有效保護下采用鋼化玻璃作為防火分隔的可行性探究

■ 王建軍 上海市浦東新區消防救援支隊

隨著城市建設的發展和人民生活水平的提高，大型商業綜合體、辦公、酒店等大型公共建筑在全國各地不斷涌現。在增加公共建筑體量的同時，開發商也越來越重視顧客的購物體驗和品牌建設。其中，美觀、舒適和新穎現代的建筑形式無疑是重要的一環。中庭等共享空間、大面積的玻璃隔斷、開敞通透的環境是每個建筑師所追求的。但如何在保證公眾消防安全的同時又不阻礙建筑技術的進步和發展，是消防部門的一大難題。我們欣喜地看到，消防規范在不斷發展和完善中，鼓勵采用先進、成熟的防火技術和措施，增加了建筑設計的可能性和消防設計的自由度。本文通過模擬分析探究鋼化玻璃在噴頭冷卻保護的前提下作為防火分隔的有效性和安全性。

一、建筑的防火分隔形式

現實中主要采用防火墻（門窗）、卷簾等作為防火分隔。防火隔墻的優點是安全可靠，缺點也是顯而易見的，通透性差。防火卷簾的優點是平時收起，對建筑效果影響小，缺點是在發生火災時需通過報警系統指令才能動作。另外還需要在日常的檢查測試中時刻保證其處于正常的運行狀態，但在實際應用中經常出現無法降落、脫軌等故障。

隨著玻璃生產工藝不斷創新和技術日趨成熟，《建筑設計防火規范》（GB 50016-2014，2018 版）已明確在中庭和商業步行街等場所允許使用防火玻璃作為防火分隔措施[1]。然而，目前市場上生產A 類防火玻璃的廠商為數不多，且生產耐火等級與之相匹配的框架等輔助配件也非常昂貴；而C 類防火玻璃則由于產品尺寸大、耐候性好、能通過適當加工滿足節能和美觀上的要求、生產廠商多、價格相對親民等優點，在實際項目中得到廣泛應用。

此外，防火玻璃必須與具備相應耐火等級的框架結合使用才能達到一定的耐火時間，《建筑用安全玻璃》（GB15763.2-2005）明確了防火玻璃在實際使用過程中必須采用與之相匹配的框架及輔助配件。厚度為10mm 的單片防火玻璃達到1h 耐火極限在目前的技術條件下所能做到的框架尺寸最大約為3m×2m，對建筑通透性要求較高，需要連續設置大面積玻璃的場所，每塊防火玻璃四周安裝框架的視覺效果是很多客戶所無法接受的。

設置防火分隔措施的初衷是能在耐火極限時間內阻止火勢蔓延，因此，如果采取了一定措施后能使鋼化玻璃達到與防火玻璃等同的耐火極限，那么這種措施值得進一步研究。

窗玻璃噴頭是通過一種專門用于冷卻保護玻璃或墻體等隔斷，從而使其達到所需要的耐火極限的特殊噴頭。這種噴頭幾乎將所有水量都均勻噴向整個玻璃表面（圖1），能較均勻地對玻璃隔斷進行冷卻，防止玻璃因高溫、受熱不均爆裂或產生可見的損傷。

圖1 窗噴冷卻保護玻璃示意圖（來自Tyco）

二、窗噴冷卻保護的模擬研究

（一）鋼化玻璃失效判定標準

通常我們認為鋼化玻璃的耐熱性能比一般玻璃更好。依據《建筑用安全玻璃》（GB15763.2-2005）相關條款，以實驗的形式來判斷鋼化玻璃是否失效：在200℃±2℃的加熱設備中放一塊300mm×300mm 的鋼化玻璃樣品，4 小時以后取出，隨即將其垂直放進0℃的冰水中，應確保樣品三分之一以上的高度浸入水中，5 分鐘后看玻璃是否完好[2]。

現實中，由于玻璃內部受熱不均而產生熱應力作用是產生破碎的主要原因。而在具體的火災事故中，很難人為測算玻璃破碎的溫度臨界值，因為它與玻璃本身的大小、重量、厚薄、支撐框架以及火場情況等要素均有關聯。在實驗判定的基礎上為闡述方便，我們把鋼化玻璃破裂的臨界溫度設為200℃，即當鋼化玻璃表面任意一處的受熱超過200℃時，玻璃即失去完整性而破裂。

（二）窗玻璃噴頭設計要求

以Tyco WS 型快速響應窗玻璃噴頭為例，作用溫度有68℃和93℃兩個類型，可采用垂直安裝或水平安裝方式，噴頭的設置間距宜為1.83m—2.44m，與玻璃隔墻的間距要不大于300mm，單只噴頭的流量不應小于1.26L/s，保護高度不超過3.96m。在計算總用水量時，應單獨考慮玻璃噴頭冷卻系統的用水量，且持續噴水時間不能小于所保護的玻璃隔墻所需要達到的耐火極限。

（三）FDS 模擬研究

以下將運用FDS 模擬計算玻璃表面的溫升變化，探究窗噴冷卻保護鋼化玻璃的這種防火分隔方式的可行性。

1.FDS 模型輸入參數

模擬某辦公場所因噴淋失效而發生火災，設定為6MW t2快速發展火，火源距離玻璃隔墻2m，窗噴設置在玻璃隔斷的向火面。為了研究火源靠近玻璃隔墻的情況下的窗噴冷卻效果，還研究了火源距離玻璃隔墻1m 的場景（場景A）。模型的外觀如圖2 所示，所涉數據列在表1 中。

圖2 FDS 模型

表1 FDS 輸入參數

火源單位面積熱釋放速率 550kW/m2著火房間尺寸16m×16m×3.2m發煙率 0.05計算域外溫度40℃ 考慮夏季室外的情況計算域內溫度24℃ 有空調場所火源網格尺寸 火源：0.1m×0.1m×0.1m 計算較精細窗玻璃噴頭安裝間距 2m火源邊緣與玻璃幕墻距離場景A：1m場景B：2m玻璃受熱主要由煙氣傳導和火焰輻射，其中火焰輻射影響較大，此參數影響輻射熱

2.場景A 模擬結果

以下兩組圖片分別為場景A 靠近火源兩側對稱的兩組共6 個溫度測點所記錄的溫度數據。從數據來看，在火焰外沿離玻璃表面1m 的情形下，采用玻璃噴頭保護的玻璃表面測得最高溫度為60℃—110℃，而無保護的玻璃表面溫度則高達70℃—300℃。

圖3 場景A 玻璃表面溫升曲線

3.場景B 模擬結果

模擬場景B 在其他條件數據均不做變化的前提下，僅把火源外延和玻璃之間的距離調整為2m。該場景下模擬結果見圖4。模擬結果表明，在采用噴頭保護的玻璃表面測得的溫度是50℃—100℃，而無保護的玻璃表面溫度則高達60℃—240℃。

圖4 場景B 玻璃表面溫升曲線

4.模擬結果分析

噴頭動作后，玻璃表面的溫度先略為降低，隨后繼續緩慢上升，與無窗噴保護的情況相比，窗噴保護下玻璃表面溫升減緩，這種趨勢在場景A 中更明顯。隨著噴水冷卻作用的持續，玻璃表面的溫度在達到約110℃后開始降低，在模擬時間內一直保持下降趨勢，表明噴頭的水流持續起到了冷卻作用，且在整個模擬過程中均未達到鋼化玻璃的破碎溫度，鋼化玻璃的完整性得以保證；由于向火面的受熱一般會高于背火面，因此保守估計背火面的最高溫不會超過110℃。與此相比，無窗噴保護時，玻璃表面溫度接近或超過了鋼化玻璃的失效破碎溫度，且當火源靠近玻璃時，玻璃更容易破碎。

對比場景A 和場景B 可以發現，即使火源位置較近，窗噴仍然能快速有效控制玻璃表面溫度，使其不超過鋼化玻璃的失效溫度，這歸功于窗噴的快速響應和均勻布水的特性。

三、結語

本文采用計算流體力學軟件FDS 研究對比了兩種火源距離下窗噴對鋼化玻璃表面的冷卻效果。模擬數據顯示，在兩種火源距離的情形下，窗噴均能有效均勻冷卻玻璃隔墻，從而達到降低其表面溫度的目的，避免玻璃在火災中破裂失效，從而保證鋼化玻璃的完整性和其作為防火分隔的有效性。