袁青 鄔紅茹 彭磊 劉娜 YUAN Qing，WU Hongru，PENG Lei，LIU Na

1 上海中森建筑與工程設(shè)計(jì)顧問有限公司

2 中國(guó)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司

3 應(yīng)急管理部天津消防研究所

4 濟(jì)南高新控股集團(tuán)有限公司

1 建筑效果圖

2 層間防火分隔形式

3 模擬煙氣分布云圖

1 研究背景

當(dāng)前，超高層建筑發(fā)展迅猛，但隨之而來的是消防安全問題。層間消防隔斷設(shè)計(jì)是超高層建筑消防安全設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，關(guān)系著建筑立面的視覺效果和建筑防火分區(qū)功能的實(shí)現(xiàn)，即在荷載滿足參數(shù)要求的前提下有效阻止火焰及煙氣沿建筑幕墻的外表面蔓延。

2 項(xiàng)目介紹

濟(jì)南漢峪金谷A5-3項(xiàng)目（圖1）位于山東省濟(jì)南市高新區(qū)的漢峪金融服務(wù)區(qū)A地塊，建筑高度339m，由一幢69層的超高層主樓和一幢4層的裙房組成。項(xiàng)目地上建筑面積183 148.25m2，地下建筑面積70 706.07m2，主要功能為辦公及五星級(jí)酒店，屬于超過250m的超高層建筑。建筑功能復(fù)雜，可燃物類型多。辦公區(qū)的主要可燃物為辦公家具及電腦、資料等辦公用品，酒店客房?jī)?nèi)的室內(nèi)設(shè)施和陳設(shè)家具等可燃物分布連續(xù)、數(shù)量大，多為可燃、易燃材料，一旦燃燒，火災(zāi)蔓延迅速，火災(zāi)荷載大。引燃源可能為電氣故障或人為因素。

超高層建筑救援是一項(xiàng)國(guó)際難題，目前還沒有專門針對(duì)超高層建筑提出的有效救援措施。設(shè)計(jì)安全可靠的層間防火分隔是阻止火焰及煙氣沿建筑幕墻外表面蔓延的有效手段，也是幕墻設(shè)計(jì)的一個(gè)重點(diǎn)。

3 防火分隔的基礎(chǔ)條件分析

根據(jù)建筑立面形式，設(shè)定了三種層間上下開口分隔方式。A方式在樓板樓面標(biāo)高上部設(shè)置850mm高的A級(jí)不燃隔斷，包含250mm的樓板厚度和100mm的地面裝飾厚度；B方式在樓面標(biāo)高上部設(shè)置150mm高度的防火隔斷，樓板下部設(shè)置700mm隔斷，包含250mm的樓板厚度和100mm的地面裝飾厚度；C方式在樓板下部設(shè)置850mm的不燃隔斷，包含250mm的樓板厚度和100mm的地面裝飾厚度。這三種方式都滿足現(xiàn)行建筑及幕墻規(guī)范要求的1 200mm高度。根據(jù)建筑效果及實(shí)際體驗(yàn)，A方式不滿足項(xiàng)目追求的通透、寬敞的特點(diǎn)；B、C方式滿足項(xiàng)目要求，最后選擇B方式作為層間防火分隔形式（圖2）。根據(jù)B方式的結(jié)構(gòu)形式對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行火災(zāi)模擬，火災(zāi)按t2火發(fā)展計(jì)算，火災(zāi)增長(zhǎng)系數(shù)α＝0.04689kW/s2，火災(zāi)最大熱釋放速率為9.0MW。

本項(xiàng)目幕墻玻璃采用中空夾膠玻璃（HS8+1.52PVB+HS8+12A+TP12），外側(cè)為雙層夾膠玻璃（均為8mm厚的半鋼化玻璃），夾膠層為1.52mm厚PVB樹脂，內(nèi)側(cè)采用單層12mm厚的鋼化玻璃，夾膠玻璃與鋼化玻璃之間的空氣層厚度為12mm。中空夾膠玻璃可有效減小鋼化玻璃自爆造成的影響，避免內(nèi)側(cè)鋼化玻璃出現(xiàn)破碎，也可避免人員墜落和碎片墜落傷人的危險(xiǎn)。

國(guó)外著名消防研究所Manzello測(cè)試了單層鋼化玻璃在火災(zāi)環(huán)境下的性能，試驗(yàn)表明6mm厚的單層鋼化玻璃在破裂時(shí)迎火面的煙氣溫度為400。C。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)對(duì)單層鋼化玻璃在火災(zāi)中破裂情況進(jìn)行了研究，單層6mm厚的鋼化玻璃發(fā)生破裂時(shí)迎火面的環(huán)境溫度在350。C，單層10mm厚鋼化玻璃發(fā)生破裂時(shí)迎火面的環(huán)境溫度在470。C以上。公安部天津消防研究所對(duì)雙層鋼化玻璃在火災(zāi)中破碎情況的試驗(yàn)表明，6mm厚的雙層中空鋼化玻璃破裂時(shí)迎火面的環(huán)境溫度在600。C以上。

對(duì)于雙層夾膠玻璃在火災(zāi)情況下破裂時(shí)的溫度特性，國(guó)內(nèi)外均缺乏試驗(yàn)研究，從現(xiàn)有文獻(xiàn)中無法獲得其破裂時(shí)迎火面的環(huán)境溫度。根據(jù)既往試驗(yàn)結(jié)果，雙層8mm厚半鋼化夾膠玻璃完全破裂脫落時(shí)迎火面的環(huán)境溫度最低為553。C，平均溫度為582。C。綜合考慮，本研究把雙層夾膠玻璃破裂時(shí)迎火面的環(huán)境溫度下限確定為500。C。

4 軟件模擬分析

將上述初始環(huán)境條件輸入到火災(zāi)模擬軟件FDS中進(jìn)行模擬，可得出計(jì)算結(jié)果切片和各測(cè)點(diǎn)的溫度（圖3～6）。結(jié)果表明，在火災(zāi)穩(wěn)定燃燒階段，著火層上層玻璃下沿外側(cè)4-1測(cè)點(diǎn)的最高溫度約為435。C，平均溫度為418。C。

5 層間防火分隔材料及系統(tǒng)的分析對(duì)比

當(dāng)樓板上部設(shè)置高度為250mm的不燃性墻體，下部設(shè)置高度為700mm，樓板及墻體的總高度為1 200mm時(shí)，著火房間上層玻璃下沿外側(cè)測(cè)點(diǎn)的最高溫度為358。C，低于可導(dǎo)致上層夾膠半鋼化玻璃發(fā)生破裂的極限溫度。結(jié)合上述分析，層間不燃?jí)w選擇耐火1.5h的材料。選擇混凝土空心墻板、1.5mm鍍鋅鋼板包裹100mm厚防火棉、鎂基防火墻板三種材料進(jìn)行對(duì)比。

當(dāng)選擇混凝土板作為幕墻層間不燃?jí)w時(shí)，由于本項(xiàng)目采用250mm厚挑板作為樓板，若混凝土板采用實(shí)心板，將對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的作用力，會(huì)改變?cè)ㄖ慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，影響比較大。選擇空心混凝土板需要提高混凝土的標(biāo)號(hào)才能保證強(qiáng)度要求，但在正面火燒的情況下，高標(biāo)號(hào)的混凝土?xí)a(chǎn)生將面板擊穿、降低面板減緩火焰外溢功能、提前破壞上下開口面板的情況，有可能引起火勢(shì)向上下層蔓延。

當(dāng)選擇1.5mm鍍鋅鋼板包裹100mm厚防火巖棉作為幕墻層間不燃?jí)w時(shí)，需要將鍍鋅鋼板與幕墻的立柱、橫梁連接，幕墻選用鋁合金龍骨，在660℃時(shí)會(huì)完全熔化，會(huì)提早產(chǎn)生變形，導(dǎo)致鍍鋅鋼板與結(jié)構(gòu)連接部位脫落。由于龍骨損壞，在重力和轟燃的作用下易導(dǎo)致不燃體脫落。樓板混凝土受熱爆裂也會(huì)對(duì)連接部位產(chǎn)生推力，導(dǎo)致不燃體脫落，將火勢(shì)和煙氣向上下層蔓延，擴(kuò)大火災(zāi)范圍。

4 玻璃表面溫度分布云圖

5 模擬試驗(yàn)火源位置溫度縱向分布云圖

6 模擬著火層上層幕墻玻璃下沿附近的煙氣溫度

7 消防性能化試驗(yàn)實(shí)體模型

8 實(shí)體燃燒試驗(yàn)玻璃破裂后照片

9 實(shí)體燃燒試驗(yàn)玻璃破裂后照片

10 實(shí)體燃燒試驗(yàn)玻璃破裂后照片

11 模擬著火層上層幕墻玻璃下沿附近的煙氣溫度比較

通過以上分析，不燃體的選擇需要滿足以下條件：1）達(dá)到A1級(jí)防火要求；2）材料自重低；3）不燃體自身強(qiáng)度高、抗沖擊能力強(qiáng)；4）構(gòu)造連接必須與主體結(jié)構(gòu)有可靠的連接，并且能擁有相應(yīng)的防火等級(jí)；5）不燃體之間的連接需要滿足防火、防煙要求，并具有抗位移等功能。

根據(jù)上述功能要求，對(duì)比多種材料，最終采用表面覆層纖維增強(qiáng)的氧化鎂及硫酸鎂的夾芯防火一體板。該板經(jīng)過專業(yè)檢測(cè)為A1級(jí)防火材料，配置為15mm面板+50mm防火巖棉（容重不低于120kg/m3）+15mm背板，一體澆注，采用空心構(gòu)造，實(shí)心部位體積僅為相同截面混凝土的一半，實(shí)心部分密度為1.8t/m3，只有實(shí)心混凝土板重量的40%；一體成型后的防火板整體剛性強(qiáng)，具有優(yōu)越的力學(xué)性能，單面板抗壓強(qiáng)度＞50MPa，抗彎強(qiáng)度＞25MPa。把該墻體用?8mm的鋼質(zhì)螺栓固定在幕墻單元體的鋼轉(zhuǎn)接件上，形成整體單元，構(gòu)造可靠穩(wěn)定。連接幕墻單元體、不燃性墻體與樓板的鋼轉(zhuǎn)接件表面涂刷耐火極限不低于1.5h的防火涂料。樓板和幕墻單元體框架不燃性墻體之間的縫隙采用厚度不小于100mm、容重不低于100kg/m3的防火巖棉進(jìn)行防火封堵，并在巖棉上部采用有機(jī)防火堵料進(jìn)行密封。板塊與單元體龍骨之間縫隙采用防火硅膠密封，板塊之間也采用防火硅膠密封。

5 實(shí)體消防性能化試驗(yàn)過程記錄及結(jié)果分析

該系統(tǒng)在國(guó)家消防檢查中心建立了實(shí)體模型進(jìn)行消防性能化火災(zāi)試驗(yàn)，燃燒室和模擬位置相同，實(shí)際試驗(yàn)臺(tái)與模擬實(shí)驗(yàn)室規(guī)格相同（圖7）。

試驗(yàn)過程中，觀察者位于幕墻南側(cè)，正對(duì)試驗(yàn)裝置。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度為30℃，環(huán)境風(fēng)速≦0.5m/s。點(diǎn)火后約15s，有煙氣從燃燒室背后的開口向外溢出，在約5min時(shí)，有火焰從背后開口向外溢出。著火層室內(nèi)充滿黑煙，從外部難以觀察內(nèi)部的燃燒情況。在約7'30"～9'30"時(shí)，三層幕墻內(nèi)層的三塊鋼化玻璃相繼破裂并脫落；在約17'15"～18'20"時(shí)，三層幕墻夾膠玻璃外層相繼破裂并脫落，大量煙氣和火焰溢出。從著火層溢出的高溫火焰和煙氣對(duì)幕墻層間構(gòu)造逐漸造成破壞，隨著燃燒繼續(xù)，木垛不斷燒蝕（圖8）。在39min時(shí)，1號(hào)木垛倒塌；在41min時(shí)，2號(hào)木垛倒塌。木垛倒塌時(shí)，幕墻層間夾膠玻璃的夾膠層持續(xù)燃燒（圖9）。木垛倒塌后火勢(shì)不斷衰減，幕墻層間面板火苗也不斷減弱，在45min時(shí)僅有微弱的火苗，未對(duì)上層玻璃造成嚴(yán)重影響；試驗(yàn)進(jìn)行到60min時(shí)，明火熄滅，隨即結(jié)束試驗(yàn)（圖10）。

待試驗(yàn)裝置冷卻后，觀察測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)。從外觀上看，三層的幕墻玻璃及鋁合金龍骨幾乎完全燒損，著火層以下的幕墻保持原狀；四層幕墻玻璃整體較為完整；三層和四層之間樓板下部墻體在燃燒室內(nèi)一側(cè)的防火板出現(xiàn)脫落，墻體內(nèi)部巖棉和框架保持完好；在四層未發(fā)現(xiàn)明顯的過火及大量高溫?zé)煔飧Z入情況，鋁合金龍骨保持原狀，受外部高溫火焰和煙氣的作用，夾膠玻璃出現(xiàn)了裂縫，但玻璃未發(fā)生脫落。四層樓板與幕墻之間的防火封堵保持完好，未發(fā)生火焰或大量高溫?zé)煔獯┩傅臓顩r。對(duì)比模擬試驗(yàn)及實(shí)體模型試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)兩種著火層上口的幕墻曲線不盡相同（圖6，11），主要有以下原因。

（1）FDS模擬中的燃燒模型為無限快反應(yīng)模型，而實(shí)際燃燒過程中燃料與氧氣混合并發(fā)生反應(yīng)需要一定的空間和時(shí)間。由于試驗(yàn)中著火房間的空間較小，部分可燃?xì)怏w來不及在室內(nèi)與氧氣混合發(fā)生反應(yīng)，從幕墻上的開口溢出并在室外參與燃燒，造成試驗(yàn)中測(cè)得的著火房間上層幕墻玻璃下沿測(cè)點(diǎn)的溫度高于模擬計(jì)算中得到的溫度。

（2）試驗(yàn)過程中，幕墻層間夾膠玻璃的外層破裂，夾膠層被引燃，夾膠燃燒導(dǎo)致著火層上層幕墻玻璃外側(cè)下沿?zé)犭娕嫉臏囟冗M(jìn)一步上升，而模擬中未考慮層間玻璃夾膠層燃燒的情況。

對(duì)比火災(zāi)試驗(yàn)與計(jì)算機(jī)模擬的結(jié)果，火災(zāi)試驗(yàn)中的場(chǎng)景比計(jì)算機(jī)模擬分析中的設(shè)定火災(zāi)場(chǎng)景更為不利，更好地驗(yàn)證了層間防火設(shè)計(jì)方案防止火災(zāi)從著火層向上蔓延的有效性。通過嚴(yán)苛的模擬分析和實(shí)體模型火災(zāi)試驗(yàn)，以科學(xué)手段驗(yàn)證新型層間構(gòu)造的設(shè)計(jì)合理性，滿足消防要求，是有效阻隔超高層項(xiàng)目火焰及煙氣沿建筑幕墻外表面蔓延的途徑。

6 結(jié)語

該技術(shù)為國(guó)際首創(chuàng)，與幕墻結(jié)合的形式亦為創(chuàng)新，該技術(shù)基本突破了消防新規(guī)要求預(yù)留上坎墻的強(qiáng)制要求，解決了建筑室內(nèi)景觀、商業(yè)價(jià)值、消防設(shè)計(jì)之間的沖突。傳統(tǒng)的技術(shù)需要用科學(xué)方法驗(yàn)證其可行性，本研究通過對(duì)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)手段及工藝進(jìn)行提煉升華，運(yùn)用各類專業(yè)手段組合，輔以科學(xué)試驗(yàn)，力求開發(fā)適合項(xiàng)目實(shí)際需求的優(yōu)良產(chǎn)品。本試驗(yàn)及模擬遵照上述方式，圓滿實(shí)現(xiàn)了建筑層間消防性能化試驗(yàn)的目的，其結(jié)果將指導(dǎo)幕墻行業(yè)的持續(xù)變革。