雙層幕墻建筑防火設計初探

周華杰 吳超群 湯文輝

摘 要：現階段由于社會經濟水平的提高，雙層幕墻由于其具有良好的保溫、通風等節能功能和美觀的外形被人們廣泛應用。但也因為它的特殊結構造成了消防滅火的困難。目前國內外還沒有發現解決這一問題的有效應對措施。所以可以從雙層幕墻的結構特點與分類、火災危險性影響因素、現有規范防火要求、火災控制方法等方面進行分析，從現有研究來看目前雙層幕墻防火設計策略大體分為主動、被動兩類，其中主動火災控制即通過設置滅火設施，減小火災的損失;被動火災的控制即通過使用耐火材料或其組成的阻擋性結構遏制或減緩火災的傳播。

關鍵詞：雙層幕墻;火災危險性;工程實例

0引言

雙層玻璃幕墻簡稱DSF，由外層幕墻、熱通道和內層幕墻（或門、窗）構成，且在熱通道內可以形成空氣有序流動的建筑幕墻[1]。DSF一方面能穩定室內的溫度、光照，增強通風換氣功能;另一方面能提高幕墻的保溫、隔熱、降噪能力，節省能量損耗[2]。根據我國建筑節能降耗的政策要求，幕墻行業應大力研發和推動使用節能、降耗、環保幕墻，如雙層幕墻。建筑雙層玻璃幕墻火災相對于傳統建筑火災具有特殊性，由于內外幕墻間有較寬的熱通道，平時可利用煙囪效應實現自然通風，但在火災時可能成為煙和火向上層蔓延的主要通道，加速火災的垂直蔓延，給消防安全帶來不利影響。為了推進雙層幕墻的防火設計，有必要對雙層幕墻防火研究進行梳理。本文首先對雙層幕墻火災危險性進行分析，找出火災中雙層幕墻結構的薄弱點，再對國內外的防火方法研究及其工程實例等方面進行梳理，從而為后續解決雙層玻璃幕墻的防火問題提供研究基礎。

1雙層幕墻

根據雙層幕墻的幾何結構通常可以將其分成盒窗式、豎井式、走廊式、整體式四種[2-3]。按通風模式分類，雙層幕墻又可分為內循環式（機械通風型）、外循環式（自然通風型）以及內外循環式（混合通風型）。

筆者通過網絡搜索及走訪，對全國19個省市的雙層玻璃幕墻建筑進行了不完全統計，共發現92棟雙層玻璃幕墻建筑，主要分布于北京、上海、廣州等省市，且多用于辦公樓建筑。應用雙層幕墻的建筑一般樓高為200米左右，多數建筑是僅部分立面使用雙層玻璃幕墻結構。從通風模式來看，內外呼吸式占65.2%，外循環式占19.7%，內循環式占15.2%。幕墻類型的選取存在明顯的地域差異。55.6%的省市幕墻結構以內外循環式為主，16.7%的省市以內循環式為主，5.6%的省市以外循環式為主，其余22.2%的省市三類幕墻均有選用且數量平均，并未有一類占比明顯較大。

2火災危險性分析

因雙層幕墻的結構特性，煙氣蔓延與常規建筑不同，大量的研究都表明雙層幕墻結構會加速煙氣以及火災蔓延[4]。火災時，室內空氣溫度高于幕墻內部溫度，室內空氣將發生向上運動，即煙囪效應。普通建筑火災蔓延的速度約為0.14m/s[7]，而整體式玻璃幕墻內煙氣流動速度可到到1.3-4.5m/s[3]，是普通建筑的9-32倍。

幕墻結構也會對煙氣流動造成影響。豎井式和走廊式幕墻可將火災煙氣完全限制在單層雙層玻璃幕墻內。雙層幕墻空腔寬度對內部煙氣溫度和速度的分布有較大影響[5]。

幕墻結構一般由鋼結構框架和玻璃組成，內層幕墻一般采用單片玻璃或可開啟窗，外層幕墻則采用中空玻璃或者Low-E玻璃。外幕墻采用雙層夾膠鋼化玻璃，其夾膠層內的膠體極易著火。一旦外幕墻內層迎火面玻璃破碎，火焰與煙氣組成的熱氣流接觸到膠體，夾膠層將會迅速燃燒并向上蔓延，并導致外幕墻外側背火面玻璃破碎、熔化、脫落。但是當外幕墻破裂后，煙氣在高溫氣體產生的熱壓作用下噴出外墻，只有少量煙氣進入內外幕墻之間的夾層。幕墻夾層間溫度降低，對起火層以上各層內、外幕墻的影響將大為減少。因此，外幕墻的破裂對降低幕墻夾層內的煙囪效應，減緩火災和煙氣的垂直蔓延速度起到積極的作用。

除此之外當溫度達到350℃時，鋼結構框架的強度將下降為原強度的60%左右，當溫度達到600℃時，強度下降為原強度的30%左右[6]。但是通常在內幕墻玻璃破碎前，鋼結構框架在300～400℃時強度已經下降，發生嚴重變形，導致煙氣透過玻璃與鋁合金框之間縫隙流入幕墻夾層。

3.防火要求

由于雙層幕墻是一種新穎的幕墻構造形式，普通建筑的防火措施并不完全適用。在世界各國的消防規范中也鮮有針對雙層幕墻建筑的特殊規定。在我國《建筑防火設計規范》[7]中僅要求采用玻璃幕墻的建筑，上、下兩層之間應設置高度不小于1.2m的實體墻或挑出寬度不小于1.0m、長度不小于開口寬度的防火挑檐，同時要求玻璃幕墻與每層樓板、隔墻處的縫隙，應采用不燃燒材料填實，幕墻與每層樓板、隔墻處的縫隙應采用防火封堵材料封堵。目前只有中國香港地區的《消防安全（建筑物）條例》[8]和上海的《雙層玻璃幕墻防火設計規程（暫行）》[2]針對性地對雙層幕墻進行了更細致的規定，比如中庭、大堂內無可燃物的獨立防煙分區;走道或回廊設有排煙設施，建筑面積不大于100m2的房間;建筑部位為機電用房，符合以上三種情況的雙層玻璃幕墻建筑物可以不設排煙系統。由于各國規范中沒有專門規定，且各消防研究機構對該類幕墻火災特性的研究資料也較少。因此，各地消防監督部門在審批采用雙層幕墻建筑時都比較謹慎，往往要求進行性能化分析。

4防火設計

根據各規范的要求，防火設計時，應盡可能使得外幕墻早于內幕墻破裂。限制煙氣的流動，不要讓煙氣附著在內部表皮上以防止內部玻璃窗格開裂[9]，以減少設施損壞和人員死亡。

最直觀的防火方法即為內幕墻選用更為耐火、防火的材料。根據GB50016[7]的要求，耐火極限不低于1h的不燃燒體。例如上海中心大廈雙層玻璃幕墻結構采用的金剛銫鉀防火玻璃;德國馬普協會總部大樓設計[16]將單元式絕熱玻璃作為大樓內部幕墻的主要材料。在鋼結構防火上可以選用截留法和疏導法等，可也可以采用用防火合金鋼材代替普通鋼材等方法加強鋼結構的耐火性。

其次，控制幕墻空腔間距具有一定的防火效果。根據W.KChow[10]的研究幕墻玻璃間距與雙層玻璃幕墻的著火行為以及煙氣傳播情況關系密切。當幕墻間距更寬時，煙氣傾向于在空腔中心流動而不是緊貼著內外幕墻壁流動，所以適當加寬幕墻空腔的間距可以延緩高溫煙氣貼壁流動，內幕墻玻璃因高溫而破裂，從而使高溫煙氣進入其他樓層，最終導致火災蔓延的時間。

同時，可以通過限制幕墻尺寸進行幕墻防火，例如上海[2]規定的整體式雙層玻璃幕墻的幕墻類型不適合24m以上的高層建筑。張志強[4]通過整體式與走廊式玻璃幕墻模擬結果的對比研究發現，利用防火分隔擋板將雙層玻璃幕墻的空腔進行劃分，可以在火災發生時將煙氣有效限制在起火樓層對應的空腔內。走廊式玻璃幕墻可將火災煙氣完全限制在幕墻內，與整體式玻璃幕墻相比可大大減小火災煙氣影響區域，但著火房間所在樓層的玻璃幕墻空腔內最高溫度達到了270℃，大大高于整體式玻璃幕墻空腔內的最高溫度，接近玻璃破壞臨界溫度，對幕墻的結構安全造成威脅。

此外，通過設置各類防火分隔，延緩、阻礙煙氣在空腔內的蔓延是火災控制的重要方法。中國香港[8]、上海[2]對雙層玻璃幕墻建筑的防火分區的劃分、防火隔斷的設置進行規定：規定雙層玻璃幕墻在跨越水平向防火分區或防火單元處應采用與防火分隔物耐火極限相同的不燃燒體隔墻進行防火分隔。香港[8]規定了防火分區以3-4層為分區單位，防火分區間的幕墻空腔內須特別設置豎向的防火棉等防火分隔處理。規范推薦的防火分隔的方法包括挑檐、檐墻以及約束隔板。DSF內需要封堵的地方包括幕墻結構間的縫隙。根據《建筑防火封堵應用技術標準》[11]規定的，在玻璃幕墻與每層樓板、隔墻處的縫隙，用非燃燒材料嚴密填實。以及根據香港建筑部門[8]規定的，以3、4層為分區單位分隔的防火分區間的幕墻空腔內須特別設置豎向的防火棉等處理。GB50016[7]規定的，整體式雙層玻璃幕墻的內層玻璃幕墻窗檻墻應采用非燃燒填充材料填充等。

檐墻結構可以將煙氣從沿著內幕墻的貼壁流動引導為非貼壁流動，延緩內幕墻因高溫煙氣而破裂情況的發生[5]。雷海英[12]利用FDS模擬防火挑檐及窗檻墻對火災煙氣在空腔內蔓延情況的阻礙效果，得到了窗檻墻的最佳寬度為0.8m，且明確了有防火挑檐時外幕墻先破裂，無防火挑檐時內幕墻先破裂。可見在幕墻空腔內加設防火挑檐、防火百葉有利于引導煙氣靠外幕墻流動，進而有利于煙氣從外幕墻排出。實踐中天津某文化廣場就采用了窗檻墻作為防火結構，窗檻墻內部填充了防火巖棉的鋁制板材。中石油的華東總部大廈的幕墻防火結構為窗檻墻和防火挑檐，窗檻墻由尺寸為0.8m的梁組成，防火挑檐外伸至內層玻璃外0.5m處。

雷海英[12]還建議加裝噴淋防火系統，除了對幕墻與煙氣的降溫效果明顯，對阻礙火勢的蔓延有較好的作用。防排煙系統更為重要，上海[2]規定除少數建筑形制外其他設雙層玻璃幕墻的建筑都必須設機械排煙系系統。采用該方法進行防火的雙層幕墻建筑有中石油華東總部大廈、上海市政工程設計研究總院新樓等。

5. 結論

被動與主動兩類火災控制方法是目前雙層幕墻的主要火災控制方法，對這兩類方法依據前文的幕墻火災危險性影響因素進行控制效果的分析比較可以得到，被動火災控制方法通過設置防火分隔和防火封堵可以引導或遏制煙氣在空腔內的流動，但是對煙氣的封堵也會導致局部煙氣聚集產生局部高溫影響構件安全。其次，通過使用更為耐火的建筑材料可以針對性地解決雙層幕墻構件耐火性的問題，但是部分新材料的成本也較高。主動火災控制利用機械排煙系統直接對煙氣流動進行控制，使用自動噴水裝置可以直接降低煙氣溫度，保護幕墻構件。因此，主動火災控制方法對幕墻火災危險性控制效果更好。雙層幕墻作為建筑圍護結構，其結構變化豐富，防火設計策略也不應影響其外觀的美觀性，因此防火設計策略理應具體案例具體分析，擇優選擇最佳方案。

參考文獻：

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[11]GB/T51410-2020，《建筑防火封堵應用技術標準》[S]，北京：中國計劃出版社，2020.

[12]雷海英.某雙層玻璃幕墻建筑火災后煙氣蔓延分析研究[J].消防技術與產品信息.2015，（9）：12-15.

基金項目：1、基金來源：浙江省大學生科技創新活動計劃（省新苗活動項目）;2、項目名稱：雙層幕墻設計結構建筑的消防;3、項目編號：2019R428009。