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。

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。