嘉瑪大清真寺項目幕墻層間防火設計與計算應用研究

閆小平

中建深圳裝飾有限公司 廣東 深圳 518023

作為現代建筑，尤其是現代高層建筑的外衣，幕墻越來越受到建筑師的青睞，我國建筑幕墻從20世紀70年代末起步，現今已成為世界上最大的幕墻產品生產國亦是最大的消費國，而高層建筑的防火問題無疑會成為其安全問題的核心。

建筑幕墻因其不可替代的外墻裝飾效果，給城市帶來了整潔美麗的同時，也留下了火災的隱患，這些隱患主要體現在以下2個方面：

1）一般建筑幕墻的主要組成材料為玻璃、面材、復合鋁板、鋼材等，這些材料均不耐火，而且抗火性差，尤其是玻璃，當溫度達到250 ℃時便會炸裂，這時不僅會導致火災的進一步蔓延，而且可能會傷及旁人甚至消防員。

2）因為幕墻本身結構的特殊性，在垂直幕墻與水平樓板之間往往存在縫隙，如果未經處理或者處理不合理，在發生火災時很有可能成為引火通道，也可能通過煙囪效應釀成更大的火災[1-8]。

因此，幕墻層間防火設計和計算在整個幕墻的設計中是至關重要的一部分。作為建筑的外圍護結構，幕墻是構成建筑整體的一部分，在一些重要的部位，幕墻必須具有一定的防火性，如幕墻與周邊防火分隔構件的間隙，與樓板和隔墻外延之間的縫隙等，均應進行防火封堵設計。

1 工程概況

嘉瑪大清真寺項目（Djamaa El Djaza?r）位于阿爾及利亞首都阿爾及爾，為阿爾及利亞科學、文化系列項目中的一個。該項目由祈禱廳、宣禮塔和文化中心等12幢建筑組成，是一個群體建筑項目（圖1）。該項目屬于阿爾及爾海港新規劃項目，在首都改造中是戰略性的一部分，因為其不僅要形成一個協調的公共設施群，同時也需是一個飽含豐富歷史文化的紀念性建筑。

圖1 阿爾及利亞嘉瑪大清真寺項目效果圖

本項目建筑面積為40萬 m2，設計單位為德國公司KSPKUK，設計和建造均采用歐洲標準。其中B樓宣禮塔高265 m，采用框架核心筒結構，外立面為玻璃幕墻、石材幕墻及BFUHP幕墻結合的形式。

2 工程重難點

1）工程體量大，工期緊。該項目玻璃幕墻面積約80 000 m2，主要分布在6個單體中，大部分材料為第三國采購，幕墻部分施工工期約11個月，且對后續室內裝飾及機電作業施工有較大影響。整體施工壓力巨大。

2）材料標準嚴，批復難。該項目設計和建造全部采用歐洲標準，由于總承包單位為中國企業，對歐洲規范不熟悉以及對歐洲材料、分包市場的不熟悉，對于歐洲建筑師及監理單位的工作流程和習慣不適應，前期設計和采購環節花費了近3年的時間，報審批復困難較大。

3）人員來源廣，管理難。該項目業主單位為阿爾及利亞住建部，監理單位為德國Ksp-Kuk公司，總承包單位為中國建筑阿爾及利亞公司，分包單位涉及五大洲，最高峰時項目共有管理人員約500人，工人近1萬人，國外分包單位300多家。這無疑對項目管理團隊的管理能力提出了較高要求。

3 研究的過程

3.1 建筑幕墻層間火災蔓延方式

對高層建筑，當室內起火時，層間位置的火勢蔓延情況共分竄煙、竄火和卷火等3種（圖2），主要發生原理如下所述。

圖2 建筑層間火災蔓延方式

3.1.1 竄煙

當建筑物室內起火，物品燃燒會產生火焰、熱氣和煙霧。火災初起時，室內熱氣流上升在室內形成溫差和壓差，使得周圍空氣源源不斷地補充進來，燃燒溫度不斷提高，進而引燃附近的可燃性物質使火勢不斷擴大。普通玻璃在火焰的不斷沖擊之下往往會在15 min內破碎，這時大量的熱量和煙霧會瞬間沖向室外，導致火勢向上蔓延，形成煙卷效應。

3.1.2 竄火

幕墻設計時在混凝土樓板外側與幕墻內側之間往往存在一個縫隙，縫隙的大小與建筑設計和幕墻鋁合金系統的尺寸有關，也與混凝土結構尺寸誤差、幕墻構造及制作安裝誤差有關。在實際失火情況下，由于幕墻的鋁合金構件和鋼轉接件的變形，五金及連接件的松動，這個縫隙可能會進一步加大。如果防火巖棉、防煙層等無法有效地對這個縫隙變化進行補償，火焰和高溫氣流就會通過這些間隙直接進入上層樓面。

3.1.3 卷火

幕墻系統的鋁合金立柱是很好的熱傳導體，而且立柱常常跨越2個不同的防火分區，這使得火源層的熱量能通過立柱向上層傳遞。在火源層，當溫度升高到了某個臨界點，短時間內火勢會由局部擴散到整個空間，從而產生轟燃現象。火源層的熱量通過樓板、金屬幕墻及周邊水平防火帶向上傳遞。如果上一層樓面的溫度升高達到了某個臨界點，也可能會產生轟燃現象，火勢就這樣向上發展。

3.2 國內幕墻層間防火設計及做法對比

國內主要的幾個標準中，對于幕墻層間防火的設計要求對比如表1所示。

表1 中國國家標準中對于幕墻層間防火的設計要求對比

實際上，國內大部分已建成采用幕墻的建筑并未設置高80 cm防火裙墻，這是因為建筑師（業主）認為防火裙墻影響幕墻藝術效果，于是有人根據卷火直徑約為1.2 m的原理，提出在樓層上設30 cm高的踏腳線，在圈梁底向下設高約500 mm的堿性擋火板，這樣加上圈梁（約400 mm）高度，則總高度約為120 cm，在踏腳線頂部和擋火板底部各用厚40 mm硅酸鋁（鈣）板（耐火極限＞1 h）封閉，在板與幕墻桿件（玻璃）間用防火密封膠密封，達到防止濃煙上竄的效果，高120 cm的實體堿性板可防止卷火，即使卷火使120 cm范圍內玻璃開裂，再次進入幕墻與堿性墻板之間，也被踏腳線頂部防火層擋住，不能竄入上一層房間。

在阿爾及利亞嘉瑪大清真寺項目的玻璃幕墻設計方案中，最初并未考慮在層間部分沿用國內標準《玻璃幕墻工程技術規范》，經過多次與德國建筑師的溝通仍然無法獲得圖紙批復，其要求承包商對所有幕墻的層間防火部位進行計算，并依據計算結果選用符合歐洲規范的材料。而中國設計師對于層間防火部位的設計從未有過相關計算經驗，最終不得不聘請歐洲幕墻顧問來協助完成相關位置的設計和計算。

3.3 歐洲建筑物分類及應用規則（以法國規范算法為例）

歐洲將建筑物按照使用功能分成以下幾種類型：

1）家居建筑物（住宅等）。

2）工業建筑（廠房等）。

3）公共建筑（體育場、歌劇院等），也稱為“ERP”建筑。

4）超高層建筑，也稱為“IGH”建筑。

不同類型的建筑在進行層間防火設計計算時，要求不盡相同。最主要的規范為在法令“24 mai 201”之下的規則“INSTRUCTION TECHNIQUE 249”（以下簡稱為“IT249”），其中對于不同類型建筑幕墻層間防火規則“C＋D規則”及其使用情況進行了詳細的描述。

3.4 C＋D規則

3.4.1 層間防火封堵C與D的定義

如圖3所示，根據IT249的定義，對于建筑物的層間位置，一般情況下，C指的是豎直方向上的下層房間結構頂部到上層房間結構底部之間的距離。D指的是水平方向上的幕墻玻璃外表面至所有層間水平防火填充物最內邊緣的距離，只有在D≥0.15 m時才做考慮，當D＜0.15 m時，認為D＝0。

圖3 C＋D取值示例

3.4.2 層間防火封堵C與D的計算

根據IT249，應對幕墻層間位置所有可燃燒材料進行大面積可燃物熱量總和計算（Le calcul des masse combustible mobilisable，MCM，物理量定義為mcm），將計算結果與根據試驗及經驗得出的限值進行比較，從而得出不同情況下幕墻層間部位C＋D應該滿足的最小尺寸。MCM的計算公式如下：

其中，幕墻層間位置各類型可燃物的可燃物等級要求，在規范“Nor: IOCE1117012A version consolidée au 26 novembre 2016”的Article GH13中已有如下定義：

1）一般在考慮所有相關材料的情況下，幕墻的大面積可燃物熱能總和MCM小于130 MJ/m2。

2）如果幕墻的大面積可燃物熱能總和MCM大于130 MJ/m2，需在滿足住房與建筑規范條款R.122-11-6的前提下，由相應安全委員會給出相關意見。

3）幕墻采用重要的新科技的情況下，也需提供相應安全委員會的意見。

一般來講，幕墻成分的防火等級為M0或者A2-s3, d0，除非以下情況：

① 門窗為木框。

② 門窗框的防火等級為M2或者C-s3, d0。

③ 門窗框及玻璃（包括其填充物）防火等級為C-s3, d0。

④ 幕墻玻璃及相關填充物的防火等級為C-s3, d0。

⑤ 幕墻系統噴涂及防水材料的防火等級為M1或B-s3, d0。

⑥ 幕墻外露或者內嵌窗簾的防火等級為M1或B-s3, d0。

其中“M0”等為美標的材料防火等級，“A2-s3, d0”等為歐標的材料防火等級，其對應關系如表2所示。

表2 國標與歐標、美標材料防火等級對比

s為材料的產煙附加等級，d為材料的燃燒滴落物/微粒的附加等級。

依據項目監理的要求，玻璃幕墻應當符合以下2個規則之一：

1）根據IT249的規定，遵守C＋D規則前提下，滿足：

①M≤80 MJ/m2時，C＋D≥1.2 m。

② 80 MJ/m2

2）根據傳熱軟件計算，證實從室外到室內幕墻的防火等級為1 h。

3.5 單元幕墻層間防火封堵C與D計算實例

嘉瑪大清真寺項目宣禮塔單元幕墻的每個立面單元尺寸如圖4所示。

圖4 嘉瑪大清真寺項目宣禮塔幕墻立面單元尺寸

因此，每個單元總面積為：S＝H×W＝5.85×11.34＝66.339 m2。

查技術卡片，可得主要材料類型及參數如表3所示。

表3 嘉瑪大清真寺項目宣禮塔幕墻主要材料性能

各個材料的體積通過CAD測量可得出，相關截面如圖5所示。因此，可根據以下公式算出每種材料的大面積可燃物熱能總和：mcm,材料＝n×ρ材料×V材料×Epc,材料（n為相同材料的數量）。再將各材料的大面積可燃物熱能總和相加，得出單元幕墻的大面積可燃物熱能總和∑mcm,材料。

圖5 嘉瑪大清真寺項目宣禮塔幕墻C＋D類型

因此，每平方米之內單元幕墻的大面積可燃物熱能總和為：∑mcm,材料/S=79.87 MJ/m2。

根據規范IT249，C＋D≥1.2 m，類型為：D＝0.22 m＞0.15 m。因此，C≥1.2－0.22＝0.98 m。這樣的結果恰好與國內97SJ103《鋁合金玻璃幕墻》圖集的做法基本吻合。

4 結語

由以上中國規范與歐洲規范針對幕墻層間防火設計與計算的不同規定和做法可知，相較于國內根據圖集中不同類型的標準構造節點作為依據來設計和計算，歐洲規范對于幕墻層間防火的設計及計算更加嚴謹和準確，對于國內幕墻層間防火設計的啟發主要有以下幾個方面：

1）填補我國幕墻層間防火設計計算方面的空白，提升建筑幕墻防火性能。

2）將高層建筑層間封堵位置的材料選擇以及耐火構造當作一個系統來進行綜合設計，既能確保層間位置防火構造的可靠性，又能確保層間位置材料性能滿足要求。

3）前置設計工作，依據計算結果決定層間防火的尺寸，在建筑美觀性等方面可以有較大促進作用。

4）填充我國幕墻層間防火設計計算方面的空白，減少建筑室內火災危害。

可見，歐洲標準中對于層間防火方面的設計和計算規則，可以填補國內高層建筑層間防火設計和計算方面的缺陷，具有較大的推廣意義。