高温下建筑幕墙封堵方法研究

高温下建筑幕墙封堵方法研究

建筑墙体是由支撑结构和装饰结构组成的。相对于主结构的结构可能具有一定的位移能力，但在不相容主结构的情况下，可采用主结构的外部结构或装饰结构。自20世纪80年代起,幕墙日益得到广泛应用。一方面建筑幕墙大都具有自重轻、装饰艺术效果好、便于施工等优点,其应用取得了较好的社会经济效益,给城市带来了整洁美丽。但另一方面,复杂美观的建筑幕墙设计也会为消防安全带来负面影响。2009年元宵节,中央电视台新大楼北配楼发生火灾,造成文化中心外立面严重受损。而据分析,火灾发生点就在钛锌合金幕墙处,幕墙封堵处理不恰当和保温层选材存在问题是该火灾造成重大损失的主要原因。因此,如何提高幕墙的耐火极限,延长幕墙抵御火灾的时间,尽量减少火灾带来的损失,是幕墙设计应用中必须考虑的问题。笔者通过分析建筑幕墙的火灾危险性,明确了幕墙防火封堵对幕墙消防安全的重要性,为确保建筑幕墙使用的消防安全,在对现有防火封堵方式进行安全性分析的同时,提出了新的幕墙防火封堵解决方案。1防火墙火灾的风险1.1幕墙不锈钢、铝合金、石材幕墙幕墙的分类形式较多,根据面板材料的不同可分为玻璃幕墙、金属幕墙(不锈钢、铝合金)、石材幕墙等。在实际应用中,特别是大型工程项目中,多采用组合幕墙,即在同一工程中同时采用玻璃、金属板材、石材等作为幕墙的面板,以形成更加灵活多变的建筑立面形式和效果。1.2幕墙自身退火导致的火灾幕墙的火灾危险性主要体现在以下几个方面:(1)火势易于蔓延。从幕墙的分类和组成分析可知,构成幕墙的材料主要有钢、铝合金、玻璃或石材、粘结密封剂等。这些材料自身的火灾燃烧特性在很大程度上影响了幕墙的火灾危险性。首先,幕墙的骨架材料多为型钢和铝合金型材,两者的耐火性能都比较差。型钢在300~400℃时强度迅速下降,温度达到550℃左右时,型钢强度降低幅度更为明显,一般在15min左右就会丧失承重能力而垮塌。而铝合金型材的耐火性能较型钢更差,其力学性能如屈服强度、弹性模量等随温度升高而降低,在250~330℃时就失去承载能力,温度达到400℃时,铝材还会变软、熔化。这些都会使玻璃、石板等板材失去支承而坍落,使防火墙、防火带失效。其次,幕墙的玻璃一般多采用热反射玻璃、钢化玻璃等。这些玻璃的强度高但耐火完整性、隔热性等性能较差,一般在250℃左右的高温作用下,用作幕墙的玻璃因温度应力的作用容易发生炸裂脱落。在烈火作用下发生玻璃破碎往往只需要很短的时间,例如浮法玻璃遇火1min炸裂,钢化玻璃遇火5~8min炸裂。而石材同玻璃一样也是脆性材料,其抗火性差,当受热或遇火烧时也易变形、破碎毁坏而造成幕墙大面积掉落。再次,目前在玻璃幕墙结构设计中,通常在幕墙玻璃和铝框之间采用橡胶、聚乙烯泡沫等材料相隔,以应对玻璃和铝合金在温度骤变情况下产生的“冷桥”现象,但这一做法承受温度变化的范围仅在-40~50℃之间。建筑物发生火灾时,房间内的温度持续升高,火焰及高温烟气的作用使结构温度远远超过50℃,导致结构膨胀过大,很容易造成玻璃脱落。可见,由于构成幕墙的材料自身耐火性能较差,导致火灾时,幕墙玻璃、石板等受热或遇火烧时易变形、破碎或失去支撑,造成幕墙大面积掉落。一方面,当幕墙玻璃或石材开裂掉落后,敞开的围护结构成为火势蔓延的捷径,火焰可通过幕墙外侧窜至上一层墙面,并在烧裂上层玻璃幕墙后窜入上层室内,导致火灾在纵向迅速蔓延。例如,1994年,上海某文化宫二楼发生火灾,外墙面为玻璃幕墙,10~15min时间内杆件熔化掉落,玻璃炸裂,火势迅速蔓延,使二、三层全部受损。另一方面,由于玻璃幕墙与建筑物墙体之间有一定的间隙,在提供了火势的竖向蔓延途径的同时,在一定时间内,因玻璃幕墙的阻挡作用,使热的传播方向发生改变,当火焰和烟气温度高达1000℃左右时,相邻的玻璃在高温中变软、熔化,极易使相邻的楼层和房间着火,导致火灾在横向上进行蔓延,在外部风力作用下还可能会引起邻近建筑物燃烧。此外,由于建筑构造的要求,玻璃幕墙往往跨越多个楼层,幕墙与建筑砖墙间留有较大的缝隙。发生火灾时,如果幕墙玻璃与建筑物各楼层楼板、房间间墙的缝隙未经处理或处理不恰当,且消防系统不完善,则火焰和烟气也可通过缝隙向上层扩散弥漫,防火分区被破坏。总之,与普通建筑物外墙相比,建筑幕墙各组成材料的耐火性能不高,发生火灾时,如不采取一定措施,会导致火焰和烟气沿着幕墙破裂的洞口或幕墙与楼板、隔墙等连接部位的缝隙向相邻楼层或防火分区蔓延,蔓延速度较快,容易危及整个建筑物的安全。(2)疏散扑救困难。采用建筑幕墙的多为人群密集的大型公共建筑或是重要的高层、超高层建筑。这些建筑本身就具有安全疏散及扑救难度大的特点。此外,幕墙自身的特性也导致火灾时的疏散及扑救困难。建筑物内火灾发生的初期,由于建筑幕墙的整体密封性能较好,消防队员从建筑物外面无法准确判断起火部位和火势大小,增加了火灾扑救的难度,延长了扑救时间。同时,建筑幕墙的良好密封性不利于外部施救人员使用登高消防车辆从室外直接灭火,也增加了建筑内被困人员的营救困难。随着建筑物内火灾的进一步发展,幕墙玻璃破碎,火势通过幕墙外侧或幕墙与建筑物各楼层楼板、房间间墙的缝隙等处,在纵向、横向上迅速蔓延,使火灾发展为立体式火灾。此时,由于建筑物内烟雾弥漫、能见度低、呼吸受阻,消防队员进入楼内施救困难较大;而如果从建筑物外部喷水扑救,则需要大功率的消防车,这些都进一步增大了火灾扑救难度。此外,发生火灾期间从高处落下的窗扇、玻璃碎片等若越过防火挑檐掉落在通向建筑物的出入口处,则存在对疏散人员造成次生灾害的隐患。(3)容易造成人员伤亡和财产损失。建筑物内发生火灾时,大火可将石材幕墙挂石板的不锈钢板和钢材软化,使其因失去强度而导致石板剥离;高温作用或由于玻璃与框架热胀系数的不一致,也可能致使玻璃破碎而脱落,进而当玻璃幕墙达到结构极限时,可能发生结构性破坏,向下脱落各种碎片。这些破碎的玻璃、板材等物体从高空坠落,会威胁地面人员的人身安全。由于建筑幕墙靠主要道路的一侧也是消防队员停放车辆、进行灭火作业的一面,火灾时从天而降的玻璃等物体也会危及消防人员的安全,不利其迅速开展扑救操作。此外,消防人员作业时,为更好实施灭火扑救可能需要破坏玻璃幕墙,也会造成一定的财产损失。2符合内部防火要求的玻璃幕墙设计从前文分析可知,幕墙的耐火性能对于建筑本身至关重要。针对幕墙建筑的火灾特点,可以采取的防火措施包括选择防火玻璃、竖向防火分隔、横向防火分隔和防烟分隔、设置排烟系统,或是在幕墙四周天花板处设置感烟探测器和喷淋设施加以保护等。对于建筑幕墙的防火设计,《建筑设计防火规范》GB50016-2006在第7.2.7条、《高层民用建筑设计防火规范》GB50045-2005在第3.0.8条都进行了专门规定。《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ102-2003对玻璃幕墙的设计施工进行了详细规定。第4.4.6条明确规定“玻璃幕墙的防火设计应符合现行国家标准《建筑设计防火规范》GB50016的有关规定;高层建筑玻璃幕墙的防火设计尚应符合现行国家标准《高层民用建筑设计防火规范》GB50045的有关规定。”。这些规定内容基本一致,包括如下三方面:(1)窗槛墙、窗间墙的填充材料应采用不燃材料,如岩棉、矿棉、玻璃棉、硅酸铝棉等;当外墙面采用耐火极限不低于1.00h的不燃烧体时,其墙内填充材料可采用难燃材料,如阻燃泡沫塑料。(2)无窗间墙和窗槛墙的幕墙,应在每层楼板外沿设置耐火极限不低于1.00h、高度不低于0.8m的不燃烧实体裙墙。(3)幕墙与每层楼板、隔墙处的缝隙应采用防火封堵材料封堵。可以看出,规范对窗槛墙、窗间墙的规定主要是为了防止火灾的迅速蔓延,其中进行竖向防火分隔是幕墙建筑防火的关键。第3条提出了防火封堵的要求。若对幕墙与楼板、隔墙之间的缝隙没有进行密封或密封不好,烟火就会由此向上扩散,造成蔓延。这在高层特别是超高层建筑中尤为突出,更说明防火封堵的重要性。3锚点内的防火封堵设计按照《建筑防火封堵应用技术规程》CECS154:2003的定义,防火封堵是采用防火封堵材料对空开口、贯穿孔口、建筑缝隙进行密封或填塞,使其在规定的耐火时间内与相应构件协同工作,以阻止热量、火焰和烟气蔓延扩散的一种技术措施。幕墙的防火封堵构造系统有许多的做法,但无论何种方法,构成系统的材料都应具备设计规定的耐火性能。《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ102-2003中规定了玻璃幕墙防火封堵的位置,要求“玻璃幕墙与其周边防火分隔构件间的缝隙、与楼板或隔墙外沿间的缝隙、与实体墙面洞口边缘间的缝隙等,应进行防火封堵设计。”(第4.4.7条)。规范对防火封堵的功能要求也进行了规定,指出耐久性、变形能力、稳定性是防火封堵材料或系统的基本要求,应根据缝隙的宽度、性质(如是否发生伸缩变形等)、相邻构件材质、周边其它环境因素以及设计要求综合考虑,合理选用。一般,缝隙大、伸缩率大、防火等级高,则对防火封堵材料或系统的要求高。《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ102-2003中第4.4.11条还对防火封堵的具体做法进行了规定:“玻璃幕墙与各层楼板、隔墙外沿间的缝隙,当采用岩棉或矿棉封堵时,其厚度不应小于100mm,并应填充密实;楼层间水平防烟带的岩棉或矿棉宜采用厚度不小于1.5mm的镀锌钢板承托;承托板与主体结构、幕墙结构及承托板之间的缝隙宜填充防火密封材料。当建筑要求防火分区间设置通透隔断时,可采用防火玻璃,其耐火极限应符合设计要求。”根据上述规定可知,常用幕墙封堵的方法为:在玻璃幕墙与每层楼板、隔墙处的缝隙处采用非燃性封缝材料填实。楼板处的封堵用一条L型镀锌铁皮固定在幕墙的横档上,再在铁皮上面铺放非燃性封缝材料如岩棉、石棉、玻璃渣、防火堵料等;之后再用非燃材料如镀锌板等固定罩住。隔墙处可用相同方法,先在隔墙两侧固定镀锌铁皮,然后再往中间填塞不燃材料。该方法存在着一定缺陷,主要为岩棉在700℃以上碳化,碳化后的岩棉基本上没有强度,在拔风作用下会消失殆尽,失去阻火作用。同时,铁皮在高温时强度降低,失去承托能力,会导致封堵层垮塌。4双焦固定防火板大孔隙无-的密合式密度墙传统的幕墙防火系统存在一定缺陷,为此杭州市有关设计生产部门进行了改进方案的探索和实践,经在加州阳光、吉利汽车、台州会展中心等项目的多次应用,证明合理有效,具体方案如图1所示:用电缆防火隔板上下面作支架,靠板大孔隙用防火包填实,幕墙玻璃接触面用有机防火堵料填实。该方案的优点是:(1)支架选用电缆防火板,受火在700℃内强度基本不变。防火包和有机防火堵料遇火后膨胀率为20%以上,能有效填塞空隙,形成一个坚固的致密耐火层,其耐火极限达3h,阻止烟和火向上蔓延。(2)耐火温度达1100℃以上,背火面温度升高值在180℃以下。(3)防火包的包体材料为硅酸铝纤维,较普通岩棉有更好