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心若向阳
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2018-12-27 13:58:53 | 分类:默认分类| 标签:

     上海“11.15” 重大火灾事故造成了大量人员伤亡,惨痛的教训尤其对我们建筑工程人员敲响了警钟。在建筑玻璃幕墙领域,纵观现状,有些幕墙公司对防火防烟理念缺乏足够认识,不少幕墙工程防火设汁不尽完善,暴露出令人担忧的潜在隐患。
  国外近代建筑史上,由于建筑物外墙防火设计缺陷,造成了多起重大火灾。
  1973年8月2日,英国曼岛道格拉斯的Summerland度假村火灾造成50人死亡。由于外墙及周边水平防火带材料和设计的缺陷,火势从外墙和缝隙蔓延到整个建筑物。
  1988年5月4日,62层高美国洛杉矶First Interstate Bank大厦,由于玻璃破碎,玻璃纤维保温棉熔化,焰卷效应导致火势从13层外墙和周边水平防火带空隙上窜到16层,造成1人死亡。
  1991年2月23日,美国宾州费城38层高One Meridian Plaza,大火从22层开始,通过楼板边缘空隙上窜到30层。幸亏第30层装备有自动喷淋系统(其他几层没有),将火势控制下来。因为是周末大楼没人,有3 名消防人员死亡。
  2004年5月4日,美国芝加哥LaSalle Bank大厦,大火从29层开始连续烧了6个小时,最终只有29层和30层受到影响,无人死亡。主要归功于建筑物周边水平防火带及防火棉,有效抑制了火势向上发展。

幕墙建筑防火设计

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  一. 幕墙建筑防火措施及周边水平防火带
  幕墙系统主要由抗燃性不强的铝型材、硅胶、玻璃等材料组成。与传统意义上具有防火等级的防火门防火墙相比,并不具有等级概念的防火性能。合理设计幕墙及建筑物周边水平防火带,会大大抑制火势向上蔓延。
  高层建筑防火有效措施是三位一体:报警系统、围堵(Containment)和遏制(Suppression)措施。围堵手段属于被动防火类(Passive Fire Protection), 指的是利用适当的建筑材料和建筑构造将火势控制在局部,延缓火势蔓延。幕墙系统的防火设计就是采用被动防火理念,将具有防火等级的建筑物楼板与没有防火等级的幕墙系统,中间用与建筑物楼板相同防火等级的水平防火带结合在一起,形成一个完整的防火体系,共同抵御火势、烟雾和有毒气体的扩散。即采用围堵手段来加强建筑物结构和人员的防火安全。
  遏制措施属于主动防火类(Active Fire Protection)。自动喷淋系统是最常用且有效的一种手段。它通过增加湿度、降低温度、防止轰燃(Flash-over)现象来控制火势的蔓延。实践表明,建筑物采用自动喷淋系统后,火灾损失将减少百分之五十以上。然而建筑防火不能仅仅依靠自动喷淋系统,也就是说不能忽视和消弱建筑物及幕墙系统的防火围堵设计。一旦自动喷淋系统由于机械、电力或供水出现问题而不能正常工作,具有较高可靠性的防火围堵构造成为抑制火势的关键。同样,尽可能将火势围堵在小范围内,自动喷淋系统才能更好地发挥作用。所以,只有二者有机结合才是最佳防火措施。
  幕墙建筑物周边水平防火带(Building Perimeter Fire Barrier)指的是在幕墙内侧与建筑物楼板之间的空隙中,建立与建筑物楼板具有相同防火等级的水平防火带,以切断层间通道,阻止火势上窜蔓延。
  设计水平防火带,除了考虑风载、地震、温差等因素引起的变位,还要考虑到起火情况下周围材料的破碎、脱落、支撑强度降低及巨大变形等。同时还必须同幕墙内部结构和防火材料相结合,一起抵抗来自建筑物内部和外部的火势攻击,将火势控制在最小范围内。
  幕墙系统窗间墙部分须具备一定的防火和阻燃性能,它在防止焰卷效应(Leap Frog Effect)、保证水平防火带有效工作方面起着关键作用。根据规范要求,窗间墙高度不低于0.8米,耐火极限不低于1.0小时。被视为实体裙墙,其主要防火构件--防火保温棉的选择和固定,镀锌铁板背板的防变形能力设计,应能最大限度地保护幕墙铝合金主结构及承重支撑构件不过早失效,特别对高层建筑是至关重要的。
  防火的同时还必须考虑到防烟,组成一条完整的防火防烟带,争取更多的时间,挽救更多的生命。
  二. 幕墙建筑火势向上蔓延的机理
  当建筑物室内起火,燃烧产生火焰、热、气和烟雾。起初阶段热气流上升,形成温差和压差,使周围的空气源源不断地补充进来,燃烧温度不断提高,引燃附近可燃性物质,火势不断地扩大。这样的空气循环过程会不会由于室内氧气的耗尽而终止呢?理论上是这样,但现实中这样的情况很少发生。燃烧室内部各处的压差是不同的,且是动态变化的。室外和下面楼层的空气通过幕墙中的间隙和楼板缝隙(如管道、楼梯间等)吸进室内。气密性好的幕墙可以延缓这个阶段火势的扩大。
  随着室内温度的不断提高,室内外的压差也在不断增加。普通玻璃(非防火玻璃)在火焰的不断冲击下,往往会在15分钟内破碎。大量的热量和烟雾瞬间冲出室外,导致破碎窗口室内侧的温度下降几百度。同时大量的空气进入室内参与燃烧,通过缺口常常将燃烧引到室外,形成对玻璃幕墙的内外夹攻。层间非可视玻璃及上层可视玻璃直接暴露在火焰中,增加了火势向上蔓延的可能性。如果由于窗间墙处防火材料或构造上的缺陷造成防火系统提早失效,就有可能形成所谓的焰卷效应。跟据美国对高层幕墙建筑火灾的研究统计资料,约有百分之十的火势是通过室外侧向上蔓延的。这是第一种火势向上蔓延的方式。
  第二种火势向上蔓延的方式:
  混凝土楼板一般用于分隔防火分区, 它应该具有一定的防火级别。根据《高层民用建筑设计防火规范 》GB 50045 表3.0.2 中规定,耐火等级为一级的建筑物楼板耐火时间为1.5 个小时,耐火等级为二级的建筑物楼板耐火时间为1.0 个小时。
  在混凝土楼板外侧与幕墙内侧之间存在一个空隙。空隙的大小及既与建筑设计和幕墙铝合金系统的大小有关,也与混凝土结构尺寸误差、幕墙构造及制作安装误差等因素有关。大部分建筑物其实际范围在几十毫米到200毫米之间。这个空隙也用来补偿由于温度、载荷、地震等引起的建筑物变形。
  这个空隙应该视为混凝土楼板的延伸,防火设计中它应该可靠地填满防火棉,设计合理的周边水平防火带必须能够经受住防火规范GB 50045所要求的耐火时间。

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  在实际失火状态下,这个空隙有可能进一步被扩大。主要是由于铝合金构件和镀锌铁板背板的变形,五金连接件、承重支撑构件的松动。如果防火棉、防烟层不能有效地补偿这个变位。火焰和高温气流就会通过这些间隙、裂缝直接进入上层楼面。
  第三种火势向上蔓延的方式是通过热量传递方式进行的。热量传递的方式有传导、对流和辐射。幕墙系统的铝合金立柱是非常好的传热载体,而且立柱往往是跨越二个不同防火分区,火源层的热量能通过立柱向上层传递。幕墙的这种构造形式决定了它很难被界定为具有等级概念的“防火幕墙”。在短时间内上层楼面铝合金表面的温度会高于纸张的自燃点。对流是由于空气流动传递热量。开启窗或玻璃破碎虽然对排烟有好处,但增加了空气的流动,也增加了氧气的供给。辐射是温度较高的物体以能量波的方式向温度较低的物体传热的一种方式。
  在火源层,当温度升高达到了某个临界点,“轰燃现象”使得在短时间内火势由局部扩散到整个空间。火源层的热量通过楼板、金属幕墙及周边水平防火带向上层传递。如果上一层楼面的温度升高达到了某个临界点,也可能会发生轰燃现象,火势就以这样的方式向上发展。
  三. 烟雾和有毒气体
  在建筑物防火措施中,防止烟雾扩散是非常重要的一环。研究资料表明,高层建筑火灾造成的人员死亡,75 % 以上是由于烟雾所引起的。
  现代建筑装饰材料、家具和日用品含有大量易燃、有害化学物质,燃烧后分解产生可见和不可见烟雾,能短时间内造成人员昏迷和死亡。烟雾扩散的速度取决于空气流动、上浮效应、热气流膨胀和自然风。而且它的扩散速度会远远快于火焰向周围扩散的速度。
  幕墙系统本身也产生一些有毒气体。铝合金表面喷漆、密封橡胶条、泡沫棒等,并通过幕墙内部缝隙向上层扩散。
  目前在幕墙防火方面,国内外做了不少试验和研究,颁布了一些试验规程和规范。但在幕墙防烟方面还有许多工作要做。例如,如何控制烟和有害气体的渗透;如何测量以及应限制在怎样的一个范围内;另外如何能降低上层楼面铝合金表面温度的升高,是否规定一个温度限值等等。
  四. 幕墙防火试验规范
  在美国ASTM (American Society for Testing and Materials) 国家标准体系中,与幕墙材料和防火有关的试验标准主要有:
  ASTM E2307 “Standard Test Method for Determining Fire Resistance of Perimeter Fire Barriers Using Intermediate-scale, Multi-story Test Apparatus”。 采用中型多层测试设备,确定建筑物周边水平防火带防火性能标准测试方法。
  ASTM E119 “Standard Test Methods for Fire Tests of Building Construction and Materials”。建筑结构和材料防火标准测试方法:定义了标准“时间-温度曲线”。此测试方法主要针对具有防火等级的建筑结构和材料,不包括没有防火等级的幕墙,也不包括建筑物周边水平防火带。
  ASTM E1399 “Standard Test Method for Cycling Movement and Measuring the Minimum and Maximum Joint Widths of Architectural Joint System” 。建筑构造缝隙的周期性运动及其最小最大宽度测量的标准测试方法。
  ASTM E1966 “Standard Test Method for Fire-Resistive Joint System”。防火构造缝隙的标准测试方法。此标准要求所测试的楼板和外墙均具有防火等级。
  ASTM E84 “Standard Test Method for Surface Burning Characteristics of Building Material”。建筑材料表面燃烧特性的标准测试方法。可用于评定建筑材料的燃烧蔓延性能和烟雾产生性能。
  本文介绍的防火试验主要根据ASTM E2307进行。ASTM E2307是近几年颁布的标准。它专门用于测试幕墙建筑物周边水平防火带的耐火性能,即在构件破碎、脱落、支撑强度降低及大变形等情况下,水平防火带在燃烧时能够维持其围堵功能的能力。
  试验是在室内可控制的环境下进行的,没有考虑实际情况中风和周围环境的影响。根据试验测试要求,对这个双层幕墙模拟结构,主要是控制下层燃烧室燃烧温度,测试幕墙外表面及上层观察室的温度升高情况,观察幕墙结构的变形脱落等对水平防火带的影响,观察水平防火带的防火表现(是否产生变形、开裂、缝隙、火焰和热气流渗透等),同时对上层烟雾情况进行观察。
  试验前,没有进行对防火构造缝隙宽度方向的循环往复运动试验,没有测试水平防火带燃烧时是否产生烟雾和有毒气体,没有限制上层观察室的温度升高值,也没有对上层观察室的烟雾和有毒气体进行定量限制。
  循环往复运动试验是为了模拟构造缝隙的实际变化情况。这种运动既有水平方向的,也有垂直方向的。例如重力和风载下铝合金构件的变形,楼面活载荷产生的楼板变形,层间位移,热胀冷缩和地震等。
  根据试验的性质和要求,试验评定标准采用ASTM E2307中有关防火层耐火等级的规定。防火层耐火等级分二种:F级和T级。
  F级:当水平防火带或其边界处被烧穿;或当渗透过水平防火带的火焰和热气流足以点燃棉纱布时,被记录下来的时间,经常用F级 – XX小时表示,如F级 – 1.5小时。以F级来评价防火层及材料的耐火等级,就是确定燃烧穿透防火层引起另一侧起火的时间。下文描述的实验即以F级 – 2.0小时为评判标准。
  T级 :被保护一侧任何一点的温度上升了181°C;或被保护一侧平均温度上升了139°C,被记录下来的时间,经常用T级 – XX分钟表示,如T级 – 35分钟。以T级来评价防火层及材料的耐火等级,就是确定由于热量传递,引起防火层另一侧温度升高到限值的时间。
  五. 试验设备介绍
  设备由上下二层组成:下层为燃烧室,即火焰发源地,上层为观察室。图3 为它的侧面图,图4 为燃烧室平面图。前方为被测试的幕墙,其它三面均为防火时间为4小时的防火混凝土砖墙。下层燃烧室的三面墙及天花板均铺上一层16mm厚1小时X型防火石膏板,再覆盖一层38mm厚陶瓷纤维毡(密度为128 kg/m3)。地面和底层幕墙背面铺设二层同样型号的防火石膏板。

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  构件说明如下:
  1. 钢架结构立柱;2. 钢架结构横梁;3. 被测试幕墙;4. 室外燃烧器;5. 混凝土楼板;6. 厚度16 mm的1小时X型防火石膏板,再覆盖一层38mm厚陶瓷纤维毡;7. 二层1小时X型防火石膏板;8. 室内燃烧器;9. 防火石膏板轻钢龙骨支架(镀锌冷弯钢板);10. 防火混凝土砖墙;11. 幕墙上的开口(1918mm宽×762mm高),模拟玻璃破碎,通过这个缺口火被引到室外侧;12. 幕墙承载固定连接件;13. 厚度为25.5mm中空玻璃;14. 幕墙铝合金立柱;15. 幕墙铝合金横梁;16. 厚度6.4mm单层玻璃;17. 厚度75mm防火保温棉;18. 防火保温棉横保持架(镀锌冷弯钢板);19. 背板(镀锌钢板);20. 厚度3mm防烟层;21. 厚度100mm防火棉;22. 背板加强筋(镀锌冷弯钢板)。
  下层布置有二台天然气燃烧器。室外燃烧器在水平方向位置可以调节。通过测量燃烧室内五个热电偶温度值,取其平均值来控制燃烧器天然气的流量,从而达到控制燃烧室的温度。前30分钟的温度控制值根据表1进行,30分钟到45分钟大致保持在898°C左右,45分钟到120分钟参照表2,即根据ASTM E119的标准时间-温度曲线(图5)。

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  在标准时间-温度曲线中,小虚线为美国ASTM E119和加拿大的标准,大虚线为ISO834标准,亦同英国和德国标准。二者的差别不是很大。
  测量温度的热电偶,在燃烧室内布置12个,其中5个用于控制燃烧室内的温度,其他7个用于测试水平防火带下侧和幕墙内侧的温度。在幕墙外侧表面中心线垂直方向布置12个热电偶。在二楼观察室水平防火带表面及周围布置11个。同时,在二楼观察室还布置了2个线性位移传感器,用于测试幕墙系统的变形情况。

  六. 幕墙构造介绍

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  幕墙结构采用铝合金6063-T6,与楼板连接的承载固定连接件采用铝合金6061-T6。上层采用25.5mm厚双层中空透明玻璃(6.4mm清透半钢化,最外层第一面机械磨边处理,12.7mm中间空气层,铝合金间隔框,6.4mm清透半钢化,最里层第四面机械磨边处理)。窗间墙部分玻璃采用6.4mm清透半钢化,外面机械磨边处理。在单层玻璃后面是75mm厚半硬式防火保温棉(矿棉:玄武岩加矿渣,密度128 kg/m3,熔点温度为1177°C),用二根横保持架(0.86mm镀锌冷弯钢板)将防火保温棉固定在0.86mm厚镀锌钢板背板上。背板上靠近防火棉处,有一根用1.2mm镀锌冷弯钢板加工而成的背板加强筋,通过M5不锈钢螺钉固定到背板和立柱上。底层幕墙室内侧采用的二层1小时X型防火石膏板用于加固窗口结构。结构硅胶为道康宁DC 983,密封硅胶为DC 791。空气密封条材料为EPDM。

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  楼板边缘与幕墙立柱之间的缝隙为150mm,由于背板不与铝合金立柱内侧面平齐,所以楼板边缘与背板之间的缝隙为160mm。整个水平缝隙中填满100 mm厚半硬式防火棉,防火棉与保温棉是相同材料,密度64 kg/m3,熔点温度为1177°C,防火棉以33 %压缩率填充。本试验中防火棉没有采用机械式固定形式。在防火棉的上方覆盖一层防烟层,厚度为3 mm左右。这个防烟层象硅胶一样,固化以后表面基本与结构楼层表面平齐。
  单元式幕墙在工厂制作组装而成。所有材料采购、加工工艺等与一般工程制作流程相同,整个生产过程、质量控制系统受到独立第三方的审核和监督。
  燃烧室部分,除了开口以外,其他缝隙均要密封,以防气流影响。二楼观察室留有一个开口作通道。其它试验环境条件根据ASTM E2307。
试验之前,先要进行校正实验,将燃烧器煤气流量调节程序确定下来。正式试验时,先打开室内燃烧器,5分钟以后再打开室外燃烧器,模拟玻璃破碎后,燃烧向室外发展。
  试验中温度是逐渐升高的。因为如果温度在短时间内急剧升高,将会导致玻璃很快破碎,而温度逐渐升高,玻璃将会逐渐熔化。

 

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七. 试验观察和分析  室内燃烧器点燃后2分钟,从室外看,有烟雾开始从窗间墙幕墙下部出现。应该是玻璃嵌条EPDM橡胶条和玻璃下的EPDM橡胶垫块引起的;  2分35秒:间断有火焰从开口处伸出来。室内压力高于室外压力;  2分50秒:开口处上部横梁开始弯曲,此时室内燃烧室温度到达400°C左右。铝合金材料在温度达到250°C ~ 300°C时承载能力开始下降,(碳钢在温度达到375°C 左右承载能力开始下降)。此处横梁通过二块EPDM橡胶垫块承受6.4mm厚单层玻璃重量;  3分40秒:二楼观察室中水平防火带表面中部出现少量烟雾。可能是从防火棉和防烟材料中散发出来的;  5分钟:室外燃烧器点燃;  6分钟:室内燃烧器所产生的热气流在室内压力的作用下,从开口处以较高的速度从室内冲出来,使得室外燃烧器的火焰偏离幕墙面。几分钟后,当温差和压力趋于平衡时,室外燃烧器的火焰基本回复正常,稍稍外偏;  8分20秒:开口处上部横梁中间的硅胶开始燃烧;  9分钟:单片玻璃内侧发现有冷凝水下淌;  11分40秒:在开口附近的火焰高度超过开口处上部横梁大约300mm左右;  14分25秒:开口处上部横梁的铝合金开始熔化,并滴落下来,铝合金的熔化温度是660°C;  14分50秒:在开口附近的火焰高度已超过开口处上部横梁大约600mm左右;  16分钟:火焰高度已达到单片玻璃的顶部;  18分10秒:在水平方向,火焰向外延伸到离外墙面大约450mm左右;  21分钟:开口处上部横梁的铝合金大约有500mm长已熔化掉了;  28分45秒:由于最中部铝合金立柱(防火棉以下部分)已熔化,下面一根保温棉横保持架的连接失效,造成此保持架悬空挂在那里,失去作为保持架的作用;

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  30分钟:在二楼观察室中发现幕墙发生变形,中部水平方向朝外变形了3mm;  46分钟:在二楼观察室中水平防火带表面中部出现连续不断的烟雾;  52分钟:6.4mm厚单层玻璃开始软化并向外拱起,玻璃的熔化温度是821°C;作为背板的镀锌钢板和防火保温棉看起来完好;  62分钟~ 72分钟:6.4mm厚单层玻璃继续软化、下垂、熔化并滴落下来;  75分钟:在二楼观察室中观察幕墙中部水平方向朝外变形没有增加;  120分钟:燃烧器熄火。  熄火以后观察和分析:  1) 120分钟内燃烧没有蔓延到上一层。  2) 防火棉看起来完好无损,在水平防火带防火棉的下部与镀锌钢板背板的交界处,发现一条约12mm宽的缝隙,缝隙的走向沿着背板变形的形状。从背板传递过来的大量热量烧烤防火棉侧面接触面,经压缩后的防火棉其扩张性能可能受到影响。防火棉底部经长时间的高温燃烧已变硬和发脆。正是由于防火棉以33 %压缩率填充,缝隙没能贯穿100mm高的防火棉,阻挡了火焰向上蔓延。  3) 在防火棉上方覆盖的这层防烟层,大部分仍保持了其柔韧性,说明防火棉上侧的温度值大部分在防烟层工作温度范围内。在靠近背板附近因受到高温影响有部分已脱裂开,形成烟雾上升通道(图12)。由于这层防烟层伸缩性为50%,基本上保证了与周围材料的有效密封。  4) 镀锌钢板背板在燃烧中被烧得通红,背板的受热不匀造成一定程度的翘曲,但其翘曲程度明显受到背板加强筋的制约。由于这个加强筋不仅仅固定在立柱上,还直接固定在背板上,使得防火棉附近的背板变形量保持在最小。(图11,图13)

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  5) 开口处上部的铝合金横梁基本上都熔化掉了,最中部的铝合金立柱(在水平防火棉以下部分)也熔化掉了,其他地方的铝合金结构基本保持完整(图14)。固定在这些已受损铝合金结构上的部件,如背板、防火保温棉、玻璃等,其稳固性和功能性会受到影响。

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  6) 窗间墙部分的75mm厚半硬式防火保温棉在背板加强筋以上部分基本上完整。由于下面一根保温棉横保持架的一端连接失效,防火保温棉产生倾斜,下方的防火保温棉直接暴露在火中燃烧,部分被烧脱下来,使得背板下方正反二面都受到火焰的攻击。  7)  在2小时燃烧中,上层中空玻璃完好无损,下层单层玻璃部分熔化,未产生破裂现象。注意到为什么开口处上部横梁都熔化掉了,但单层玻璃不掉下来呢?这是一个半隐框系统,玻璃四周全部用结构硅胶,由于定位玻璃的EPDM橡胶块已失效,所以应该是结构硅胶在起作用。  结构硅胶在高温下到底起多大作用?这个问题有待研究,在这个试验中至少还能保持住单层玻璃2个小时。窗间墙玻璃的破碎和脱落对幕墙防火系统虽然不是太重要,但是也起到一些正面作用,它保护了后面的防火保温棉不直接遭受火焰的攻击,这个防火保温棉保持时间越长,对室外侧火焰的防火就越好。  我们将这次试验同不久前的另一次相似试验相对比,总体结果相当相似,也是以成功告终。但前一次试验玻璃的运气不如这次好,在27分钟时,上层楼面其中一块中空玻璃的外片破裂;在72分钟时,上层另一块中空玻璃的外片破裂。幸运的是,这二块中空玻璃的内片自始至终没有破碎。究其原因,我们推测第一块外片玻璃破裂得早与玻璃边缘缺陷有关。要知道,这些玻璃是玻璃公司在流水线上以标准生产程序切割和磨边的,按要求,磨边量为1.5mm(图15),有误差和缺陷是难免的。

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  8) 从二楼观察室中发现,密封硅胶呈黑色,外表看起来还不错,部分硅胶与连接件已分开了(图16)。一楼燃烧室内部背板周围的密封硅胶均已烧成白色的焦状物。(图17)  9) 本试验中,在燃烧室的幕墙部分,没有采取任何隔热等措施以延缓热量从幕墙系统内部向上层传递。事实上,上层楼面幕墙内侧金属表面的温度已超过500度,超过了表面喷漆的工作温度范围,可能会产生化学物质的分解。同时也有相当数量的气体和烟雾进入上层楼面,足以使人能在数分钟内昏倒,达不到能维持生命的水平。

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  八. 幕墙防火设计要点  通过对防火试验的研究,以及近几年幕墙设计中对防火要求、防火材料和防火系统不断的探索和实践,我们基本上掌握了幕墙建筑周边水平防火带和幕墙系统防火构造的设计要领。当然随着防火要求、防火材料性能的不断提高,还需要作进一步的研究。本文中对幕墙构造的描述主要基于单元式幕墙系统,其它幕墙系统可以参考它的设计原则和思路作相似的安排。由于单元式幕墙制作和安装质量易于控制,在防火方面,它与框架式幕墙相比优势是明显的。  建筑幕墙防火设计的原则是有效、可靠、制作安装方便,并且不增加太多成本。优秀的单元式幕墙系统完全可以达到这些要求。建筑师和土建结构师应该了解和懂得如何利用幕墙防火构造来满足建筑物周边防火要求。这里,一个土建结构细节值得提一下。在北美绝大部分建筑物幕墙预埋件安排在楼层表面部分,而国内大部分安排在梁或楼板的侧面。先不说前者对幕墙安装、调节、定位等带来很多好处与方便。从防火角度看,幕墙与主结构的承载连接件安排在靠近楼面位置,便于防火棉和防烟层的施工,有利于防火棉更有效地保护这个连接件,使它不过早失效。  建筑物燃烧产生的温度高低,与燃烧材料、通风状态等有关,研究资料表明,温度的峰值可达到1200°C。幕墙系统本身并没有很多易燃性材料,但大部分材料抗燃烧性都不强。幕墙常用金属材料的熔点温度见表3,常用非金属材料的关键温度点见表4。

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  注:表中数据为大致范围,谨供参考;部分数据来自Plast-O-Matic: Plastic body materials.  *工作温度上限与所要求的暴露时间有关。  **450°C出自于Handbook of Physical and Mechanical Testing of Paper and Paperboard Volume 2; Edited by Richard Mark。国内消防资料为130°C。  ***407°C出自于German marine insurers.国内消防资料为150°C。  图18 是典型的单元式幕墙防火构造,下面我们来详细分析幕墙防火设计要点。  1) 玻璃:从防火试验结果可以认识到,上层可视玻璃的完整性对防止火焰上窜很重要,而窗间墙非可视玻璃容易破碎和熔化,对整个防火体系的影响并不大,尽管形式上它跨越了二个防火分区。  从上节 [试验观察和分析] 中谈到,玻璃生产过程中切割和磨边对玻璃破碎的影响。为延缓和防止上层可视玻璃破碎,必须要考虑防止玻璃温升过快、过高的措施,横料下的防火保温棉3)就是起这个作用。  目前随着对节能要求的提高,越来越多的窗间墙非可视部分采用中空玻璃,这对延缓玻璃破碎是有利的。  2) 单元式幕墙水平插口:这里是上下二个单元的结合点,单元式构造的特点使上下二个单元金属不直接接触,延缓了上面单元的温升,降低了窗台板温度升高速度。这一点比框架式幕墙系统要优越。  3) 横料下防火保温棉:这里的防火保温棉厚度根据建筑物和幕墙系统具体情况具体设计,能够保证50mm以上最好,至少要有25mm(图19)。  4) 防火保温棉:工程上我们常用保温棉、防火棉、防火保温棉等名词,这样的表达是以材料用途和功能来划分的,与材料本身的组成和成分无关。在幕墙工程中有时这三者采用的是相同材料。例如防火墙外侧保温棉,可以用岩棉或玻璃棉;无混凝土窗间墙的幕墙,中间的保温棉须起到防火作用,可选用岩棉、矿渣棉,称之为防火保温棉;防火棉同样采用岩棉和矿渣棉,只不过使用中并不关心其保温功能而已。  不少人在谈到岩棉、矿棉等材料时,到底有什么关系不是很清楚。比较权威的机构—北美保温棉制造协会(NAIMA)是这样定义的:岩棉(Rock Wool)和矿渣棉(Slag Wool)基本上是用相同的原材料,相同的生产过程制成的,不同的是其原材料组成成分的比例不同。一般而言,岩棉中至少有70% ~75%是天然岩石,如玄武岩(Basalt)或辉绿岩(Diabase),剩下的是矿渣(铁矿石矿渣);而矿渣棉中采用70%左右矿渣,其它的是天然岩石。它们都是采用高温熔炉吹丝加压法制作而成。中间可以采用粘合剂,也可以不用粘合剂,依产品而定。粘合剂有无机、有机二种,有机粘合剂无论在防火、防霉、防菌方面都不如无机粘合剂。粘合剂一般在温度超过250°C时气化失效,但并不影响岩棉和矿渣棉制品的完整性,这归功于材料的内聚性和其特殊的层状构造。只要此时没有任何载荷使它变形,它就不会脱落。

幕墙建筑防火设计

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  以相同生产过程制成的岩棉和矿渣棉制品,它们所具有的各方面性能是非常相似的。  ISO 9229 (Thermal Insulation) 和GB4132 《绝热材料名词术语》中,矿棉(Mineral Wool)包括岩棉、矿渣棉、玻璃棉等。由于玻璃棉熔点过低,目前许多国家不鼓励或禁止幕墙上使用玻璃棉。  目前市场上用于幕墙最物美价廉的防火保温棉,当属采用玄武岩和矿渣制成的岩棉和矿渣棉。这些制品加工成不同的密度,最常用的有密度为64 Kg/m3,这也是不少工程的最低要求。幕墙公司会采用价格低、密度低的防火保温棉,尽管产品包装标志有传热阻R值或传热系数K值,而业主和建筑师往往担心低密度保温棉的保温性能,要求采用密度更高的保温棉,如96 Kg/m3 、128 Kg/m3等。加拿大学者在《矿棉保温棉的对流热损失》研究中指出,这种担心是没必要的,甚至在-35°C低温,低密度保温棉也没有发现对流热损失。  采用无机粘合剂的岩棉和矿渣棉具有良好的防火、防锈、防霉、防菌、不吸水和排水性强等功能。它们在受潮以后保温性能有所下降,但是由于其非常低的吸湿率(<0.1%),当水分挥发以后,保温性能又能复原。并且这种循环过程一般不会破坏保温棉的完整性。保温棉中没有有机物质,就不易生霉和生菌。现代工程中绝大部分将保温棉直接暴露在窗间墙玻璃内侧与室外相通的环境中,很少用贴箔保温棉(主要是价格问题),就是由于上述优点。  保温棉切割和安装质量控制很重要。保温棉四周间隙过大,保温棉之间对接不紧密,保温棉切割角度偏差太大,都直接影响到幕墙整体保温性能。实验数据表明,保温棉中空隙占3%,热阻减小2%-5%;空隙占6%,热阻减小20%-36%[20]。保温棉厚度根据环境、规范要求通过传热分析计算而定。保温棉厚度越大,保温性能和防火性能越好。例如在美国加拿大边境地区,保温棉厚度一般在100mm-150mm之间。  防火保温棉的可靠固定是防火关键之一。火灾时,铝合金骨架被熔化,玻璃熔化或破裂,如果防火保温棉能经受住室外侧火势的攻击而不塌落下来,就能保护幕墙与主结构的  承载连接件免受高温的影响,就能保护上层的铝合金和玻璃。

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  防火保温棉必须采用机械式固定方式牢牢地固定在镀锌钢板背板上。图20中,防火保温棉先用胶水粘在背板上,再用镀锌钢板保持架压在防火保温棉的表面,保持架二头用不锈钢螺钉固定在立柱上,保持架间距大约在400mm-600mm之间,距离边框不超过250mm。采用胶水的目的是防止在负压下防火保温棉对保持架施加太大的压力。图21,图22采用的是焊接钉,钉子间距为300mm,距离边框不超过150mm。它是一种非常有效的固定方式,只是要注意选用适当厚度的背板。不允许采用图23 粘结钉固定方式,粘结钉随着时间粘性失效,可能大大影响保温性能,火灾中可能整片很快脱落。  安装完防火保温棉,要用吸尘器将保温棉碎屑吸干净,以免堵塞通气孔和排水孔。保证防火保温棉与玻璃之间至少有25mm以上的空间用于保温通气之用。  5) 单元式立柱接缝防烟封堵:在结构楼面以上部分,可以采用密封胶将这个接缝封住,减少幕墙内部的烟雾进入上层楼面(图29)。  6) 承载连接件:将幕墙系统连接到主结构上,是主要承载构件。无论它的材料是钢材还是铝合金,随着温度的升高,在远远低于材料的熔点温度下,其承载能力已大大降低。所以保护承载连接件的承载能力是防火的主要措施之一。  7) 防烟层(Smoke Seal 或Smoke Barrier): 在国内常被称作防火防烟层,用于协助控制热气和烟雾(冷烟和热烟)的渗透,实际上它的主要功能就是防烟。热烟(或热气)的温度还不能太高,否则可能使这个防烟层失去弹性和粘结性。  防烟材料要求具备二个基本功能。一是它应该具有较好的弹性,即它能够吸收所填充空间的变位;二是它对金属、铝合金内表面喷涂涂料、混凝土等具有非常好的粘结性能。  防烟层必须布置在背火面。因为它的工作温度范围一般不超过160°C。  在烟雾渗透方面,由(无贴箔)岩棉或矿渣棉组成的防火带,其防烟功能是不怎么理想的,甚至有的专家称它是不防烟的。  目前常用的防烟材料有二种:贴箔岩棉或矿渣棉;丙烯类涂料或硅类涂料。图24为采用防烟涂料的工程实况。这里,根据一些公开的数据我们粗略比较一下这二种产品。有实验数据称,无贴箔防火棉比有贴箔防火棉组成的防烟层(贴箔面与周边留3mm空隙,用防火胶填充),烟雾穿透量要高出304倍[21]。根据ASTM E96和 ASTM F-1249 标准测试方法,大部分贴箔防火棉的烟雾穿透量Perms=0.02[22],则无贴箔防火棉的Perms=6.08;当采用防烟涂料时,它的Perms=0.3[23],(涂料厚度是2mm),即防烟涂料的防烟性能比无贴箔防火棉要高20倍。Perms的单位是Grains/ (hr.×ft2 × inch-Hg), 国际单位是g/ (hr.× m2 × mm-Hg):Grains: 美国用作重量单位;hr.:小时;ft:英尺;inch-Hg:英尺水银柱高;g: 克;mm-Hg:mm水银柱高。当Perms<1时认为具有较好的防烟效果。

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 防烟层的施工应根据产品的要求进行。防烟涂料厚度一般在3mm到12mm之间,也有要求至少在12mm以上。并且要求涂料往混凝土结构和幕墙内部二侧各延伸12mm,见图25。如果采用贴箔防火棉,周边要用防火胶填充。  谈到防火胶,就要说一下一些人对防火胶认识的误区。市场上很多标以“阻燃密封胶”“ 阻燃防火胶”的产品并不防火,实质上是防烟胶。它们与上述防烟涂料所使用的材料相似,一般为有机材料,其工作温度范围大多不超过160°C。产品上标示的2小时、3小时防火时间均是在特定试验环境下取得的,例如与本文介绍的防火试验相似的特定试验环境。防火胶、防烟涂料只是整个试验体系的一部份,离开了这个试验体系,这个特定试验环境,正如ASTM E2307所强调的,单个产品在其它不同场合应用是不被认可的。举个例子,不少工程图纸将图25的100mm防火棉标以“1小时防火棉”是不准确的,如果这个防火系统采用ASTM E2307特定试验环境,防火时间是1小时,不等于单个产品100mm防火棉能达到1小时。图26 中,受火面采用防火密封胶尽管没坏处,与普通密封硅胶相比,其对防火作用也大不到哪里。  根据ASTM E814,“Fire Tests of Through Penetration Fire Stops”中对防火级别的分类,除了上述的F级和T级外,还有一个L 级就是用来衡量防火胶、防烟涂料对热气和烟雾的渗透性能。  有的工程在背火面采用镀锌钢板或铝板进行封堵,考虑到金属在高温下容易变形,防烟效果可能受到影响。  8) 背板加强筋:一般采用厚度为1.2mm以上的镀锌钢板,冷弯加工成适当的形状,如T型、L型、几字型等,用不锈钢螺钉将二端固定到立柱上,同时也固定到背板上。螺钉必须用硅胶密封,以防止漏水和漏气。  因为防火棉以25%-33%(或以上)的压缩率填充,所以在防火棉前面设置一根背板加强筋,用于承受防火棉传递过来的水平力,减少背板变形。从防火试验结果和工程实践证实,背板加强筋在防火方面起着不可忽视的作用。一根或数根(根据背板的大小)背板加强筋大大约束了背板的变形能力,减小了水平防火带出现空隙的可能性。  9) 防火棉:首先,一定要选用国家有关专业机构认定的产品。  最常采用的是岩棉和矿渣棉。与防火保温棉要求有所不同的是,一是它的厚度不得小于100mm,当然越厚越好;二是它的实际密度(有的产品名义密度和实际密度不同)在100 Kg/m3以上。密度越高,压缩后弹性越好,有利于封堵缝隙,这也是部分建筑师要求高密度防火棉的理由之一。  防火棉采用以25%-33%(或以上)的压缩率密实填充幕墙内侧与建筑物楼板之间的空隙。以25%为例,要达到实际密度在100 Kg/m3以上,选用防火棉的密度至少为75 Kg/m3。防火棉的压缩力大致为表5所示。

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  防火棉应采用机械式固定形式可靠地固定在主结构上,如图18中Z形支承片14)。防火棉被压缩后,产生的摩擦力一般足以克服防火棉的自重,采用双重固定方式出自于长远考虑。在建筑物整个生命周期中有无数次热胀冷缩、荷载变化,包括地震等,防火棉所填充的空间宽度也随之而变化。防火棉被压缩几十年后它的反弹能力还有多强也是一个不确定议题。从防火试验结果来看,经燃烧后的防火棉反弹能力确实有所下降。所以仅仅依靠摩擦力支持防火棉感觉上不是很踏实的。  布置防火棉既要考虑到它是具有防火等级的楼板的延续部分,考虑到它与幕墙中防火保温棉共同构成可靠、无缝隙的防火隔离带,同时也要考虑到它对幕墙主结构及其承载连接件的直接保护作用。  从防火试验结果知道,整个防火系统中铝合金立柱部分是一个簿弱环节。铝合金熔点低,横料短时间内被熔化,立柱随着时间逐步熔化,越上面部分所需时间越长;燃烧室内侧对立柱传热保护越好,立柱熔化所需时间也越长。而镀锌钢板背板不容易熔化掉。熔化掉的立柱有可能穿透防火棉的厚度,从而绕过防火棉形成一个高温气流的走火通道。所以,防火棉尽可能布置在高一点的位置更有利于防止火势向上蔓延。  防火棉宜直接布置在幕墙与主体结构连接件的下方。一旦防火保温棉被烧脱,它可以阻挡从背板传过来的部分热量,保护承载连接件的承载能力。如果此承载连接件的材料是结构钢,抗高温能力强些;目前大部分幕墙(尤其单元式)承载连接件采用铝合金6063-T6或6061-T6,高温下很快失去承载能力。如果直接布置在承载连接件下方有困难,需在它的下方和侧面布置足够厚度的防火棉将它包起来。  压缩防火棉有一定的防烟效果,但满足不了现代工程的更高要求,需要另外的防烟材料和措施。防火棉也是一种非常不错的隔音材料。防火棉的布置应考虑到下道工序即防烟层是否容易施工。

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  建筑物情况不同,防火棉的布置也各不相同,我们来分析一下图26的几种常见情况。  图(a)是普遍公认和常用的一种标准防火构造(ASTM E2307标准测试方法采用这种构造),它具有可靠、有效、施工方便等优点。当承载连接件在侧面时,为保护承载连接件将防火棉直接放在它的下方,如图(b)所示,下托的镀锌钢板在燃烧中会产生变形,但只要与混凝土连接可靠,加上防火棉压缩产生的摩擦力,防火棉掉下来的可能性不大。只是防烟层施工有点困难。  图(c)中防火棉不可能被紧密压缩,当下托镀锌钢板在燃烧中变形,防火棉中可能会形成空隙,易产生走火通道;且由于防火棉位置过低,大火可以在几十分钟内烧穿铝合金立柱,绕过防火棉进入上层。这种情况防烟层要另想办法布置。图(d) 结构形式防火施工要困难些,它几乎采用了三层防火,成本比较大。防火板常用防火石膏板、硅酸钙板、硅酸铝板等。  10) 保温棉保持架:材料为镀锌钢板,冷弯加工成槽形,直接用不锈钢螺钉将二端固定到立柱上。刚度越大越好,但要注意,在单元拼装过程中,它与背板一样,对框架的直角度产生很大的影响。  11) 幕墙立柱隔温层:铝合金熔点只有660度,处于混凝土楼板底或梁底以下部分的立柱易熔化。为减缓立柱温度升高,隔离火苗,采用将保温材料固定在铝合金立柱内侧表面。用螺钉等机械方式固定在立柱上,千万不能固定在背板上,否则会破坏幕墙的气密性,导致漏气漏水。  保温材料可采用防火石膏板、硅酸钙板、硅酸铝板等,或者用岩棉和矿渣棉。此隔温层高度到混凝土楼板底或梁底以下即可,再往上现场施工有困难。图27为工程实例。

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  12) 石膏板装饰:楼层面以上不一定要用防火石膏板,普通石膏板也可以。它主要起三个作用,一.作为内装饰面;二.隔音;三.隔热。石膏板厚度不小于12mm,背面用轻钢龙骨支撑。一般来说,轻钢龙骨和石膏板装饰不属于幕墙公司的合同范围,但幕墙公司必须明确,其它公司在固定轻钢龙骨时,不能用螺钉直接固定在背板上。图28所示的轻钢龙骨是在幕墙公司工厂中预先装配的,在幕墙内部的螺钉尖头均用硅胶密封。  石膏板与幕墙背面的距离宜正好跨过水平防火带。这样做既能保护水平防火带及防烟层,最大程度利用建筑面积,亦可减少上层楼面易燃物品如纸张、棉织品等由于温度上升引起自燃。同时也减少烟雾的扩散。  13) 防火泡沫填充:不少建筑师提出这个要求是从隔音角度考虑的,特别是高层住宅建筑,家庭隐私要求比较高。幕墙立柱一般跨层安装,中部是中空的,不但隔音差,而且防火、防烟也差。所以选用填充物时不要用普通隔音泡沫,要用防火泡沫填充。  防火泡沫材料与前面讲的防烟涂料基本情况相似,名义上防火,实质上起防烟的作用。它的工作温度上限只在100多度左右。  对于单元式幕墙,防火泡沫填充只能在工地现场进行。工厂事先在立柱内腔安装好金属托架(铝合金或镀锌钢板),加工好泡沫填充孔。工地上注射完防火泡沫后,用密封胶或金属薄片将填充孔封住。

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  泡沫填充的位置宜在水平防火带附近,但以现场施工方便为主,它的位置往下偏一些没有太大问题。图29为工程实例。  14) 防火棉Z形支承片:采用厚度不小于1.5mm镀锌钢板,间距为600mm左右,用钢钉固定在混凝土结构上,图30为常用形状。‘

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  15) 背板:镀锌钢板背板的厚度不应小于0.86mm,当采用焊接钉时,厚度宜大于1.0mm,否则容易烧穿。背板其实是个受力构件,如果背板  太薄,或固定背板螺钉太稀,或加强筋不够的话,三性试验中可以看到,在压差下背板会产生变形,这不利于气密性。根据雨屏原理,设置背板的目的就是为了气密性。背板宜设置在防火保温棉的后面,而不是在防火保温棉的前面,这主要考虑到金属热传导性,更有利于保温节能。  固定背板螺钉采用不锈钢,四边都要固定。螺钉离角的距离不要超过50mm,螺钉间距300mm左右。所有螺钉头或尖头需用硅胶密封。  背板上一定要设置几根加强筋来增加背板的刚性,受热时使它的变形降低到最小程度。  最后增加二点注意事项,它们不在图18中列出。  16) 五金件:幕墙上一般多采用不锈钢和合金铝螺钉,有时采用铝铆钉。当采用铝螺钉、铝铆钉固定面板(石材、金属板、玻璃等)时,要考虑到它是否是关键承重件,它所处的位置是否在火灾时易被火攻击,而导致面板脱落。  17) 立柱受压型幕墙单元:绝大部分幕墙立柱都设计成受拉杆件,承重连接件靠近立柱上方。但有时候局部不得不设计成受压型,即承重连接件靠近底部,或直接坐在下面单元上,这时上面的水平承载件设计时要考虑到,万一下面承重件由于温度升高失去承载能力时,不至于造成整个幕墙单元塌落。图31 是二个例子,经常会看到幕墙施工图上类似右边不正确的设计节点。

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  结束语    幕墙防火设计要点>的归纳,是建立在大量试验和工程实践的基础上总结得到的。虽然不能包罗万象,但对幕墙工程设计和施工具有一定的指导意义。  由于建筑物形状、形式众多,幕墙设计千变万化,上述设计要点有时不可能全部采用。深刻领会和理解幕墙建筑物周边水平防火带作为被动防火措施,围堵火势蔓延的作用,对幕墙防火设计的意义重大。上述大部分防火设计要点应该能够体现到工程上,有些是必须及强制性的。有利的一面是,防火设计与防水、气密性、保温、隔音和防腐设计等不但没有冲突,而且是相辅相成的,这样不至于会增加太大成本。  随着国家对保温节能性能要求的不断提高,幕墙系统越来越多地采用非金属隔热材料,如聚酰胺尼龙隔热条等,安全性能包括防火安全应该放在首位。这应该是建筑师、幕墙顾问及幕墙设计师共同的责任。


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