幕墙建筑防火设计及试验分析

幕墙建筑防火设计及试验分析上海“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FirstInterstateBank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OneMeridianPlaza，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LaSalleBank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。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（PassiveFireProtection）,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（ActiveFireProtection）。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（BuildingPerimeterFireBarrier）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(LeapFrogEffect)、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》GB50045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GB50045所要求的耐火时间。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(AmericanSocietyforTestingandMaterials)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：ASTME2307“StandardTestMethodforDeterminingFireResistanceofPerimeterFireBarriersUsingIntermediate-scale,Multi-storyTestApparatus”。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。ASTME119“StandardTestMethodsforFireTestsofBuildingConstructionandMaterials”。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。ASTME1399“StandardTestMethodforCyclingMovementandMeasuringtheMinimumandMaximumJointWidthsofArchitecturalJointSystem”。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。ASTME1966“StandardTestMethodforFire-ResistiveJointSystem”。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。ASTME84“StandardTestMethodforSurfaceBurningCharacteristicsofBuildingMaterial”。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ASTME2307进行。ASTME2307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ASTME2307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128kg/m3）。地面和