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1、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与设计缺陷，火势从外墙与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
2、火势从13层外墙与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层与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铝型材、硅胶、玻璃等材料组成。及传统意义
3、上具有防火等级防火门防火墙相比，并不具有等级概念防火性能。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）与遏制（Suppression）措施。围堵手段属于被动防火类（Passive Fire Protection）, 指是利用适当建筑材料与建筑构造将火势控制在局部，延缓火势蔓延。幕墙系统防火设计就是采用被动防火理念，将具有防火等级建筑物楼板及没有防火等级幕墙系统，中间用及建筑物楼板相同防火等级水平防火带结合在一起，形成一个完整防火体系，共同抵御火势、烟雾与有毒气体扩散。即采用围堵手段来加强建筑物结构与人员防火
4、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，也就是说不能忽视与消弱建筑物及幕墙系统防火围堵设计。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，具有较高可靠性防火围堵构造成为抑制火势关键。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
5、 Perimeter Fire Barrier）指是在幕墙内侧及建筑物楼板之间空隙中，建立及建筑物楼板具有相同防火等级水平防火带，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、温差等因素引起变位，还要考虑到起火情况下周围材料破碎、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与防火材料相结合，一起抵抗来自建筑物内部与外部火势攻击，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防火与阻燃性能，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
6、实体裙墙，其主要防火构件-防火保温棉选择与固定，镀锌铁板背板防变形能力设计，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。防火同时还必须考虑到防烟，组成一条完整防火防烟带，争取更多时间，挽救更多生命。 二. 幕墙建筑火势向上蔓延机理当建筑物室内起火，燃烧产生火焰、热、气与烟雾。起初阶段热气流上升，形成温差与压差，使周围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。这样空气循环过程会不会由于室内氧气耗尽而终止呢？理论上是这样，但现实中这样情况很少发生。燃烧室内部各处压差是不同，且是动态变化。室外与下面楼层空气通过幕墙中间隙与
7、楼板缝隙（如管道、楼梯间等）吸进室内。气密性好幕墙可以延缓这个阶段火势扩大。随着室内温度不断提高，室内外压差也在不断增加。普通玻璃（非防火玻璃）在火焰不断冲击下，往往会在15分钟内破碎。大量热量与烟雾瞬间冲出室外，导致破碎窗口室内侧温度下降几百度。同时大量空气进入室内参及燃烧，通过缺口常常将燃烧引到室外，形成对玻璃幕墙内外夹攻。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可能性。如果由于窗间墙处防火材料或构造上缺陷造成防火系统提早失效，就有可能形成所谓焰卷效应。跟据美国对高层幕墙建筑火灾研究统计资料，约有百分之十火势是通过室外侧向上蔓延。这是第一种火势向上蔓延方式。第二种火
8、势向上蔓延方式：混凝土楼板一般用于分隔防火分区， 它应该具有一定防火级别。根据高层民用建筑设计防火规范 GB 50045 表3.0.2 中规定，耐火等级为一级建筑物楼板耐火时间为1.5 个小时，耐火等级为二级建筑物楼板耐火时间为1.0 个小时。在混凝土楼板外侧及幕墙内侧之间存在一个空隙。空隙大小及既及建筑设计与幕墙铝合金系统大小有关，也及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、地震等引起建筑物变形。这个空隙应该视为混凝土楼板延伸，防火设计中它应该可靠地填满防火棉，设计合理周边水平防火带必须能够经受
9、住防火规范GB 50045所要求耐火时间。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与镀锌铁板背板变形，五金连接件、承重支撑构件松动。如果防火棉、防烟层不能有效地补偿这个变位。火焰与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方式是通过热量传递方式进行。热量传递方式有传导、对流与辐射。幕墙系统铝合金立柱是非常好传热载体，而且立柱往往是跨越二个不同防火分区，火源层热量能通过立柱向上层传递。幕墙这种构造形式决定了它很难被界定为具有等级概念“防火幕墙”。在短时间内上层楼面铝合金表面温度会高于纸张自燃点。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
10、烟有好处，但增加了空气流动，也增加了氧气供给。辐射是温度较高物体以能量波方式向温度较低物体传热一种方式。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，火势就以这样方式向上发展。三. 烟雾与有毒气体在建筑物防火措施中，防止烟雾扩散是非常重要一环。研究资料表明，高层建筑火灾造成人员死亡，75 % 以上是由于烟雾所引起。现代建筑装饰材料、家具与日用品含有大量易燃、有害化学物质，燃烧后分解产生可见与不可见烟雾，能短时间内造成人员昏迷与死亡。烟
11、雾扩散速度取决于空气流动、上浮效应、热气流膨胀与自然风。而且它扩散速度会远远快于火焰向周围扩散速度。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与研究，颁布了一些试验规程与规范。但在幕墙防烟方面还有许多工作要做。例如，如何控制烟与有害气体渗透；如何测量以及应限制在怎样一个范围内；另外如何能降低上层楼面铝合金表面温度升高，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，及幕墙材料与防
12、火有关试验标准主要有：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”。建筑结构与材料防火标准测试方法：定义了标
13、准“时间-温度曲线”。此测试方法主要针对具有防火等级建筑结构与材料，不包括没有防火等级幕墙，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” 。建筑构造缝隙周期性运动及其最小最大宽度测量标准测试方法。ASTM E1966 “Standard Test Method for Fire-Resistive Joint System”。防火构造缝隙标准
14、测试方法。此标准要求所测试楼板与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标准测试方法。可用于评定建筑材料燃烧蔓延性能与烟雾产生性能。本文介绍防火试验主要根据ASTM E2307进行。ASTM E2307是近几年颁布标准。它专门用于测试幕墙建筑物周边水平防火带耐火性能，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能力。试验是在室内可控制环境下进行，没有考虑实际情况中风与周围环境影
15、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温度升高情况，观察幕墙结构变形脱落等对水平防火带影响，观察水平防火带防火表现（是否产生变形、开裂、缝隙、火焰与热气流渗透等），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与有毒气体，没有限制上层观察室温度升高值，也没有对上层观察室烟雾与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实际变化情况。这种运动既有水平方向，也有垂直方向。例如重力与风载下铝合金构件变形，楼面活载荷产生楼板变形，层间位移，热胀冷缩与地震
16、等。根据试验性质与要求，试验评定标准采用ASTM E2307中有关防火层耐火等级规定。防火层耐火等级分二种：F级与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火焰与热气流足以点燃棉纱布时，被记录下来时间，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耐火等级，就是确定燃烧穿透防火层引起另一侧起火时间。下文描述实验即以F级 2.0小时为评判标准。T级 ：被保护一侧任何一点温度上升了181C；或被保护一侧平均温度上升了139C，被记录下来时间，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耐火等级，就是确定由于热量传递，引起防火层另一
17、侧温度升高到限值时间。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 为它侧面图，图4 为燃烧室平面图。前方为被测试幕墙，其它三面均为防火时间为4小时防火混凝土砖墙。下层燃烧室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）。地面与底层幕墙背面铺设二层同样型号防火石膏板。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 mm1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
18、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
19、值，取其平均值来控制燃烧器天然气流量，从而达到控制燃烧室温度。前30分钟温度控制值根据表1进行，30分钟到45分钟大致保持在898C左右，45分钟到120分钟参照表2，即根据ASTM E119标准时间-温度曲线（图5）。在标准时间-温度曲线中，小虚线为美国ASTM E119与加拿大标准，大虚线为ISO834标准，亦同英国与德国标准。二者差别不是很大。测量温度热电偶，在燃烧室内布置12个，其中5个用于控制燃烧室内温度，其他7个用于测试水平防火带下侧与幕墙内侧温度。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
20、，用于测试幕墙系统变形情况。六. 幕墙构造介绍幕墙结构采用铝合金6063-T6,及楼板连接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1177C），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1.2
21、mm镀锌冷弯钢板加工而成背板加强筋，通过M5不锈钢螺钉固定到背板与立柱上。底层幕墙室内侧采用二层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。楼板边缘及幕墙立柱之间缝隙为150mm，由于背板不及铝合金立柱内侧面平齐，所以楼板边缘及背板之间缝隙为160mm。整个水平缝隙中填满100 mm厚半硬式防火棉，防火棉及保温棉是相同材料，密度64 kg/m3，熔点温度为1177C，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，固化以后表面基本及结
22、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、加工工艺等及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审核与监督。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。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。七. 试验观察与分析室内燃烧器点燃后2分钟，从室外看，有烟雾开
23、始从窗间墙幕墙下部出现。应该是玻璃嵌条EPDM橡胶条与玻璃下EPDM橡胶垫块引起；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400C左右。铝合金材料在温度达到250C 300C时承载能力开始下降，（碳钢在温度达到375C 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。可能是从防火棉与防烟材料中散发出来；5分钟：室外燃烧器点燃；6分钟：室内燃烧器所产生热气流在室内压力作用下，从开口处以较高速度从室内冲出来，使得室外燃烧器火焰偏
24、离幕墙面。几分钟后，当温差与压力趋于平衡时，室外燃烧器火焰基本回复正常，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：开口处上部横梁铝合金开始熔化，并滴落下来，铝合金熔化温度是660C；14分50秒：在开口附近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
25、部分）已熔化，下面一根保温棉横保持架连接失效，造成此保持架悬空挂在那里，失去作为保持架作用；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烟雾；52分钟：6.4mm厚单层玻璃开始软化并向外拱起，玻璃熔化温度是821C；作为背板镀锌钢板与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。熄火以后观察与分析：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
26、棉下部及镀锌钢板背板交界处，发现一条约12mm宽缝隙，缝隙走向沿着背板变形形状。从背板传递过来大量热量烧烤防火棉侧面接触面，经压缩后防火棉其扩张性能可能受到影响。 防火棉底部经长时间高温燃烧已变硬与发脆。正是由于防火棉以33 %压缩率填充，缝隙没能贯穿100mm高防火棉，阻挡了火焰向上蔓延。3) 在防火棉上方覆盖这层防烟层，大部分仍保持了其柔韧性，说明防火棉上侧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%，基本上保证了及周围材料有效密封。4) 镀锌钢板背板在燃烧中被烧得通红，背板受热不匀造成一定程度翘曲
27、，但其翘曲程度明显受到背板加强筋制约。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，使得防火棉附近背板变形量保持在最小。（图11，图13）5) 开口处上部铝合金横梁基本上都熔化掉了，最中部铝合金立柱（在水平防火棉以下部分）也熔化掉了，其他地方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部件，如背板、防火保温棉、玻璃等，其稳固性与功能性会受到影响。6) 窗间墙部分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一端连接失效，防火保温棉产生倾斜，下方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攻击。7)
28、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。窗间墙玻璃破碎与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，它保护了后面防火保温棉不直接遭受火焰攻击，这个防火保温棉保持时间越长，对室外侧火焰防火就越好。我们将这次试验同不久前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。但前一次试验玻璃运
29、气不如这次好，在27分钟时，上层楼面其中一块中空玻璃外片破裂；在72分钟时，上层另一块中空玻璃外片破裂。幸运是，这二块中空玻璃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及玻璃边缘缺陷有关。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与磨边，按要求，磨边量为1.5mm（图15），有误差与缺陷是难免。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，部分硅胶及连接件已分开了（图16）。一楼燃烧室内部背板周围密封硅胶均已烧成白色焦状物。(图17）9) 本试验中，在燃烧室幕墙部分，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
30、金属表面温度已超过500度，超过了表面喷漆工作温度范围，可能会产生化学物质分解。同时也有相当数量气体与烟雾进入上层楼面，足以使人能在数分钟内昏倒，达不到能维持生命水平。八. 幕墙防火设计要点通过对防火试验研究，以及近几年幕墙设计中对防火要求、防火材料与防火系统不断探索与实践，我们基本上掌握了幕墙建筑周边水平防火带与幕墙系统防火构造设计要领。当然随着防火要求、防火材料性能不断提高，还需要作进一步研究。本文中对幕墙构造描述主要基于单元式幕墙系统，其它幕墙系统可以参考它设计原则与思路作相似安排。由于单元式幕墙制作与安装质量易于控制，在防火方面，它及框架式幕墙相比优势是明显。建筑幕墙防火设计原则是有效
31、、可靠、制作安装方便，并且不增加太多成本。优秀单元式幕墙系统完全可以达到这些要求。建筑师与土建结构师应该了解与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侧面。先不说前者对幕墙安装、调节、定位等带来很多好处及方便。从防火角度看，幕墙及主结构承载连接件安排在靠近楼面位置，便于防火棉与防烟层施工，有利于防火棉更有效地保护这个连接件，使它不过早失效。建筑物燃烧产生温度高低，及燃烧材料、通风状态等有关，研究资料表明，温度峰值可达到1200C。幕墙系统本身并没有很多易燃性材料，但大部分材料
32、抗燃烧性都不强。幕墙常用金属材料熔点温度见表3，常用非金属材料关键温度点见表4。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.*工作温度上限及所要求暴露时间有关。*450C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130C。*407C。图18 是典型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，
33、上层可视玻璃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与熔化，对整个防火体系影响并不大，尽管形式上它跨越了二个防火分区。从上节 试验观察与分析 中谈到，玻璃生产过程中切割与磨边对玻璃破碎影响。为延缓与防止上层可视玻璃破碎，必须要考虑防止玻璃温升过快、过高措施，横料下防火保温棉3）就是起这个作用。目前随着对节能要求提高，越来越多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。2) 单元式幕墙水平插口：这里是上下二个单元结合点，单元式构造特点使上下二个单元金属不直接接触，延缓了上面单元温升，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：这里防火保
34、温棉厚度根据建筑物与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，这样表达是以材料用途与功能来划分，及材料本身组成与成分无关。在幕墙工程中有时这三者采用是相同材料。例如防火墙外侧保温棉，可以用岩棉或玻璃棉；无混凝土窗间墙幕墙，中间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与矿渣棉，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。比较权威机构北美保温棉制造协会（NAIMA）是这样定义：岩棉（Rock Wool）与矿渣
35、棉（Slag Wool）基本上是用相同原材料，相同生产过程制成，不同是其原材料组成成分比例不同。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），剩下是矿渣（铁矿石矿渣）；而矿渣棉中采用70%左右矿渣，其它是天然岩石。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250C时气化失效，但并不影响岩棉与矿渣棉制品完整性，这归功于材料内聚性与其特殊层状构造。只要此时没有任何载荷使它变形，它就不会脱落。以相同生产
36、过程制成岩棉与矿渣棉制品，它们所具有各方面性能是非常相似。ISO 9229 (Thermal Insulation) 与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防火保温棉，当属采用玄武岩与矿渣制成岩棉与矿渣棉。这些制品加工成不同密度，最常用有密度为64 Kg/m3，这也是不少工程最低要求。幕墙公司会采用价格低、密度低防火保温棉，尽管产品包装标志有传热阻R值或传热系数K值，而业主与建筑师往往担心低密度保温棉保温性能，要求采用密度更高保温棉，如96 Kg/
37、m3 、128 Kg/m3等。加拿大学者在矿棉保温棉对流热损失研究中指出，这种担心是没必要，甚至在-35C低温，低密度保温棉也没有发现对流热损失。采用无机粘合剂岩棉与矿渣棉具有良好防火、防锈、防霉、防菌、不吸水与排水性强等功能。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完整性。保温棉中没有有机物质，就不易生霉与生菌。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及室外相通环境中，很少用贴箔保温棉（主要是价格问题），就是由于上述优点。保温棉切割与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
38、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，保温性能与防火性能越好。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攻击而不塌落下来，就能保护幕墙及主结构承载连接件免受高温影响，就能保护上层铝合金与玻璃。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
39、粘在背板上，再用镀锌钢板保持架压在防火保温棉表面，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。采用胶水目是防止在负压下防火保温棉对保持架施加太大压力。图21，图22采用是焊接钉，钉子间距为300mm，距离边框不超过150mm。它是一种非常有效固定方式，只是要注意选用适当厚度背板。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，以免堵塞通气孔与排水孔。保证防火保温棉及玻璃之间至少有25mm以上空间用于保温通气之用。5) 单元式立柱接
40、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。无论它材料是钢材还是铝合金，随着温度升高，在远远低于材料熔点温度下，其承载能力已大大降低。所以保护承载连接件承载能力是防火主要措施之一。7) 防烟层（Smoke Seal 或Smoke Barrier）: 在国内常被称作防火防烟层，用于协助控制热气与烟雾（冷烟与热烟）渗透，实际上它主要功能就是防烟。热烟（或热气）温度还不能太高，否则可能使这个防烟层失去弹性与粘结性。防烟材料要求具备二个基本功能。一是它应该具有较好弹性，即它能够吸收所填
41、充空间变位；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粘结性能。防烟层必须布置在背火面。因为它工作温度范围一般不超过160C。在烟雾渗透方面，由（无贴箔）岩棉或矿渣棉组成防火带，其防烟功能是不怎么理想，甚至有专家称它是不防烟。目前常用防烟材料有二种：贴箔岩棉或矿渣棉；丙烯类涂料或硅类涂料。图24为采用防烟涂料工程实况。这里，根据一些公开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防烟层（贴箔面及周边留3mm空隙，用防火胶填充），烟雾穿透量要高出304倍21。根据ASTM E96与 ASTM F-1249 标准测试方法，大部分贴箔防火棉烟雾穿透量Perms=0.0222，则无贴箔防火棉Perms=6.08；当采用防烟涂料时，它Perms=0.323，（涂料厚度是2mm），即防烟涂料防烟性能比无贴箔防火棉要高20倍。Perms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Perms1时认为具有较好防烟效果。第 22 页