淺談防火玻璃幕墻設(shè)計(jì)

    JGJ 102-2003 玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范條文說明部分第4．4．7條明確指出: 雖然玻璃幕墻本身一般不具有防火性能，但是它作為建筑的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)，是建筑整體中的一部分，在一些重要的部位應(yīng)具有一定的耐火性，而且應(yīng)與建筑整體防火要求相適應(yīng)。玻璃幕墻與其周邊防火分隔構(gòu)件間的縫隙、與樓板或隔墻外沿間的縫隙、與實(shí)體墻面洞口邊緣間的縫隙等，應(yīng)先進(jìn)行防火封堵設(shè)計(jì)。防火封堵是目前建筑設(shè)計(jì)中應(yīng)用比較廣泛的防火、隔煙方法，是通過在縫隙間填塞不燃或難燃材料或由此形成的系統(tǒng)，以達(dá)到止火焰或高溫?zé)煔庠诮ㄖ��?nèi)部擴(kuò)散的目的。玻璃幕墻的防火封堵構(gòu)造系統(tǒng)的填充料及其保護(hù)性面層材料，應(yīng)采用耐火極限符合設(shè)計(jì)要求的不燃燒材料或難燃燒材料。玻璃幕墻的防火封堵構(gòu)造系統(tǒng)，在正常使用條件下，應(yīng)具有伸縮變形能力、密封性和耐久性; 在遇火狀態(tài)下，應(yīng)在規(guī)定的耐火時限內(nèi)，不發(fā)生開裂或脫落，保持相對穩(wěn)定性。防火封堵材料或封堵系統(tǒng)應(yīng)經(jīng)過國家認(rèn)可的專業(yè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行測試，在合格后方可應(yīng)用于實(shí)際幕墻工程。由此可見，建筑幕墻除應(yīng)具有外裝飾的圍護(hù)作用，還應(yīng)有一定的防火、阻火作用。

    筆者不久前完成的一幢建筑物外裝飾幕墻工程就包括有防火玻璃幕墻，工程業(yè)主是一家德國大型集團(tuán)公司，外立面幕墻是由德國建筑師完成的，要求幕墻公司在進(jìn)行幕墻深化設(shè)計(jì)時不得改變外立面效果，即外立面即使有防火要求，其外視及內(nèi)視效果也必須保證與周邊普通玻璃幕墻一致。該建筑物高度在40m左右，平面呈H 形，每一層均有多個防火分區(qū)，防火分區(qū)分界處的室內(nèi)防火隔墻有些與外立面有交接，但由于每一樓層室內(nèi)分隔不同，所以每一層防火隔墻位置不同，也即每一層防火玻璃幕墻的位置不同，經(jīng)統(tǒng)計(jì)共在6個樓層有9處防火幕墻。

    玻璃幕墻的防火設(shè)計(jì)是一個非常重要的問題，一般幕墻玻璃均不耐火，在250℃即會炸裂，而且垂直幕墻與水平樓板之間往往存在縫隙，如果未經(jīng)處理或處理不合理，火災(zāi)初起時，濃煙即已通過該縫隙向上層擴(kuò)散�；鹧婵赏ㄟ^這一縫隙向上竄到上一層樓層。當(dāng)幕墻玻璃開裂掉落后，火焰可從幕墻外側(cè)竄到上層墻面燒裂上層玻璃幕墻后，竄入上層室內(nèi)。美國安底斯大樓火災(zāi)，大面積玻璃幕墻成為火勢向上蔓延的主要途徑。1988年洛杉磯第一洲際銀行大樓起火后，由于幕墻玻璃很快破裂，火焰沿外墻上卷延燒，造成十分慘重的損失。1994 年1月30日，上海滬西文化宮二樓火災(zāi)，由于外墻面為玻璃幕墻無防火設(shè)施，10min～15min時間，桿件熔化掉落，玻璃炸裂，二、三層全部受災(zāi)。

    經(jīng)市場調(diào)查，在中國能夠供應(yīng)經(jīng)消防檢測中心檢測合格的防火窗的廠商不在少數(shù)，但能夠供應(yīng)有檢測合格證明的防火幕墻的卻幾乎沒有，市場上不能采購到既經(jīng)國家消防檢測中心檢測合格又符合建筑師要求的幕墻系統(tǒng)，究其原因主要有三點(diǎn): 首先，防火玻璃幕墻實(shí)際應(yīng)用量不大，沒有形成如防火窗一樣的市場; 其次，有防火要求的玻璃幕墻往往與普通幕墻在同一立面，建筑師要求防火幕墻與普通幕墻外視效果相同，設(shè)計(jì)起來有很大難度; 再次，建筑物消防驗(yàn)收時必定要求提交有效的防火產(chǎn)品消防檢驗(yàn)證明，如果防火玻璃幕墻設(shè)計(jì)有不合理之處，很難通過國家公安部門的消防檢測。針對這一現(xiàn)狀，筆者自行設(shè)計(jì)了一套防火玻璃幕墻系統(tǒng)，現(xiàn)對本工程防火玻璃幕墻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)分析。

    在進(jìn)行防火玻璃幕墻的設(shè)計(jì)分析前，有必要對玻璃幕墻的防火面加以說明，筆者曾遇到一家國外幕墻系統(tǒng)供應(yīng)商在國外做的幕墻防火檢測報(bào)告，報(bào)告上顯示，假設(shè)著火時，火焰是從室外進(jìn)入室內(nèi)，因此玻璃幕墻應(yīng)具有的功能是阻止火焰從室外蔓延至室內(nèi)，即玻璃幕墻室外側(cè)需具有防火功能。解決這個問題的方式不是很難，因明框玻璃幕墻與室外相交接的材料有玻璃和鋁合金裝飾扣蓋及膠條，只需采用防火玻璃，將鋁合金裝飾扣蓋改為鋼扣蓋，表面噴涂處理外觀同鋁合金后蓋，或是仍采用鋁合金裝飾扣蓋，將其內(nèi)部的內(nèi)壓板改為鋼質(zhì)，同時將玻璃與鋁料周邊的空隙用防火膠密封即可。但筆者在這一問題上的分析卻有不同。

    從實(shí)際出發(fā)，一旦建筑物發(fā)生火災(zāi)，如果不考慮特殊原因，火焰不可能是從室外燃起進(jìn)入室內(nèi)，而只可能是從室內(nèi)燃起( 尤其本建筑物周邊是大片的空地及綠化) ，防火幕墻需要起到的作用與其所在區(qū)域的防火幕墻相同，即著火房間的火焰蔓延時，防火玻璃幕墻須在一定時間內(nèi)( 具體時長由防火玻璃幕墻的等級根據(jù)有關(guān)防火規(guī)范確定) 阻止其向隔壁房間擴(kuò)散，這就要求防火幕墻的室內(nèi)側(cè)具有防火功能，但雙重考慮到室內(nèi)防火隔墻一側(cè)玻璃幕墻失去作用為保證另一側(cè)玻璃幕墻仍可在一定時間內(nèi)阻擋火焰從室外呈弧形進(jìn)入另一側(cè)室內(nèi)，防火玻璃幕墻的室外側(cè)也需同樣具有防火功能。就上述防火幕墻防火面的分析，筆者曾專程前往上海市消防局，咨詢消防工程師，在進(jìn)行詳細(xì)的研究后，筆者的分析得到了上海市消防局消防工程師的認(rèn)可。

    4.1   幕墻系統(tǒng)說明

本工程的幕墻系統(tǒng)采用的是德國旭格幕墻系統(tǒng)，豎向鋁龍骨的截面規(guī)格是60×125，橫向鋁龍骨的截面規(guī)格是60×130，為達(dá)到防火幕墻外視、內(nèi)視效果與普通幕墻相同，同時兼具有效的防火功能，筆者采用了“鋁包鋼”的做法，即防火幕墻鋁料外部仍采用旭格系統(tǒng)鋁合金橫梁、立柱，實(shí)際防火功能在橫梁、立柱內(nèi)部實(shí)現(xiàn)。

    4.2  防火幕墻材料應(yīng)用

    按上述分析，幕墻與室內(nèi)側(cè)相接的材料包括: 玻璃，鋁合金橫、豎龍骨，膠條等。由于本工程防火幕墻的防火級別是乙級，所以玻璃采用防火時間大于54min的防火玻璃，室內(nèi)側(cè)取消膠條，代之以防火膠墊及防火膠，防火膠的長度及弧度與普通玻璃幕墻的膠條相同，橫豎向幕墻龍骨由于外部仍采用鋁合金系統(tǒng)，為達(dá)到防火功能，鋁合金橫豎向龍骨內(nèi)部增加鋼龍骨。

    4.3  防火幕墻原理分析

    為實(shí)現(xiàn)鋁龍骨被火焰燒毀后剩余部分仍是有效的防火系統(tǒng)，首先對玻璃幕墻的內(nèi)部進(jìn)行防火設(shè)計(jì)。在橫、豎向矩形鋼龍骨前端焊接“幾”字形鋼板折彎件，焊接要求滿焊，鋼件與鋼龍骨之間不得留有空隙，該鋼件在橫、豎向均需通長布置，且在橫豎交接處滿涂防火膠，鋼件的長度與鋁合金龍骨的前端相同，其作用是用來與壓板一同固定玻璃。整體鋼龍骨的焊接和打孔全部在工廠完成，由于焊接“幾”字形鋼板后的鋼龍骨的截面總長度已經(jīng)大于鋁合金幕墻龍骨，且折彎鋼件的前端需要與鋁龍骨前端相齊，所以在工廠需將鋁合金龍骨前端部分銑去，銑去的部分要求可以容納鋼龍骨。

    在進(jìn)行防火幕墻的外側(cè)防火設(shè)計(jì)時，相對較簡單，但原理不同，即將原有的鋁合金內(nèi)壓板改為鋼壓板，用于固定玻璃的不銹鋼螺絲經(jīng)過鋼壓板固定在“幾”字形折彎鋼板上。

    系統(tǒng)在正常使用狀態(tài)下外立面可視的部分是鋁合金外扣蓋、玻璃，內(nèi)立面可視的部分是橫、豎向鋁龍骨，玻璃�；鹧嬖谑覂�(nèi)側(cè)將鋁合金材料燒毀后剩余的系統(tǒng)是: 外立面鋼壓板、玻璃、“幾”字形折彎鋼板、鋼立柱及橫梁。

    4.4  防火幕墻的現(xiàn)場安裝

    由于前述提到的本防火幕墻真正起作用是在外層鋁合金橫、豎向龍骨或外扣蓋失去作用后，鋼結(jié)構(gòu)起到防火作用，所以整體鋼結(jié)構(gòu)需要不能依附于鋁龍骨，而是需要單獨(dú)在土建結(jié)構(gòu)上有可靠的固定。

    為解決這一問題，可采用的辦法是鋼龍骨長度在土建洞口向上、向下延伸，長度與鋁龍骨相同，上端圓孔與下端長圓孔位置均與鋁龍骨相同�，F(xiàn)場安裝時先在地面將鋼龍骨與鋁龍骨配合好，再一同上墻安裝，如此一旦鋁龍骨失去作用，鋼龍骨仍可有效固定在土建結(jié)構(gòu)上，從而保證了其防火功能。

    4.5  防火幕墻失去作用可能性分析

    理論上，本系統(tǒng)在正常使用下( 即沒有發(fā)生火災(zāi)時) 與普通幕墻沒有區(qū)別，著火后也可在規(guī)定時間內(nèi)確保對火焰有阻擋作用，但把實(shí)際因素考慮在內(nèi)，上述分析仍不全面。經(jīng)過對上述系統(tǒng)全面的分析，發(fā)現(xiàn)有可能造成防火幕墻喪失有效防火功能的現(xiàn)實(shí)因素有如下三方面:

    1) 由于幕墻橫、豎向龍骨是矩形閉口型材，因此幕墻在被火焰侵襲后大量的熱量積聚在龍骨內(nèi)部無法散發(fā)，鋼龍骨雖不至于在規(guī)定時間內(nèi)熔化，但由于鋼材是熱的良導(dǎo)體，所以其具有的過高溫度會通過防火膠墊傳給玻璃，有可能造成玻璃四周局部溫度過高，最終由于玻璃內(nèi)部溫差過大而爆裂;

    2) 由于玻璃受熱膨脹后尺寸將有所增大，四周將延伸，而“幾”字形折彎鋼板將限制其延伸，從而有可能造成玻璃四周局部受力過大而爆裂;

    3) 由于本工程普通玻璃幕墻部分應(yīng)用的是8Low-E + 12A + 6的中空玻璃，為保證防火幕墻與普通幕墻的外觀一致性，防火幕墻的玻璃配置為8Low-E + 12A + 6 銫鉀中空防火玻璃，普通中空玻璃的內(nèi)外片間在玻璃廠用分子篩隔開，并用密封膠與聚硫膠兩道密封。這個配置在火災(zāi)發(fā)生后的隱患是內(nèi)片防火玻璃尚沒有在高溫下失去作用，但熱量積蓄在兩層玻璃之間的空氣層，空氣層的氬氣受熱膨脹，對兩側(cè)玻璃產(chǎn)生壓力，致使內(nèi)、外片玻璃在失去防火作用之前在壓力作用下發(fā)生爆裂。

針對上述三種可能，為避免防火玻璃幕墻失去防火功能，采取的措施如下:

    1) 為降低鋼龍骨積蓄的熱量，可在鋼龍骨上墻安裝前，內(nèi)部填充防火棉，其作用是防火棉可吸收部分熱量，從而使鋼龍骨的溫度不致升的過快、過高，從而避免鋼龍骨將過多的熱量傳遞給玻璃，治止上述分析到的防火玻璃發(fā)生爆裂的可能性。

    2) 為避免玻璃膨脹后遇“幾”字形鋼板而發(fā)生炸裂，需增大玻璃邊緣與折彎鋼板間的空隙，這可通過盡可能減小“幾”字形的折彎鋼板寬度來達(dá)到，折彎鋼板的寬度以能有效固定壓板螺絲為準(zhǔn)，并適當(dāng)減小玻璃與外扣蓋間的搭接量( 這一寬度在JGJ 102-2003 玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范中有明確規(guī)定，減小后的搭接料仍須滿足規(guī)范要求) ，對于玻璃膨脹后的變形量進(jìn)行計(jì)算，保證玻璃四周與折彎鋼板間的空隙大于這一變形量，并在空隙處填充柔性防火材料，從而避免玻璃碰到折彎鋼板發(fā)生爆裂的可能性。

    3) 為保證防火玻璃幕墻與普通玻璃幕墻的外視效果一致，外片仍采用8m 厚的Low-E玻璃，內(nèi)部仍采用6 mm 厚的防火玻璃，但同時為排放中空玻璃空氣層積蓄的熱量，采用的方法是將內(nèi)外片玻璃之間原本連續(xù)的鋁合金分子篩和雙道密封膠加以改造。在玻璃四邊各設(shè)四個100 mm 長的排氣孔，用以將由室內(nèi)進(jìn)入空氣層的熱量排至室外，從而避免玻璃內(nèi)部空氣層產(chǎn)生壓力。

    普通玻璃幕墻的中空層中間充有惰性氣體氬氣，用以減小玻璃的傳熱系數(shù)，由于本工程防火玻璃幕墻占所有玻璃幕墻的比例非常之小，經(jīng)計(jì)算不影響玻璃幕墻的整體傳熱系數(shù)。

    本工程現(xiàn)已完工，并已正式投入使用。防火幕墻外立面及室內(nèi)立面效果滿足德國建筑師要求，防火幕墻模型送交公安部天津消防研究所實(shí)物檢測合格