溫度見表3，常用非金屬材料的關(guān)鍵溫度點(diǎn)見表4。注：表中數(shù)據(jù)為大致范圍，

33、謹(jǐn)供參考；部分?jǐn)?shù)據(jù)來自Plast-O-Matic: Plastic body materials.*工作溫度上限與所要求的暴露時(shí)間有關(guān)。*450C出自于Handbook of Physical and Mechanical Testing of Paper and Paperboard Volume 2; Edited by Richard Mark。國(guó)內(nèi)消防資料為130C。*407C出自于German marine insurers.國(guó)內(nèi)消防資料為150C。圖18 是典型的單元式幕墻防火構(gòu)造，下面我們來詳細(xì)分析幕墻防火設(shè)計(jì)要點(diǎn)。1) 玻璃：從防火試驗(yàn)結(jié)果可以認(rèn)識(shí)到，上層可視玻璃的完整性對(duì)防止

34、火焰上竄很重要，而窗間墻非可視玻璃容易破碎和熔化，對(duì)整個(gè)防火體系的影響并不大，盡管形式上它跨越了二個(gè)防火分區(qū)。從上節(jié) 試驗(yàn)觀察和分析 中談到，玻璃生產(chǎn)過程中切割和磨邊對(duì)玻璃破碎的影響。為延緩和防止上層可視玻璃破碎，必須要考慮防止玻璃溫升過快、過高的措施，橫料下的防火保溫棉3）就是起這個(gè)作用。目前隨著對(duì)節(jié)能要求的提高，越來越多的窗間墻非可視部分采用中空玻璃，這對(duì)延緩玻璃破碎是有利的。2) 單元式幕墻水平插口：這里是上下二個(gè)單元的結(jié)合點(diǎn)，單元式構(gòu)造的特點(diǎn)使上下二個(gè)單元金屬不直接接觸，延緩了上面單元的溫升，降低了窗臺(tái)板溫度升高速度。這一點(diǎn)比框架式幕墻系統(tǒng)要優(yōu)越。3) 橫料下防火保溫棉：這里的防火保溫

35、棉厚度根據(jù)建筑物和幕墻系統(tǒng)具體情況具體設(shè)計(jì)，能夠保證50mm以上最好，至少要有25mm（圖19）。4) 防火保溫棉：工程上我們常用保溫棉、防火棉、防火保溫棉等名詞，這樣的表達(dá)是以材料用途和功能來劃分的，與材料本身的組成和成分無關(guān)。在幕墻工程中有時(shí)這三者采用的是相同材料。例如防火墻外側(cè)保溫棉，可以用巖棉或玻璃棉；無混凝土窗間墻的幕墻，中間的保溫棉須起到防火作用，可選用巖棉、礦渣棉，稱之為防火保溫棉；防火棉同樣采用巖棉和礦渣棉，只不過使用中并不關(guān)心其保溫功能而已。不少人在談到巖棉、礦棉等材料時(shí)，到底有什么關(guān)系不是很清楚。比較權(quán)威的機(jī)構(gòu)北美保溫棉制造協(xié)會(huì)（NAIMA）是這樣定義的：巖棉（Rock W

36、ool）和礦渣棉（Slag Wool）基本上是用相同的原材料，相同的生產(chǎn)過程制成的，不同的是其原材料組成成分的比例不同。一般而言，巖棉中至少有70% 75%是天然巖石，如玄武巖（Basalt）或輝綠巖（Diabase），剩下的是礦渣（鐵礦石礦渣）；而礦渣棉中采用70%左右礦渣，其它的是天然巖石。它們都是采用高溫熔爐吹絲加壓法制作而成。中間可以采用粘合劑，也可以不用粘合劑，依產(chǎn)品而定。粘合劑有無機(jī)、有機(jī)二種，有機(jī)粘合劑無論在防火、防霉、防菌方面都不如無機(jī)粘合劑。粘合劑一般在溫度超過250C時(shí)氣化失效，但并不影響巖棉和礦渣棉制品的完整性，這歸功于材料的內(nèi)聚性和其特殊的層狀構(gòu)造。只要此時(shí)沒有任何載荷

37、使它變形，它就不會(huì)脫落。以相同生產(chǎn)過程制成的巖棉和礦渣棉制品，它們所具有的各方面性能是非常相似的。ISO 9229 (Thermal Insulation) 和GB4132 絕熱材料名詞術(shù)語中，礦棉（Mineral Wool）包括巖棉、礦渣棉、玻璃棉等。由于玻璃棉熔點(diǎn)過低，目前許多國(guó)家不鼓勵(lì)或禁止幕墻上使用玻璃棉。目前市場(chǎng)上用于幕墻最物美價(jià)廉的防火保溫棉，當(dāng)屬采用玄武巖和礦渣制成的巖棉和礦渣棉。這些制品加工成不同的密度，最常用的有密度為64 Kg/m3，這也是不少工程的最低要求。幕墻公司會(huì)采用價(jià)格低、密度低的防火保溫棉，盡管產(chǎn)品包裝標(biāo)志有傳熱阻R值或傳熱系數(shù)K值，而業(yè)主和建筑師往往擔(dān)心低密度保

38、溫棉的保溫性能，要求采用密度更高的保溫棉，如96 Kg/m3 、128 Kg/m3等。加拿大學(xué)者在礦棉保溫棉的對(duì)流熱損失研究中指出，這種擔(dān)心是沒必要的，甚至在-35C低溫，低密度保溫棉也沒有發(fā)現(xiàn)對(duì)流熱損失。采用無機(jī)粘合劑的巖棉和礦渣棉具有良好的防火、防銹、防霉、防菌、不吸水和排水性強(qiáng)等功能。它們?cè)谑艹币院蟊匦阅苡兴陆担怯捎谄浞浅５偷奈鼭衤剩?.1%），當(dāng)水分揮發(fā)以后，保溫性能又能復(fù)原。并且這種循環(huán)過程一般不會(huì)破壞保溫棉的完整性。保溫棉中沒有有機(jī)物質(zhì)，就不易生霉和生菌?，F(xiàn)代工程中絕大部分將保溫棉直接暴露在窗間墻玻璃內(nèi)側(cè)與室外相通的環(huán)境中，很少用貼箔保溫棉（主要是價(jià)格問題），就是由于上述優(yōu)點(diǎn)。保溫棉切割和安裝質(zhì)量控制很重要。保溫棉四周間隙過大，保溫棉之間對(duì)接不緊密，保溫棉切割角度偏差太大，都直接影響到幕墻整體保溫性能。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，保溫棉中空隙占3%，熱阻減小2%-5%；空隙占6%，熱阻減小20%-36%20。保溫棉厚度根據(jù)環(huán)境、規(guī)范要求通過傳熱分析計(jì)算而定。保溫棉厚度越大，保溫性能和防火性能越好。例如在美國(guó)加拿大邊境地區(qū)，保溫棉厚度一般在100mm-150mm之間。防火保溫棉的可靠固定是防火關(guān)鍵