浅谈防火玻璃幕墙设计

    JGJ 102-2003 玻璃幕墙工程技术规范条文说明部分第4．4．7条明确指出: 虽然玻璃幕墙本身一般不具有防火性能，但是它作为建筑的外围护结构，是建筑整体中的一部分，在一些重要的部位应具有一定的耐火性，而且应与建筑整体防火要求相适应。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，应先进行防火封堵设计。防火封堵是目前建筑设计中应用比较广泛的防火、隔烟方法，是通过在缝隙间填塞不燃或难燃材料或由此形成的系统，以达到止火焰或高温烟气在建筑内部扩散的目的。玻璃幕墙的防火封堵构造系统的填充料及其保护性面层材料，应采用耐火极限符合设计要求的不燃烧材料或难燃烧材料。玻璃幕墙的防火封堵构造系统，在正常使用条件下，应具有伸缩变形能力、密封性和耐久性; 在遇火状态下，应在规定的耐火时限内，不发生开裂或脱落，保持相对稳定性。防火封堵材料或封堵系统应经过国家认可的专业机构进行测试，在合格后方可应用于实际幕墙工程。由此可见，建筑幕墙除应具有外装饰的围护作用，还应有一定的防火、阻火作用。

    笔者不久前完成的一幢建筑物外装饰幕墙工程就包括有防火玻璃幕墙，工程业主是一家德国大型集团公司，外立面幕墙是由德国建筑师完成的，要求幕墙公司在进行幕墙深化设计时不得改变外立面效果，即外立面即使有防火要求，其外视及内视效果也必须保证与周边普通玻璃幕墙一致。该建筑物高度在40m左右，平面呈H 形，每一层均有多个防火分区，防火分区分界处的室内防火隔墙有些与外立面有交接，但由于每一楼层室内分隔不同，所以每一层防火隔墙位置不同，也即每一层防火玻璃幕墙的位置不同，经统计共在6个楼层有9处防火幕墙。

    玻璃幕墙的防火设计是一个非常重要的问题，一般幕墙玻璃均不耐火，在250℃即会炸裂，而且垂直幕墙与水平楼板之间往往存在缝隙，如果未经处理或处理不合理，火灾初起时，浓烟即已通过该缝隙向上层扩散。火焰可通过这一缝隙向上窜到上一层楼层。当幕墙玻璃开裂掉落后，火焰可从幕墙外侧窜到上层墙面烧裂上层玻璃幕墙后，窜入上层室内。美国安底斯大楼火灾，大面积玻璃幕墙成为火势向上蔓延的主要途径。1988年洛杉矶第一洲际银行大楼起火后，由于幕墙玻璃很快破裂，火焰沿外墙上卷延烧，造成十分惨重的损失。1994 年1月30日，上海沪西文化宫二楼火灾，由于外墙面为玻璃幕墙无防火设施，10min～15min时间，杆件熔化掉落，玻璃炸裂，二、三层全部受灾。

    经市场调查，在中国能够供应经消防检测中心检测合格的防火窗的厂商不在少数，但能够供应有检测合格证明的防火幕墙的却几乎没有，市场上不能采购到既经国家消防检测中心检测合格又符合建筑师要求的幕墙系统，究其原因主要有三点: 首先，防火玻璃幕墙实际应用量不大，没有形成如防火窗一样的市场; 其次，有防火要求的玻璃幕墙往往与普通幕墙在同一立面，建筑师要求防火幕墙与普通幕墙外视效果相同，设计起来有很大难度; 再次，建筑物消防验收时必定要求提交有效的防火产品消防检验证明，如果防火玻璃幕墙设计有不合理之处，很难通过国家公安部门的消防检测。针对这一现状，笔者自行设计了一套防火玻璃幕墙系统，现对本工程防火玻璃幕墙系统的设计进行详细分析。

    在进行防火玻璃幕墙的设计分析前，有必要对玻璃幕墙的防火面加以说明，笔者曾遇到一家国外幕墙系统供应商在国外做的幕墙防火检测报告，报告上显示，假设着火时，火焰是从室外进入室内，因此玻璃幕墙应具有的功能是阻止火焰从室外蔓延至室内，即玻璃幕墙室外侧需具有防火功能。解决这个问题的方式不是很难，因明框玻璃幕墙与室外相交接的材料有玻璃和铝合金装饰扣盖及胶条，只需采用防火玻璃，将铝合金装饰扣盖改为钢扣盖，表面喷涂处理外观同铝合金后盖，或是仍采用铝合金装饰扣盖，将其内部的内压板改为钢质，同时将玻璃与铝料周边的空隙用防火胶密封即可。但笔者在这一问题上的分析却有不同。

    从实际出发，一旦建筑物发生火灾，如果不考虑特殊原因，火焰不可能是从室外燃起进入室内，而只可能是从室内燃起( 尤其本建筑物周边是大片的空地及绿化) ，防火幕墙需要起到的作用与其所在区域的防火幕墙相同，即着火房间的火焰蔓延时，防火玻璃幕墙须在一定时间内( 具体时长由防火玻璃幕墙的等级根据有关防火规范确定) 阻止其向隔壁房间扩散，这就要求防火幕墙的室内侧具有防火功能，但双重考虑到室内防火隔墙一侧玻璃幕墙失去作用为保证另一侧玻璃幕墙仍可在一定时间内阻挡火焰从室外呈弧形进入另一侧室内，防火玻璃幕墙的室外侧也需同样具有防火功能。就上述防火幕墙防火面的分析，笔者曾专程前往上海市消防局，咨询消防工程师，在进行详细的研究后，笔者的分析得到了上海市消防局消防工程师的认可。

    4.1   幕墙系统说明

本工程的幕墙系统采用的是德国旭格幕墙系统，竖向铝龙骨的截面规格是60×125，横向铝龙骨的截面规格是60×130，为达到防火幕墙外视、内视效果与普通幕墙相同，同时兼具有效的防火功能，笔者采用了“铝包钢”的做法，即防火幕墙铝料外部仍采用旭格系统铝合金横梁、立柱，实际防火功能在横梁、立柱内部实现。

    4.2  防火幕墙材料应用

    按上述分析，幕墙与室内侧相接的材料包括: 玻璃，铝合金横、竖龙骨，胶条等。由于本工程防火幕墙的防火级别是乙级，所以玻璃采用防火时间大于54min的防火玻璃，室内侧取消胶条，代之以防火胶垫及防火胶，防火胶的长度及弧度与普通玻璃幕墙的胶条相同，横竖向幕墙龙骨由于外部仍采用铝合金系统，为达到防火功能，铝合金横竖向龙骨内部增加钢龙骨。

    4.3  防火幕墙原理分析

    为实现铝龙骨被火焰烧毁后剩余部分仍是有效的防火系统，首先对玻璃幕墙的内部进行防火设计。在横、竖向矩形钢龙骨前端焊接“几”字形钢板折弯件，焊接要求满焊，钢件与钢龙骨之间不得留有空隙，该钢件在横、竖向均需通长布置，且在横竖交接处满涂防火胶，钢件的长度与铝合金龙骨的前端相同，其作用是用来与压板一同固定玻璃。整体钢龙骨的焊接和打孔全部在工厂完成，由于焊接“几”字形钢板后的钢龙骨的截面总长度已经大于铝合金幕墙龙骨，且折弯钢件的前端需要与铝龙骨前端相齐，所以在工厂需将铝合金龙骨前端部分铣去，铣去的部分要求可以容纳钢龙骨。

    在进行防火幕墙的外侧防火设计时，相对较简单，但原理不同，即将原有的铝合金内压板改为钢压板，用于固定玻璃的不锈钢螺丝经过钢压板固定在“几”字形折弯钢板上。

    系统在正常使用状态下外立面可视的部分是铝合金外扣盖、玻璃，内立面可视的部分是横、竖向铝龙骨，玻璃。火焰在室内侧将铝合金材料烧毁后剩余的系统是: 外立面钢压板、玻璃、“几”字形折弯钢板、钢立柱及横梁。

    4.4  防火幕墙的现场安装

    由于前述提到的本防火幕墙真正起作用是在外层铝合金横、竖向龙骨或外扣盖失去作用后，钢结构起到防火作用，所以整体钢结构需要不能依附于铝龙骨，而是需要单独在土建结构上有可靠的固定。

    为解决这一问题，可采用的办法是钢龙骨长度在土建洞口向上、向下延伸，长度与铝龙骨相同，上端圆孔与下端长圆孔位置均与铝龙骨相同。现场安装时先在地面将钢龙骨与铝龙骨配合好，再一同上墙安装，如此一旦铝龙骨失去作用，钢龙骨仍可有效固定在土建结构上，从而保证了其防火功能。

    4.5  防火幕墙失去作用可能性分析

    理论上，本系统在正常使用下( 即没有发生火灾时) 与普通幕墙没有区别，着火后也可在规定时间内确保对火焰有阻挡作用，但把实际因素考虑在内，上述分析仍不全面。经过对上述系统全面的分析，发现有可能造成防火幕墙丧失有效防火功能的现实因素有如下三方面:

    1) 由于幕墙横、竖向龙骨是矩形闭口型材，因此幕墙在被火焰侵袭后大量的热量积聚在龙骨内部无法散发，钢龙骨虽不至于在规定时间内熔化，但由于钢材是热的良导体，所以其具有的过高温度会通过防火胶垫传给玻璃，有可能造成玻璃四周局部温度过高，最终由于玻璃内部温差过大而爆裂;

    2) 由于玻璃受热膨胀后尺寸将有所增大，四周将延伸，而“几”字形折弯钢板将限制其延伸，从而有可能造成玻璃四周局部受力过大而爆裂;

    3) 由于本工程普通玻璃幕墙部分应用的是8Low-E + 12A + 6的中空玻璃，为保证防火幕墙与普通幕墙的外观一致性，防火幕墙的玻璃配置为8Low-E + 12A + 6 铯钾中空防火玻璃，普通中空玻璃的内外片间在玻璃厂用分子筛隔开，并用密封胶与聚硫胶两道密封。这个配置在火灾发生后的隐患是内片防火玻璃尚没有在高温下失去作用，但热量积蓄在两层玻璃之间的空气层，空气层的氩气受热膨胀，对两侧玻璃产生压力，致使内、外片玻璃在失去防火作用之前在压力作用下发生爆裂。

针对上述三种可能，为避免防火玻璃幕墙失去防火功能，采取的措施如下:

    1) 为降低钢龙骨积蓄的热量，可在钢龙骨上墙安装前，内部填充防火棉，其作用是防火棉可吸收部分热量，从而使钢龙骨的温度不致升的过快、过高，从而避免钢龙骨将过多的热量传递给玻璃，治止上述分析到的防火玻璃发生爆裂的可能性。

    2) 为避免玻璃膨胀后遇“几”字形钢板而发生炸裂，需增大玻璃边缘与折弯钢板间的空隙，这可通过尽可能减小“几”字形的折弯钢板宽度来达到，折弯钢板的宽度以能有效固定压板螺丝为准，并适当减小玻璃与外扣盖间的搭接量( 这一宽度在JGJ 102-2003 玻璃幕墙工程技术规范中有明确规定，减小后的搭接料仍须满足规范要求) ，对于玻璃膨胀后的变形量进行计算，保证玻璃四周与折弯钢板间的空隙大于这一变形量，并在空隙处填充柔性防火材料，从而避免玻璃碰到折弯钢板发生爆裂的可能性。

    3) 为保证防火玻璃幕墙与普通玻璃幕墙的外视效果一致，外片仍采用8m 厚的Low-E玻璃，内部仍采用6 mm 厚的防火玻璃，但同时为排放中空玻璃空气层积蓄的热量，采用的方法是将内外片玻璃之间原本连续的铝合金分子筛和双道密封胶加以改造。在玻璃四边各设四个100 mm 长的排气孔，用以将由室内进入空气层的热量排至室外，从而避免玻璃内部空气层产生压力。

    普通玻璃幕墙的中空层中间充有惰性气体氩气，用以减小玻璃的传热系数，由于本工程防火玻璃幕墙占所有玻璃幕墙的比例非常之小，经计算不影响玻璃幕墙的整体传热系数。

    本工程现已完工，并已正式投入使用。防火幕墙外立面及室内立面效果满足德国建筑师要求，防火幕墙模型送交公安部天津消防研究所实物检测合格