基于可測試層間防火封堵系統的幕墻耐火試驗爐檢測設備的開發措施

單波，蘇曉順，劉會華，王海軍

（建科環能科技有限公司，北京 100013）

1 前言

當今，建筑幕墻以其獨特的魅力應用于各類建筑的內墻、外墻，高層或超高層建筑，其良好的防火效果、隔熱效果尤其重要。在節能減排的國家大戰略下，如何使節能幕墻門窗具備耐火性能，延遲火災對建筑室內的破壞，方便消防救援，是目前高層建筑防火技術研究中必須面對的一個現實。2022 年3 月關于建筑幕墻防火性能的推薦性國標發布，耐火完整性、隔熱性等耐火性能的檢測也有了參照標準，幕墻耐火性能的檢測進入了新的階段。

幕墻種類較多，體積較大，因此檢測幕墻耐火性能的設備體積較大，市場上成型產品較少。多集中在門窗、建筑構件耐火試驗爐的研制和應用方面。如加拿大國家研究院的一種中型耐火試驗爐整體結構的介紹，其最大試件面積不足3m2。李萍論文中介紹的垂直建筑構件耐火爐可測長2.5m×高3m 試件，采用了控制模塊和組態軟件，自動化水平逐步較高。而某機構計劃開發耐火爐組合爐膛也由于實現困難，最終選擇了兩組固定爐膛，其中垂直耐火爐可測長2.5m×高3m 的試件。綜上所述，國內外門窗、建筑構件耐火試驗爐參考資料相對較多，對幕墻耐火爐的開發有一定的借鑒作用，特別是王帆的論文中的多功能組合爐膛的想法，為大型幕墻測試洞口太大，小尺寸幕墻檢測時如何減少過多封堵材料提供了新的思路。為了達到更好的測試建筑幕墻耐火完整性、幕墻耐火隔熱性、層間防火封堵系統等，也為國家標準《建筑幕墻防火性能分級及試驗方法》提供實驗數據和驗證方法，故參考《GBT 9978.1-2008 建筑構件耐火試驗方法第1 部分：通用要求》和相關資料，設計制作了幕墻耐火試驗爐檢測設備。

幕墻耐火試驗爐可以提供一個標準的室內或室外的火災溫度場,可以檢測建筑幕墻的耐火完整性、耐火隔熱性，同時移動式升降爐頂不僅可以調整爐體洞口高低，減少不同尺寸的幕墻封堵，還可以作為樓層間隔安裝層間防火封堵系統以測試其封堵效果，這是其他檢測設備不易實現的。幕墻（構件）耐火試驗爐包括爐體結構、供排氣系統、控制系統，報警監視系統、軟件等。同時，在試驗構件中布置測溫熱電偶,可用于研究構件內部溫度場的發展過程以及構件在高溫下的承載能力, 驗證在高溫下幕墻整體的耐火性或層間防火封堵系統的性能，利用數值模擬和實體試驗相結合，從而為建筑幕墻抗火災設計及火災后結構的損傷評估與修復加固提供科學依據。

2 設備研發

2.1 幕墻耐火爐檢測設備的組成

2.1.1 爐體結構

幕墻耐火試驗爐體為垂直立式（見圖1），由于一塊完整單元體幕墻上橫梁與下橫梁間的垂直距離以4.5m或者6m 較為常見，在考慮其它因素，幕墻耐火爐試驗洞口長×寬設計為5m×8m（可調），洞深1.25m，是國內較大的幕墻耐火試驗爐。幕墻耐火試驗爐地基整體下沉，地基承載力特征值按140kPa 進行設計，采用素灰夯填，壓實系數≥0.97，基礎荷載共計90t，爐體洞口前預埋20mm 厚，300mm 寬鋼板，承載幕墻試件。

圖1 試驗爐主體示意圖

耐火試驗爐框架采用槽鋼和工字鋼焊接制作，外圍設置兩層檢修平臺，后側設置了通道門，人可以進入對試件進行操作。爐體采用五層結構，從外到內分別為鋼結構框架、防火磚、耐火高溫石棉、耐火磚、耐火陶瓷纖維氈（耐火1300℃）。

耐火試驗爐頂采用活動平臺方式，平臺鋼構件上添加隔熱棉，增加了平臺的實用性及可維護性。移動平臺采用左右兩端4 根鋼絞線吊裝的型式，通過鋼絞線和定滑輪在卷揚機的牽引下完成高度的升降，在樓板前端設置與試驗爐連接和固定的裝置，方便固定模擬樓板（見圖1 ～4）。移動爐頂平臺一方面作為耐火爐的頂層，可以按照幕墻試件的高度調整高度合理密封；另一方面，也可以作為模擬樓板添加層間防火封堵系統保持頂部密封，為測試幕墻的層間防火封堵提供了檢測條件，是一種創新。

2.1.2 供排氣系統

（1）燃氣供氣。幕墻耐火試驗爐供氣系統采用液化氣供氣，分置兩個房間（見圖2），一間為供氣室，一間為氣化室。室內地面用不發火水泥砂漿抹平壓光，房間內配防爆排煙風扇和防爆照明，符合防火防爆要求。

供氣室采用50kg 灌裝石油液化氣，共16 瓶分兩組每組8 瓶。試驗時，當一組液化氣壓力低于設定值時，液相切換閥會自動轉換到另一組灌裝液化（見圖2 左），這樣可防止試驗中燃氣突然耗盡，使試驗中斷。

（1）對于分布式電源而言，其實際發電電量具有一定的不確定性，因此大電網仍舊是不可或缺的存在，所以，從某種角度分析，該種模式的運用無法明顯減少電網的相關費用，如建設費用、維修費用以及改造費用等。

氣化室內的氣化爐是通過燃氣控制部分將液相的液化石油氣轉化成低壓的氣相石油氣，便于在燃燒中與空氣混合被點著。氣化室內采用300kg 與100kg 雙汽化爐模式，適用不同燃燒情況下的供氣要求。

（2）空氣供氣。空氣供氣系統采用30kW 離心風機提供助燃氣體，最大流量9000m3/h，風機通過頂部送風口分送兩側管道的15 個點火嘴，每側各有一個電動調節閥調節流量和壓力，當總壓力大于1kPa 達到點火要求后，每個點火嘴的電動調節閥再分別調節各自供氣量大小，使火焰能迅速點燃，并控制火焰大小。

（3）排煙冷卻系統。排煙冷卻系統包含兩部分，一部分為幕墻耐火試驗爐頂部的高溫吸煙罩吸入的外部煙塵，另一部分為爐后側下部及中部設置的管道排出的爐內煙塵。試驗爐底部設置6 個間距0.8m 的排煙管道（圖1 右），爐內高熱量的煙氣經過排煙管道后，將爐體內的煙氣排出，在橫向管道外側采用的噴淋方式（見圖1～9）進行外部一級降溫冷卻。頂部集煙罩（圖1 ～3）收集的煙氣通過可伸縮管路和經過一級降溫的爐內煙氣通往主排煙管路，主排煙管道通過豎直管道風量調節板（見圖1 ～7）調節冷卻風量進風大小，可以使進入風機的混合風進行二級冷卻使溫度再次降低，以使空氣溫度控制在200℃以下。爐體中部增加4 個可開合式排煙管道（見圖1 右），如做大型幕墻時可打開，加快煙氣的排放，并對爐內的壓力控制起到調節作用。

（4）凈化系統。幕墻耐火試驗爐收集的煙塵經過降溫后需要進入凈化系統除塵凈化。煙塵依次進入旋風降溫箱（圖3），配有鋁制水冷散熱器及溫感探頭的折流降溫箱、過濾器、低溫等離子煙塵設備，然后離心風機排除凈化后的煙氣。經對有組織廢氣和無組織廢氣檢測，滿足排放標準。

圖3 煙氣凈化處理設施

2.1.3 控制系統

（1）溫度采集及控制。溫度測量采用鎳鉻-鎳硅（k）熱電偶，合計48 只。其中爐內21 只溫度探頭，探頭為活動式，當一定平臺上下活動時，探頭可后撤隱藏。其他溫度測點多貼片式探頭，采用直徑為0.5mm 熱電偶，熔焊在厚0.2mm、直徑為12mm 的圓形銅片上，符合GB/T16839.1 規定。

試驗爐內火荷載的溫度升溫曲線分為室外溫度曲線和室內溫度曲線（圖4），幕墻試件可以根據試驗需求做相應的耐火試驗。室內溫度曲線按照公式T=345lg(8t+1)+T0（T0 為試驗初始溫度，此處采用20℃）控制爐內的平均溫度。室外溫度曲線按照T=660（1-0.687e（-0.32t）-0.313e（-3.8t）+T0 控制試驗爐內溫度，37 分鐘后，爐內溫度穩定在680℃。

（2）壓力采集及控制。爐內壓力測量需用7 個壓力傳感器，測量范圍-100 ～100Pa。位置布置在耐火爐內后部中間偏左500mm、從底到頂每隔1m 一個。測壓探頭為T 形耐高溫不銹鋼管，從爐內穿過爐墻到達爐外，壓力信號反饋給PLC，由出風管路兩側的調節封板和排煙風機的排風量大小來調節壓力值。在試驗開始5min后，爐內壓力達到15±5Pa 的正壓，10min 后，達到17±3Pa。

（3）點火控制。液化石油氣通過氣化爐氣化后經過兩次減壓調節使壓力穩定在12kPa，燃氣端按順序經過球閥、電磁閥、空燃比例閥、不銹鋼軟管連接到點火嘴的燃氣端入口，點火嘴采用有焰燒嘴，工作壓力為5～15kP。

助燃氣體由變頻器控制風機給點火嘴供氣，空氣壓力大于到1KP，助燃氣體分別經過手動蝶閥、電動蝶閥（自動控制進氣量），空氣軟管連接到點火嘴的空氣端入口。自動點火控制器通過PLC 控制進行點火，燃燒器自動調節空氣和燃氣的比例，使燃氣能充分燃燒達到點火效果，通過調節供氣量的大小控制點火嘴熱量的輸出。

（4）軟件系統。耐火試驗爐的監控點位接近400 個，包括溫度點、壓力點、點火控制點和各種反饋點，控制系統由臺達PLC 的AS228T-A 雙主機共同協作完成（見圖5）。AS228T-A 主機1 與組態軟件配合使用，采集溫度、壓力、點火控制器、風機、冷卻水泵等各部件工作狀態的反饋信號，并控制各部件的開啟。AS228T-A 主機2 控制各部件的模擬量輸入輸出，如點火嘴供氣量的大小，風機的轉速等。

圖5 系統硬件配置圖

軟件的監控界面采用WINDOWS10 操作系統、人機界面利用杰控軟件開發，可以收到PLC 和其它部件的各種信息并進行反饋，控制設備運行。圖7 是試驗運行中監控主界面，左面上部是基本信息，左面中部為溫度壓力顯示區域，右部為圖形曲線顯示界面，室內曲線和室外曲線可以自由切換。測試期間實時顯示測量結果并動態地繪出完美曲線，數據可以永久保存、調閱和打印輸出，可直接打印報表。

2.1.4 報警系統

（1）控制報警系統。控制端報警系統主要是點火前各項準備條件和運行中出現的一些情況。點火前需滿足工作條件，如助燃風機、恒壓風機、點火器的供電；液化氣高低壓、助燃氣體供氣壓力等；燃氣報警、汽化爐等工作狀態、溫度傳感器、壓力傳感器是否正常等，各部件正常，綠燈亮起，可以進入點火試驗，如不正常需查驗。點火后如爐內各溫度點溫差過高，壓力過大，點火嘴沒有火焰，排煙口溫度過高等。出現報警信息后，需觀察設備運行情況進行處理。

（2）燃氣報警系統。燃氣報警設備采用CA-2100D濃度報警主機和6 個CA-217A 濃度報警探頭，在液化氣室和氣化室內共配有3 臺防爆風機，并配有防爆照明系統。由于燃氣密度比空氣大，所以可燃氣體探測器都是距離地面10cm 處安裝，其中液化氣室裝有2 個，氣化室裝有2 個，垂直爐燃氣管路下方左右各有1 個。一旦液化氣泄漏濃度超標，報警鳳鳴想起、防爆風機啟動機將泄漏的液化氣排放到室外，并自動切斷供氣電磁閥。報警問題解決后，點擊復位報警停止。

（3）視頻監控系統。監控室可直視且距試驗爐直線距離宜大于20m，設備四周配有24 小時攝像設備，可通過手機時時監測。設備監視系統由5 個攝像頭、錄像機和監視器等組成，其中3 個高空球機變焦攝像頭可大范圍觀察廠房情況，2 臺變焦定向攝像頭放在對準耐火爐的方向，可以時時監控，并可以通過軟件在有網絡的任何地方對現場進行監視現場情況。

3 試驗數據

3.1 幕墻耐火試驗

幕墻試件的耐火完整性、耐火隔熱性的檢測基于試件耐火時間的長短作為分級判定(見表1)。

表1 防火性能分級表

圖6 是某次試件試驗前后對比圖，左側為試驗前安裝的幕墻試件，右側為65 分鐘后試件。在試驗爐運行3 min15s 時，左側內側第一片玻璃破碎脫落；運行3min 22s 時，膠片發生反應；3min40s，右側內側第一片玻璃破碎脫落；30min 和60min 在外層為破裂，65min 試驗停止。由于在60min 內，試件外測試棉墊未被點燃，幕墻未出現縫隙，背火面未出現火焰，按照表1 的中的性能分級表可以看出，這個幕墻試件耐火完整性超過60min，滿足2 級要求。圖6（下）是背火面溫度曲線圖，幕墻玻璃上布置了一些溫度點，60min 時背火面平均溫度溫升為95.7℃，最高溫度溫升為98.5℃，符合隔熱要求，所以耐火隔熱性合格。

圖6 耐火完整性、耐火隔熱性試驗前后對比圖及背火面溫度曲線圖

3.2 幕墻封堵試驗

幕墻耐火爐設備還可以檢測層間封堵系統的試驗（圖7）。試驗爐頂通過上下調整可作為建筑層間樓板與幕墻之間填充具備密封和伸縮功能防止豎直方向火災蔓延的封堵密封系統，選擇相應封堵材料，做好兩側（圖7左）和層間封堵系統。防火封堵構造采用室內標準升溫曲線進行試驗。圖7 右側曲線為試驗正在運行中的溫度曲線，試驗最終運行到120min 后，防火封堵系統的封堵效果依然良好，該樣品所檢項目的檢測結果符合GB/T 41336-2022 的第4 級(i)的技術指標要求。試驗驗證設備具有檢測層間封堵系統的能力。

圖7 幕墻封堵性試驗

4 結語

（1）開發了一種檢測設備，可以檢測建筑幕墻的耐火性能；（2）幕墻檢測設備具有洞口調節能力，減少封堵材料，節能減排，同時調節的爐頂可以作為模擬樓板，安裝層間防火封堵系統，測試其封堵效果；（3）通過對幕墻的耐火性能的檢測，可以不斷改進和提高更合適的防火材料和防火結構的應用，為提高幕墻耐火完整性提供了科學合理的技術支持，也為建筑消防安全提供了堅實的技術保障。

隨著人們對火災防范意識的增強，幕墻防火相關的檢測必定越來越嚴格，越來越普及。本設備的開發將為國家的建筑安全貢獻一份力量。