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【幕墙防火】幕墙设计老司机来上课—玻璃幕墙的防火构造设计

by 邵工——建筑结构工程师 Structural Engineer |2018年1月15日 | 经验分享
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一、防火构造问题

《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ102-2003条文说明第4.4.7条指出:

“虽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,而且应与建筑的整体防火要求相适应。

玻璃幕墙与其周边防火升隔构件间的缝隙,与楼板或隔墻外沿间的缝隙等,应进行防火封堵设计。

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。主要是通过在缝隙间填塞不燃或难燃材料或由此形成的系统, 以达到防止火焰和高湿烟气在建筑内部扩散的目的。

玻璃幕墻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。玻璃幕墻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, 合格后方可应用于实际幕墙工程。

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格.火灾初起时,浓烟即已通过该缝隙向上屋扩散。

浓烟通过该缝隙向上扩散

图1 浓烟通过该缝隙向上扩散

火焰可通过这一缝隙向上窜到上一层楼层。

火焰通过缝隙向上窜

图2 火焰通过缝隙向上窜

当幕墙玻璃开裂掉落后,火焰可从幕墙外侧窜到上层墻面烧裂上层玻璃幕墻后,窜入上层室内。

火焰可从破裂幕墙外侧上窜

图3 火焰可从破裂幕墙外侧上窜

建筑幕墙系统:控制火灾危害的最后防火线

通过上面对建筑火灾行为的分析,结合国内对火灾行为的相关研究,我们可得到以下几个结论:

1、如果火灾起火点不靠近外墙,则依据火灾热流的分析可以推断:火灾初期增长阶段对外墙的影响并不大,基本不会发生幕墙的破坏现象。

2、室内外温度的差异会造成玻璃的破碎,通常在轰燃的前后发生,而轰燃本身所产生的瞬间高压也有可能将玻璃冲破。

3、建筑外墙上的开口,包括开窗和火灾中碎裂的玻璃板块,是火灾垂直或者水平蔓延的重要渠道,会使火灾的损害迅速扩大。

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要途径。1988年洛杉矶第一洲际银行大楼(62层)起火后,由于幕墻玻璃很快破裂,火焰沿外墙上卷延烧,造成十分惨重损失。

美国安底斯大楼火灾

美国安底斯大楼火灾

1994年,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,10-15min时间,杆件熔化掉落,玻璃炸裂,二、三层房全部受灾。

二、解决方案

为此《高层民用建筑设计防火规范》(GB50045-95)对玻璃幕墙的防火作了专门规定。要求玻璃幕墙的设置应符合下列防火安全要求:

(1)窗同墙、窗槛墙的填充材料应采用非燃烧材料如其外墙面采用耐火极限不低于1h的非燃烧材料时,其墙内填充材料可采用难燃烧材料;

(2)无窗间墙和窗槛墻的玻璃幕墙,应在每层楼板外沿设置不低于800m高的实体裙墙(图4);

(3)玻璃幕墙与每层楼板、隔墙外的缝隙、须用非燃烧材料严密填实。

玻璃幕墙防火构造

图4 玻璃幕墙防火构造

这些规定可具体化为以下六条:

(1)幕墙与主体结构的连接构件要处在防水保护范围内;

(2)防火节点1h不透烟;

(3)防火节点1h,不窜火;

(4)防火节点要做到压风时不挤碎玻璃,风吸时不产生缝隙;

(5)防火层以上玻璃只能裂、不能因掉落而形成空洞, 为防止火窜入空洞后向上蔓延,应在楼层顶部设有第二防火层;

(6)防火节点浸水1h后仍保持原性能。

玻璃幕墙

玻璃幕墙

《97SJ103铝合金玻璃幕墙》图集提出了幕墙防火节点设计,是在主体结构梁底设≥100mm厚防火层,这可以阻止火向上一层蔓延(图2的窜火),但对窜烟(图1)、卷火(图3)的问题还不能解。

据调查已建成采用幕墙的建筑大部份未设置80cm高防火裙墻,这是由于建筑师(业主)认为防火裙墙影响幕墙艺术效果,于是有人根据卷火直径约为1.2m的原理,提出在楼层上设30cm高的踏脚线,在圈梁底向下设约500mm混凝土挡火板,这样加上圈梁(约400mm)高度,则总高度约为120cm。

在踏脚线顶部和挡火板底部各用40mm厚硅酸铝(钙)板(耐火极限>60s)封闭,在板与幕墙杆件(玻璃)间用防火密封胶密封,达到防止浓烟上窜,120cm高实体混凝土板可防止卷火,即使卷火使120cm范围内玻璃开裂再次进入幕墙与混凝土墙板之间,也被踏脚线顶部防火层挡住不能窜入上一层房间(图5)。

幕墙楼层防火节点

幕墙楼层防火节点

三、相关知识

在开始了解幕墙系统的防火作用之前,先要了解一些基本术语。

不能不懂的6个专业术语

1、防火:防止火灾发生和(或)限制其影响的措施。 表明防止火灾的发生可称为“防火”,限制火灾造成影响的措施也可称为“防火”。

2、阻燃:对材料添加物质或进行处理以抑制其燃烧、或显著减弱或延缓其在燃烧时火焰的扩展。

3、防火性能:是指暴露于火中的材料、产品和(或)构件,发生物理和(或)化学变化或保持原有的性能。

4、燃烧性能:是指材料和(或)制品遇火燃烧时所发生的一切物理和(或)化学变化。也就是对火反应特性。

5、耐火性能:是指建筑构件、配件或结构在一定时间内满足标准耐火试验的稳定性、完整性和(或)隔热性的能力。

6、耐火极限:指在标准耐火试验条件下,建筑构件,配件或结构从受到火的作用时起,到失去稳定性、完整性或隔热性时止的这段时间。

不同建筑幕墙构件在火灾中的作用

建筑幕墙的常见构件包括建筑玻璃、建筑钢材、建筑用铝合金型材、密封材料四类。每类构件中,都有多种产品可供选择,但有些是不防火的、有些是防火的。能发挥防火作用的四类构件功能如下:

1、防火玻璃。防火玻璃,其在防火时的作用主要是控制火势的蔓延或隔烟,是一种措施型的防火材料,其防火的效果以耐火性能进行评价。

2、防火铝塑板。金属幕墙中常用的一种建筑材料,其防火主要是材料本身难燃烧,是防止火灾发生的防火材料,即防火型的防火材料。燃烧性能是其评价指标。

3、防火涂料。防火涂料的防火是利用涂料在火灾时的化学反应,对所涂覆的结构或构件起到隔热保护作用,从而保持结构的完整性。防火涂料是一种措施型的防火材料。

4、防火密封胶。防火密封胶是一种封堵用的密封材料,具有密封与防火的双重性能,属于措施型防火材料。需有抗位移变形能力与防火防烟能力。

普通的建筑幕墙特别是玻璃幕墙是不具备防火能力的。但即使是防火幕墙,也会随着温度的提高,丧失防火功能。

火灾中幕墙系统各构件的损坏

火灾中幕墙系统各构件的损坏

幕墙系统被破坏的显著表现:

1、防火封堵脱落

2、建筑幕墙龙骨严重变形

3、幕墙板块碎裂

4、建筑幕墙密封材料受热破坏。

三、幕墙构件防火效果:决定逃命时间长短的产品选择

防火玻璃:以耐火性能防止玻璃碎裂

防火玻璃作为一种新的建筑防火产品被越来越多的建筑所采用,但这类产品的设计检验还没有专门的规范与标准。

为什么建筑的玻璃会炸裂

为什么建筑的玻璃会炸裂

防火玻璃产品的分类,不少商家在宣传时称自己的玻璃耐热时间怎么长,有多好,其实一般按照耐热程度分为一至三个小时不等;按耐火性能分为:甲级、乙级、丙级。而有商家是按品种用途分类,一般分为A、B、C三类,我们的防火玻璃隔产品常用C和B类,要求在高的使用B或A类如船窗居多。

钢化玻璃在模拟火灾中的表现

钢化玻璃在模拟火灾中的表现

夹层安全玻璃在模拟火灾中的表现

夹层安全玻璃在模拟火灾中的表现

钢化防火玻璃在模拟火灾中的表现

钢化防火玻璃在模拟火灾中的表现

由于幕墙系统是一个整体工程,评估防火玻璃时还要注意如下三个方面:

1.防火玻璃运用到幕墙与隔断的设计并不是简单地替换,将幕墙或隔断所使用的非耐火性能的材料改用耐火的材料就可以,更不是将普通玻璃换成防火玻璃就万事大吉,而是要将它作为一个防火系统来全面考虑。

2.防火玻璃幕墙与隔断的所能达到的耐火性能等级,需要综合考虑整个系统各因素的耐火等级才能确定,主观地推测可能会犯错误,必要时需做检测试验来确定。

3.设计选用防火玻璃时,需注意玻璃板块的尺寸与耐火性能等级的对应关系。

防火涂料:以耐火性防止钢结构的变形

防火涂料与钢结构

钢结构因具有强度高、重量轻、韧性好、施工速度快等特点,被广泛应用于建筑结构中,但是耐火性能差是钢结构的一个致命弱点,所以钢结构防火、耐火问题成为了一个非常关键的问题。

而防火涂料,可以对所涂覆的结构或构件起到隔热保护作用,用防火涂料覆盖钢结构是一种比较传统的方法。

膨胀型涂料暴露在高温下,其膨胀体积可以达到50倍,有的甚至高达200倍。这样形成的保护层能有效地阻止热量被传导到钢材上。常用阻燃剂的分解温度大部分低于300C,能够满足钢结构保护的需要。

涂料的图层厚度与耐火性极限的关系

涂料的图层厚度与耐火性极限的关系

评估防火涂料效果的3点因素:

1、涂料的喷涂厚度。涂料的喷涂厚度与钢结构的耐火极限密切相关,同种涂料,涂料越厚,构件的耐火极限越高。因此,在火灾时防火涂料越厚,防火隔热效果则越好。

2、喷涂的施工工艺。采用防火涂料保护的钢结构的耐火极限受环境的温度和湿度、施工工艺与质量以及涂料质量等因素影响很大,并要求涂料要具有良好的耐久性。

3、老化现象。目前,在室外钢结构上的防火涂料常发生风化变黄、粉化、起皮、气泡、脱落、龟裂等发生理化性能降低的老化现象。

另外,在施工过程中还存在涂层厚度达不到要求、涂料选型不当、以次充好等问题。这些因素对钢结构耐火保护带来的隐患,是当前选用防火涂料喷涂保护方法必须慎重考虑和控制的。

防火密封胶:以耐高温性维持密封性的防烟、隔热等作用

数据显示,在火灾发生时,因吸入过量烟毒气体导致人体窒息伤亡比例为75%,有效的防烟措施显得尤为重要。防火密封胶是一种封堵用的密封材料,粘稠状胶体材料,能粘结在多种建材表面,在空气中硬化。在高温或火灾环境下,体积膨胀,并表面碳化。具有防火、防烟和隔热性能。

常用密封剂对温度稳定性及耐高温性能比较

常用密封剂对温度稳定性及耐高温性能比较

常用密封剂对温度稳定性及耐高温性能比较

防火设计是靠一个系统来实现幕墙的防火功能,并不是不燃或难燃材料的简单组合,任何一个薄弱环节都可能导致整个系统的防火失败。

比如,一个隐框幕墙采用了防火玻璃、防火钢框架支撑结构,但采用阻燃结构胶对玻璃进行结构粘结,火灾发生时,阻燃结构胶本身虽然不助燃,但在高温下会很快失去强度,导致玻璃整体脱落,火势会在玻璃脱落的地方迅速蔓延,无法实现防火的功能。

四、总结:防火安全从设计到施工都需重视

安全问题,是地产人、建筑人、供应商共同关心的首要问题。幕墙在防火中占据着非常重要的地位,对防火设计的考虑也需与时俱进。

在建筑幕墙设计中会使用到很多种防火材料,虽都称为防火材料,但各自的防火作用与防火能力却是大不一样,如防火玻璃可做防火隔断并起到防火的作用,如采用防火铝塑板单独作为面板材料做成防火隔断,耐火时间可能不会超过30分钟。这是因为防火铝塑板只是一种难燃的装饰材料,没有很好的耐火性!

虽然材料种类繁多,但在进行防火设计施工选材时必须坚持如下3点:

1.充分地理解设计部位或结构对消防的真正需要。如隔火的要求与隔烟隔热的要求设计是不一样的。

2.充分地了解防火材料的防火本质,正确选用材料。防火型的防火材料就不能用于需采用措施型防火材料的地方。

3.防火材料的防火性能等级的理解,应对照试验报告与相关的标准或规范,这是正确选用防火材料的关键。

邵工——建筑结构工程师 Structural Engineer

建筑一网(www.jianzhu1.com)是一群同济大学毕业建筑和土木相关专业毕业的研究生和博士组成的技术团体。我们自2011年始即开始从事结构设计和研究工作, 积累了大量的研究成果和创新技术,并整理了对中国规范、FIDIC合同、欧洲规范和美国规范的总结笔记。此外, 团队还在结构产品领域有所研究,并推出了超薄夹层、板桁架、无檩网架、装配式厂房和装配式酒店等相关装配式产品。

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