中国高层建筑防火分区对幕墙温度影响的研究

中国高层建筑防火分区对幕墙温度影响的研究

谭涵

上海市消防救援总队 201600

摘要：在高层建筑的设计和建造过程中，对于幕墙的防火性能都是比较高的，因为这直接决定着防火和烟雾扩散能力的强弱。烟雾的流通会直接导致幕墙的温度急剧升高，这样一来含有玻璃材质的结构就会严重破裂和变形。当前针对防火材料的选择和设计相对比较成熟了，但是在建筑内部幕墙在地板上的位置却没有人去关注。因此本文以防火材料在幕墙中的位置的不同为变量，探讨肩墙和防火檐口两种形式的防火隔断性能。最后还采用基于PyroSim的计算工具对火灾和烟雾传播的进行模拟，分析了不同位置的拱肩和防火罩对火灾危险性和烟气的影响。研究的结果显示，防火地板上的扶手越高，防火地板上玻璃幕墙中心线的降温速度越快，而且家用壁炉上的防火罩可降低烟气温度。

关键词：高层建筑；防火分区；幕墙

1、引言

1.1 高层建筑玻璃幕墙的防火特性

钢化玻璃广泛应用于现代高层建筑的幕墙。粗略分析超高层建筑火灾，在墙外垂直往上蔓延是高层建筑火灾蔓延的一种重要形式。二一般我们在在使用玻璃幕墙时，对防火设计有更高的要求。一旦消防设计不合理，火灾风险指数有上升的趋势。火灾发生时，如果火源靠近幕墙，火焰的高温和巨大热量会使幕墙破裂或变形。温差引起室内和室外气压的变化，玻璃爆炸，导致烟雾仍然沿着幕墙卷起或下降。室外助燃气体氧气促使火势进一步蔓延。即使满足了幕墙与主体结构之间空隙的填充要求，由于玻璃幕墙防火性能不佳，也无法避免火灾和烟雾的蔓延[1]。

1.2  玻璃幕墙耐火性能的相关因素

与其他类型的传统建筑材料相比，普通玻璃易碎，拉伸性能有限。而对于玻璃板的耐火断裂温度，国外学者通过实验得到了不同的数据。Kim和Taber规定了直接暴露在火焰辐射下的玻璃的破裂温度：普通玻璃为150 - 175℃，钢化玻璃为350℃。有学者也提出打碎普通玻璃的温度标准为100℃，钢化玻璃的温度标准为270℃。各研究机构用不同类型的玻璃进行了各种实验，得到的面板面对火灾裂纹时的环境温度数据如表1所示。关于热性能和机械性能的不相称的测试范围与后者测试执行的复杂性有关[2]。特别适用于玻璃在高温下的性能。玻璃的刚度和强度性能下降是由于温度升高引起的加速腐蚀造成的。实验研究证明，玻璃的抗拉伸弯曲性能对温度具有很高的敏感性。

表1 当面板面对火灾裂纹时的环境温度

近年来，除了对玻璃幕墙防火性能研究中讨论的形式玻璃面板和耐火性能外，还对玻璃面板、面板温度分布和结构支撑进行了说明。研究表明，钢化玻璃的尺寸对钢化玻璃的耐火性能有很大的影响，因此有必要对钢化玻璃的尺寸进行限制。钢化玻璃被广泛应用于玻璃窗帘中，钢化玻璃的破裂与温度分布不均匀有关。温度梯度在玻璃中产生温度应力；一旦应力超过公差极限，就会出现裂纹；然后，玻璃碎了。因此，温度差值可以作为玻璃破损的判据。

1.3 优化现有消防设计问题的有效手段

仿真技术是优化现有消防设计问题的有效手段。现行规范主要通过规定上下楼层开口之间设置实体墙或防火雨棚，以及外墙保温和装饰材料[3]燃烧性能的设置来防止火灾垂直通过室外传播。虽然国家有关规范对防火隔断设计尺寸有具体规定，但要求的隔断高度和宽度仅为最低要求。《建筑防火设计规范》(2018版)[4]对超高层建筑玻璃幕墙设计的规定如表2所示。

表2 超高层建筑玻璃幕墙设计规定

在实际工程应用中，根据消防规范和消防设施，不能安全避免火焰轧制。如何选择和设置分区还需要通过计算和仿真来清楚了解。在这方面，在过去的几年里，一些研究致力于开发和/或评估结构玻璃系统的具体设计规则和新颖的设计概念，包括与连接、复合材料装配、混合系统[5]。近年来，国内外学者尝试使用不同的软件模拟和数值计算来分析防火隔断对玻璃幕墙火灾蔓延的影响。研究表明：FDS软件能够对实验结果进行合理的详细说明。有人粗略对比分析了防火檐口、拱肩（spandrel）对小型房屋外火的影响，研究结果表明，防火檐口的防火效果可能较好[6]。此外，在设计水平凸墙和拱肩墙时，还应考虑窗的尺寸和形状。

本文研究利用PyroSim模拟了超高层玻璃幕墙不同防火分区对火灾及烟雾传播的影响。文中以如图1所示的上海某地区的商业及住宅区消防报警平面设计图为参考。进行了防火仿真分析，主要进行了以及几个过程：（1）建立几何模型；（2）设置火灾场景，包括火源位置和火灾负荷、模拟范围和边界条件、玻璃幕墙的防火性能、监测点和切片位置获取数据、网格密度、模拟时间；（3）最后进行计算，进行仿真计算并对结果进行后处理。在此过程中，仿真结果中可以直观地看到模型中所需区域的火灾、烟温云图和监测点的温度变化曲线。本文的主要贡献是通过改变防火隔断的位置得到相邻楼板和玻璃板中心线的温度值，分析幕墙的垂直温度变化曲线和玻璃板的温度分布，并探讨相邻楼层可能发生爆炸的不利因素，从而选择有效的防火隔断设置和消防装置。

图1 上海某地区商业及住宅区消防报警平面设计图

2、材料与方法

2.1建立模型

假设在办公室发生了一场火灾，而且是在高层区一个超级高层建筑高度为420米的楼层，楼板厚度20cm，和6毫米厚度的玻璃幕墙作为建筑的外层。火焰和高温烟雾从通风口翻滚而出。起火房间宽9.6米，深10米，净高4.2米。按照国家规范要求，玻璃幕墙横层截面的隔断应采用不小于120cm的拱肩或不小于100cm的防火雨棚形式。在满足这一要求的基础上，通过调整拱肩和消防雨棚与幕墙的相对位置，建立几何模型，找出不同形式和位置的隔断对火灾蔓延的影响。

在第三个几何模型，采用1200毫米高的拱肩模型A，B和C。在A型中，两个高度为500mm的不易燃墙被配置在同一平面上，紧接在同一楼层结构的上方和下方，作为一个拱肩。在B型中，两堵不燃墙在同一平面上，紧接在地板结构的上方和下方，上面800mm高度的墙和下面20cm高度的墙作为一个拱肩。在C型中，两个不燃墙在同一平面上，紧接在地板结构的上方和下方，上面200mm高度和下面800mm高度的墙作为一个拱肩。此外，在墙的底部配置了一个1000mm宽的防火雨棚（the fire canopy）如图2所示。

图2 三种类型的防火隔断玻璃幕墙

建筑火灾发生后，火焰和高温烟雾从幕墙通风口滚滚而出，对上部幕墙结构造成严重影响，引导火焰向上蔓延。同时，火灾中地板的高温可能会对地板的铝合金框架和玻璃造成向下的损坏。由于坠落的高温碎片和飞溅的火花可能会引燃楼下房间内的可燃物，火势很可能向下蔓延[7]。鉴于此，本次模拟的范围设置在超高层建筑的防火层玻璃幕墙内外区域以及与之相邻的上下两层。研究了上下玻璃幕墙的温度变化规律。

2.2消防场景设计

2.2.1 材料和边界

六种型号的主要结构为墙体和玻璃幕墙。墙体厚度为200mm，材料组成为混凝土。玻璃幕墙厚度为6mm，材料成分为硅酸钙。两种材料的具体组成如表3所示。

表3 两种材料的具体组成部分

2.2.2 设置火灾负荷

假设火灾发生在超高层建筑的办公楼层，模型可以用来描述特定空间的早期火灾发展过程。模型如(1)式。参考2006年上海市有关部门批准的《建筑烟气控制技术规范》[8]中“有喷水灭火装置故障的办公场所”和NFPA204(2002版)中“不同功能建筑消防类别”，将办公区域普通自动喷水灭火系统和机械排烟系统的故障发生情况保守设置，将火灾增长速率视为快速增长的火灾，火灾增长系数α= 0.047。表4为不同功能建筑[7]设计中不同材料的火灾生长系数模型及最大放热率和放热时间。

                       (1)

Q表示火焰放热率，单位是(kW)，表示火灾增长系数单位是(千瓦/ s2)。

表4 火灾增长系数（NFPA204（2002）

在不考虑环境风的影响下，假设环境温度为23℃。根据火灾发展的计算，并考虑到中国消防队员接到火灾报警后5分钟到达火灾现场，并在5分钟内做好灭火准备，则为假定消防队员能在火灾发生10分钟后进行有效的灭火和控制火势的发展。由式可知，消防员到达时，最大热释放速率Q约为16.9 kW。考虑到开放式办公室最不利的情况，由于办公面积大，火源位于防火层中部距离玻璃幕墙内侧1 m处，火灾荷载设置为6mw[9]。

2.2.3 配置检测点和检测段

为了获得防火层上下两层玻璃幕墙的温度特性，在模拟范围内，在与各层幕墙垂直的中心线外侧设置监测点。热探测器安装在监视点的水平距离10毫米幕墙如图3所示。为了获得幕墙防火面温度云图，可在模拟范围内的玻璃幕墙防火面设置温度检测片。

图3 检测点设置

2.2.4 生成网格

参考相关数据可知，在设置网格尺寸(20-26)时，主要考虑火灾特征直径D的大小。在火灾模拟过程中，选取网格尺寸d= 0.1D时，火灾模拟结果与实验结果可以无限接近。其中火特性直径D表示为：

                   （2）

D表示火的基本直径；Q表示总放热率单位是kW；ρ表示环境空气密度单位是kg·m3；cρ为比热容单位是J·kg -1·K -1；g表示重力加速度，单位是m·s -2。

根据1 MW时的放热率计算，当火灾特征尺寸D为3.53 m并且网格尺寸约为0.4 m时，满足模拟要求。

3、结果与讨论

仿真范围包括三种模型的真实火灾场景。在火灾过程中，烟雾控制的基本逻辑如下：在模型A~C中，燃烧器从0秒开始点火。结果，离燃烧器最近的玻璃面板消失了，表明燃烧器已经爆裂，洒水系统也失灵了。控制HRR曲线保持在6000kw左右。此时，火仍然存在，但不再继续增长

[10]。在每个模型的玻璃幕墙外设置切片装置，收集火焰纹理碎片。在上下两层玻璃面板上均匀配置热电偶进行数据采集，观察火灾烟气扩散的纹理以及烟气温度对上下两层玻璃面板的影响[11]。模拟时间为1200 s。火灾烟气扩散场景如图4所示。

3.1火焰温度纹理分析

每隔100秒截取幕墙外烟雾分布的温度云图，观察各模型烟雾温度变化的规律[12]。仿真结果如图5所示。

图5 火灾场景A、B、C的烟温云图

在火灾场景A、B、C中，假设消防楼层高度为z=0m时，在消防楼层与上部楼层之间的拱肩高度为z=12m处出现了一条清晰的温度隔断线。经过一段时间后，在z=4m以上区域逐渐出现高温烟云。在z=12 m的区域下面几乎保持在25℃以下。可以理解，火灾地面玻璃幕墙发生爆炸后，烟气沿其上方的窗肩和玻璃板向上扩散，大量烟雾聚集在紧接上层的窗肩下部。在此过程中，在拱肩底部形成了均匀的高温区。随着时间的推移，防火地板上方两层相邻玻璃板从下向上不断升温，其升温速度远远大于防火地板下方两层相邻玻璃板的升温速度。在升温过程中，烟云的温度变化并没有均匀地分布在整个玻璃板上，而是受到火灾荷载位置的影响。沿着玻璃板的中心线，出现了底部大、顶部小的区域，形成一个边界清晰的三角形，玻璃上的区域为温升区域[13]。

对比分析三个火灾场景，场景A、B、C的火灾发展特征基本一致。即在80秒时，在20℃左右的温差下，火层上部存在较为明显的温差。在100秒时，防火层以上两层玻璃板形成了边界清晰、范围相对稳定的三角形加热区，温差为40℃。之后，三角形区域的温度一起上升。在230秒左右，三角形区域的温度超过了100℃，与外部区域的温差超过了70℃。在300秒左右，在三角形区域的下部，即防火地板上方的拱肩底部，检测到高达150℃的高温点。高温点检测到持续的温升和热扩散。结果，在420℃左右出现了几片高温区域。这些高温区达到最高温度，主要分布在防火楼层以上楼层的玻璃板上，与三角形以外的玻璃板温差最大。从这时起，大火的规模不再扩大。

在点火开始的230秒内，场景A和场景B的温度云图基本相同。相比之下，场景C的整体温度比其他两个低10℃左右。在300秒内，场景A和场景C出现了四个均匀分布的高温薄弱点，场景B出现了两个大的高温薄片。随后，三个场景中火势都在持续增长，其中场景B的高温薄片分布最不均匀，面积最大，有向防火层以上三层蔓延的趋势。场景C中的高温点并没有完全聚集成一个整体。虽然它们分散在更大的区域，但它们仍然分散在高温区域内。在高温薄片分布中，场景A处于介质中。当三个火灾场景的火灾达到最大规模时，场景A和场景B的最高温度超过190℃，而场景C的最高温度只有180℃。

通过对三个场景的对比研究，发现火苗生长孵化阶段的温度分布较为相似。在150秒左右，场景A、B、C的高温区分布在防火层上部的防火冠层下，温度分别为80℃、85℃、90℃。防火地板上幕墙上部温度开始上升。在场景A和场景B中，上一楼层的温度上升到约50℃。此外，在场景A和场景B中没有检测到直接上层的温度显著上升。相比之下，在场景C中检测到防火层以上两层的整体温度显著上升。在200秒时，,场景A、B、C的高温区在150℃时仍密集聚集在防火层上部的消防冠层下。但上层幕墙的温度分布有所不同。

在A场景中，直接上层幕墙部分温度超过了40℃。场景B上一层幕墙温度达到70℃，上一层幕墙除一层外未检测到明显温升。相比之下，上层幕墙的温度和上层幕墙的温度几乎相同，在50℃。在300秒左右，在230℃、200℃和240℃时，场景A、B、C的高温区仍然密集聚集在防火层上部的防火冠层下。在场景A中，140℃时，上下层幕墙上的高温区分布在上下层上部的防火罩下方。而幕墙其他部位的温度则在90℃左右。在场景B中，100℃时，上一层幕墙的高温区分布在上一层防火雨棚的下方。相比之下，幕墙大部分区域的温度都在80℃左右，只有一层幕墙的温度没有明显的上升。场景C中，直接上层幕墙的高温区在85℃左右分布在上部防火罩下方，热分布不均匀。另外，仅上层幕墙部分温度升高至65℃左右，400 秒左右，火灾规模达到最大，火势增长规律不变。在场景A中，在140℃下，上一层幕墙的高温区几乎扩展到整个幕墙，上一层幕墙部分温度超过70℃。场景B中，在90℃时，上一层幕墙的高温区几乎扩展到整个幕墙，上一层幕墙的温度除了一层外几乎没有明显的上升。场景C中，在90℃以上，上层幕墙上的高温区域在幕墙中间密集聚集。上层幕墙热分布不均匀，但峰值温度为90°C，温差明显为50℃。

3.2火灾中玻璃板温度监测点的分析

由以上分析可知，防火层幕墙开裂后，上部两层幕墙的温度变化大于下部两层幕墙的温度变化[14]。根据火灾荷载的位置，监视点设置在中央线垂直于外,在同等距离幕墙的两个直接上层参见图3，在各种场景观察时间的变化参见图6。

对于火灾场景A~C，观察图6的数据可以发现，当火灾规模达到最大时，场景B和场景C的火灾对上层幕墙温度的直接影响不同。在紧邻上层幕墙外的THCP24、THCP25、THCP26监测点中，B场景温度最低，C场景温度最高，A场景温度为介质温度[15]。在紧上一层幕墙外的THCP27、THCP28、THCP29监测点中，场景A和场景C的数据基本相同。场景B的温度最高，THCP28和THCP29监测点的温度比其他两个监测点高10℃。

图6 400s不同火灾场景下幕墙温度分布（火灾场景A、B、C）

4、结论

4.1烟雾蔓延时防火层比拱肩更有效

在阻止火灾和烟雾的纵向蔓延方面，防火冠层比拱肩更有效。通过对A-C这6个模拟火灾场景的对比研究，从温度的变化可以看出，火灾楼层以上所有楼层的外部幕墙都受到了火灾烟气扩散的影响。然而，对比研究两种系列的火灾场景A~C可以进一步发现，在允许的范围内，拱肩的影响随着防火隔断的纵向传播火烟明显低于防火罩。在场景A~C中，幕墙温度从下到上逐渐降低，与楼层数无显著关系。相比之下，幕墙的温度由下到上的下降幅度与楼层数有显著的关系，其下降幅度远远大于场景A~C。可以看出，作为烟气沿幕墙扩散的垂直分隔，采用防火雨棚比采用拱肩具有更明显的优势。这尤其适用于阻止烟雾在楼层间的传播，以及控制火灾楼层及其相邻楼层的烟雾温度。然而，在超高层建筑的立面和防火设计中，防火雨棚结构相对于拱肩结构对立面的影响更为显著。因此，还需要根据实际情况进行权衡。

4.2 不同的拱肩构型对烟的水平和垂直扩散有不同的影响

通过场景A、B、C的玻璃幕墙温度垂直分布的对比研究，可以得出，在满足规范和标准要求的前提下，相对于楼板配置的拱肩越高，沿防火楼层以上楼层玻璃幕墙中心线降温。一方面，拱肩配置得越高，玻璃幕墙中心分布的高温区域越聚集在防火层之上。同时，高温区和低温区分布越来越不均匀，温度差异越来越大。即在相对于地板的位置上，拱肩配置得越高，越不利于烟雾的水平扩散。综上所述，肩梁的配置不应仅满足消防规范规定的1200mm的最低高度要求。相对于楼层高度的位置对上层玻璃幕墙的温度值和温度分布也有显著影响。梁肩相对于地面的高度与上层玻璃幕墙的温度值和分布之间有明显不同的相关性。因此，在实际的幕墙设计中，需要通过模拟要求来确定具体的位置高度，以保证全面的最优解决方案，以阻碍烟雾和温度的垂直和水平扩散。

4.3 消防设施设计应包括防火隔断的配置

通过模拟得到的烟温云图，可以发现以肩带作为防火隔断的温度云图与以防火罩作为幕墙防火隔断的温度云图纹理存在明显差异。前者的温度云图显示，高温区向幕墙中心线聚集，形成边缘清晰的高温区。而后者的温度云图则呈现出随着时间的推移，高温区逐渐向整个幕墙扩散，热分布均匀。在不同温度下没有明显的聚集，没有形成边缘清晰的高温区。要防止幕墙开裂，就要注意整个幕墙上厚度最小的区域的温度。因此，在防火配置中，单纯提高整体冷却能力不如根据实际温度分布采用灵活的冷却方法。建议各层玻璃板各监测点热传感器联动操作。在火灾发展初期，有针对性的高温区域集中冷却比整体冷却更有效，资源消耗更少。

本研究在现行法规的基础上，利用PyroSim软件模拟不同防火分区设计的超高层建筑的火灾场景。根据玻璃幕墙的温度值变化和分布情况，确定其优缺点，优化防火隔断设计。在此过程中，火灾场景的材质、边界等相关参数设置过于复杂。由于品种不同，超高层建筑幕墙的玻璃板规格和结构也有所不同。火灾发生时，烟气的扩散容易受到风环境的影响。这些因素导致了软件模拟边界条件设置的不确定性，使模拟结果难以控制。有限元模拟可以简化上述参数。然而，如果在后续的模拟中参数是明确的，那么结论将更接近实际情况。

综上所述，将PyroSim应用到实际场景的可能性有很多，也会遇到相应的问题。在今后的工作中，我们将进一步比较上述策略的可行性。

参考文献

[1]郑红梅. 高层建筑外呼吸式双层玻璃幕墙防火设计研究分析[J]. 消防技术与产品信息, 2014(5):20-23.

[2]刘洪涛, 刘春涛, 刘祥众. 玻璃幕墙的防火保护[J]. 门窗, 2010, 000(011):8-13.

[3]徐俊. 外墙外保温装饰一体化材料关键性能研究. 安徽建筑大学.

[4]周颖. 论《建筑设计防火规范》在日常消防监督检查过程中的重要性[J]. 中国标准化, 2018, No.522(10):84-85.

[5]马锴, 及轶弢. 防火玻璃框架系统的设计及应用[J]. 建筑技术, 2011, 42(009):830-832.

[6]黄宇. 新版防火规范对住宅设计的影响分析[J]. 环球人文地理, 2017(7).

[7]Xia L T ,  Zhou R ,  Wang X D , et al. Influence of outdoor wind on smoke diffusion on fire floor in high rise buildings[J]. Fire Science and Technology, 2017.

[8]约瑟夫查康, 史蒂夫贝尔, 傅智敏,等. 高层建筑灭火救援中的烟气控制[J]. 消防技术与产品信息, 2013(3):97-100.

[9]中国. 中国消防年鉴[M]. 中国人事出版社, 2005.

[10] 杨占宝, 谭恩涛. 影响高层建筑防火分区划分的几个因素及对策[J]. 山东消防, 1996(10):36-36.

[11] 汪雄. 建筑防火分区处的幕墙设计[J]. 城乡建设, 2013.

[12] 万建武, 赵鸿佐. 气象因素对高层建筑风渗透影响的研究[J]. 建筑技术通讯(暖通空调), 1987, 000(003):16-20.

[13] 罗志勇. 浅谈高层民用建筑防火分区[J]. 湖南安全与防灾, 2005(07):58-59.

[14] 殷向伟. 外墙竖向通道结构对建筑外立面火蔓延的影响[D]. 中国矿业大学, 2020.

[15] Y  Luo,  Y  Xie,  Zhang J , et al. Numerical Simulation Research on Vertical Fire Spread Control on the Outside of Super High-rise Building[C]// 2019 9th International Conference on Fire Science and Fire Protection Engineering (ICFSFPE). 2019.