上海“11.15” 重大火災(zāi)事故造成了大量人員傷亡，慘痛的教訓(xùn)尤其對我們建筑工程人員敲響了警鐘。在建筑
玻璃幕墻領(lǐng)域，縱觀現(xiàn)狀，有些幕墻公司對
防火防煙理念缺乏足夠認(rèn)識，不少幕墻工程防火設(shè)汁不盡完善，暴露出令人擔(dān)憂的潛在隱患。
國外近代建筑史上，由于建筑物外墻防火設(shè)計缺陷，造成了多起重大火災(zāi)。
1973年8月2日，英國曼島道格拉斯的Summerland度假村火災(zāi)造成50人死亡。由于外墻及周邊水平防火
帶材料和設(shè)計的缺陷，火勢從外墻和縫隙蔓延到整個建筑物。
1988年5月4日，62層高美國洛杉磯First Interstate Bank大廈，由于玻璃破碎，
玻璃纖維保溫棉
熔化，焰卷效應(yīng)導(dǎo)致火勢從13層外墻和周邊水平防火帶空隙上竄到16層，造成1人死亡。
1991年2月23日，美國賓州費(fèi)城38層高One Meridian Plaza，大火從22層開始，通過
樓板邊緣空隙上竄到30層。幸虧第30層裝備有自動噴淋系統(tǒng)（其他幾層沒有），將火勢控制下來。因為是周末大樓沒人，有3 名消防人員死亡。
2004年5月4日，美國芝加哥LaSalle Bank大廈，大火從29層開始連續(xù)燒了6個小時，最終只有29層和30層受到影響，無人死亡。主要?dú)w功于建筑物周邊水平防火帶及
防火棉，有效抑制了火勢向上發(fā)展。
一. 幕墻建筑防火措施及周邊水平防火帶
幕墻系統(tǒng)主要由抗燃性不強(qiáng)的
鋁型材、
硅膠、玻璃等材料組成。與傳統(tǒng)意義上具有防火等級的
防火門防火墻相比，并不具有等級概念的防火性能。合理設(shè)計幕墻及建筑物周邊水平防火帶，會大大抑制火勢向上蔓延。
高層建筑防火有效措施是三位一體：報警系統(tǒng)、圍堵（Containment）和遏制（Suppression）措施。圍堵手段屬于被動防火類（Passive Fire Protection）, 指的是利用適當(dāng)?shù)?a href='../../zsk/ct.asp?id=3398' target='_blank' style='font-size:1em; border-bottom:1px dotted blue;'>建筑材料和建筑構(gòu)造將火勢控制在局部，延緩火勢蔓延。幕墻系統(tǒng)的防火設(shè)計就是采用被動防火理念，將具有防火等級的建筑物樓板與沒有防火等級的幕墻系統(tǒng)，中間用與建筑物樓板相同防火等級的水平防火帶結(jié)合在一起，形成一個完整的防火體系，共同抵御火勢、煙霧和有毒氣體的擴(kuò)散。即采用圍堵手段來加強(qiáng)建筑物結(jié)構(gòu)和人員的防火安全。
遏制措施屬于主動防火類（Active Fire Protection）。自動噴淋系統(tǒng)是最常用且有效的一種手段。它通過增加濕度、降低溫度、防止轟燃（Flash-over）現(xiàn)象來控制火勢的蔓延。實踐表明，建筑物采用自動噴淋系統(tǒng)后，火災(zāi)損失將減少百分之五十以上。然而建筑防火不能僅僅依靠自動噴淋系統(tǒng)，也就是說不能忽視和消弱建筑物及幕墻系統(tǒng)的防火圍堵設(shè)計。一旦自動噴淋系統(tǒng)由于機(jī)械、電力或供水出現(xiàn)問題而不能正常工作，具有較高
可靠性的防火圍堵構(gòu)造成為抑制火勢的關(guān)鍵。同樣，盡可能將火勢圍堵在小范圍內(nèi)，自動噴淋系統(tǒng)才能更好地發(fā)揮作用。所以，只有二者有機(jī)結(jié)合才是最佳防火措施。
幕墻建筑物周邊水平防火帶（Building Perimeter Fire Barrier）指的是在幕墻內(nèi)側(cè)與建筑物樓板之間的空隙中，建立與建筑物樓板具有相同防火等級的水平防火帶，以切斷層間通道，阻止火勢上竄蔓延。
設(shè)計水平防火帶，除了考慮風(fēng)載、地震、溫差等因素引起的變位，還要考慮到起火情況下周圍材料的破碎、
脫落、支撐
強(qiáng)度降低及巨大
變形等。同時還必須同幕墻內(nèi)部結(jié)構(gòu)和
防火材料相結(jié)合，一起抵抗來自建筑物內(nèi)部和外部的火勢攻擊，將火勢控制在最小范圍內(nèi)。
幕墻系統(tǒng)
窗間墻部分須具備一定的防火和
阻燃性能，它在防止焰卷效應(yīng)(Leap Frog Effect)、保證水平防火帶有效工作方面起著關(guān)鍵作用。根據(jù)規(guī)范要求，
窗間墻高度不低于0.8米，
耐火極限不低于1.0小時。被視為實體裙墻，其主要防火
構(gòu)件--防火保溫棉的選擇和
固定，
鍍鋅鐵板背板的防變形能力設(shè)計，應(yīng)能最大限度地保護(hù)幕墻
鋁合金主結(jié)構(gòu)及承重支撐構(gòu)件不過早失效，特別對高層建筑是至關(guān)重要的。
防火的同時還必須考慮到防煙，組成一條完整的防火防煙帶，爭取更多的時間，挽救更多的生命。
二. 幕墻建筑火勢向上蔓延的機(jī)理
當(dāng)建筑物室內(nèi)起火，燃燒產(chǎn)生火焰、熱、氣和煙霧。起初階段熱氣流上升，形成溫差和壓差，使周圍的空氣源源不斷地補(bǔ)充進(jìn)來，燃燒溫度不斷提高，引燃附近可燃性物質(zhì)，火勢不斷地擴(kuò)大。這樣的
空氣循環(huán)過程會不會由于室內(nèi)氧氣的耗盡而終止呢？理論上是這樣，但現(xiàn)實中這樣的情況很少發(fā)生。燃燒室內(nèi)部各處的壓差是不同的，且是動態(tài)變化的。室外和下面樓層的空氣通過幕墻中的間隙和樓板縫隙（如管道、樓梯間等）吸進(jìn)室內(nèi)。
氣密性好的幕墻可以延緩這個階段火勢的擴(kuò)大。
隨著室內(nèi)溫度的不斷提高，室內(nèi)外的壓差也在不斷增加。普通玻璃（非
防火玻璃）在火焰的不斷沖擊下，往往會在15分鐘內(nèi)破碎。大量的熱量和煙霧瞬間沖出室外，導(dǎo)致破碎窗口室內(nèi)側(cè)的溫度下降幾百度。同時大量的空氣進(jìn)入室內(nèi)參與燃燒，通過缺口常常將燃燒引到室外，形成對玻璃幕墻的內(nèi)外夾攻。層間非可視玻璃及上層可視玻璃直接暴露在火焰中，增加了火勢向上蔓延的可能性。如果由于窗間墻處防火材料或構(gòu)造上的缺陷造成防火系統(tǒng)提早失效，就有可能形成所謂的焰卷效應(yīng)。跟據(jù)美國對高層幕墻建筑火災(zāi)的研究統(tǒng)計資料，約有百分之十的火勢是通過室外側(cè)向上蔓延的。這是第一種火勢向上蔓延的方式。
第二種火勢向上蔓延的方式：
混凝土樓板一般用于分隔防火分區(qū)， 它應(yīng)該具有一定的防火級別。根據(jù)《
高層民用建筑設(shè)計防火規(guī)范 》GB 50045 表3.0.2 中規(guī)定，
耐火等級為一級的建筑物樓板耐火時間為1.5 個小時，耐火等級為二級的建筑物樓板耐火時間為1.0 個小時。
在混凝土樓板外側(cè)與幕墻內(nèi)側(cè)之間存在一個空隙。空隙的大小及既與建筑設(shè)計和幕墻
鋁合金系統(tǒng)的大小有關(guān)，也與
混凝土結(jié)構(gòu)尺寸誤差、幕墻構(gòu)造及制作安裝誤差等因素有關(guān)。大部分建筑物其實際范圍在幾十毫米到200毫米之間。這個空隙也用來補(bǔ)償由于溫度、載荷、地震等引起的建筑物變形。
這個空隙應(yīng)該視為混凝土樓板的延伸，防火設(shè)計中它應(yīng)該可靠地填滿防火棉，設(shè)計合理的周邊水平防火帶必須能夠經(jīng)受住防火規(guī)范GB 50045所要求的耐火時間。
在實際失火狀態(tài)下，這個空隙有可能進(jìn)一步被擴(kuò)大。主要是由于鋁合金構(gòu)件和鍍鋅鐵板背板的變形，
五金連接件、承重支撐構(gòu)件的松動。如果防火棉、防煙層不能有效地補(bǔ)償這個變位。火焰和高溫氣流就會通過這些間隙、
裂縫直接進(jìn)入上層樓面。
第三種火勢向上蔓延的方式是通過熱量傳遞方式進(jìn)行的。熱量傳遞的方式有
傳導(dǎo)、
對流和
輻射。幕墻系統(tǒng)的鋁合金
立柱是非常好的傳熱載體，而且立柱往往是跨越二個不同防火分區(qū)，火源層的熱量能通過立柱向上層傳遞。幕墻的這種構(gòu)造形式?jīng)Q定了它很難被界定為具有等級概念的“防火幕墻”。在短時間內(nèi)上層樓面鋁合金表面的溫度會高于紙張的自燃點。對流是由于空氣流動傳遞熱量。開啟窗或玻璃破碎雖然對排煙有好處，但增加了空氣的流動，也增加了氧氣的供給。輻射是溫度較高的物體以能量波的方式向溫度較低的物體傳熱的一種方式。
在火源層，當(dāng)溫度升高達(dá)到了某個臨界點，“轟燃現(xiàn)象”使得在短時間內(nèi)火勢由局部擴(kuò)散到整個空間。火源層的熱量通過樓板、
金屬幕墻及周邊水平防火帶向上層傳遞。如果上一層樓面的溫度升高達(dá)到了某個臨界點，也可能會發(fā)生轟燃現(xiàn)象，火勢就以這樣的方式向上發(fā)展。
三. 煙霧和有毒氣體
在建筑物防火措施中，防止煙霧擴(kuò)散是非常重要的一環(huán)。研究資料表明，高層建筑火災(zāi)造成的人員死亡，75 % 以上是由于煙霧所引起的。
現(xiàn)代
建筑裝飾材料、家具和日用品含有大量易燃、有害化學(xué)物質(zhì)，燃燒后分解產(chǎn)生可見和不可見煙霧，能短時間內(nèi)造成人員昏迷和死亡。煙霧擴(kuò)散的速度取決于空氣流動、上浮效應(yīng)、熱氣流膨脹和自然風(fēng)。而且它的擴(kuò)散速度會遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于火焰向周圍擴(kuò)散的速度。
幕墻系統(tǒng)本身也產(chǎn)生一些有毒氣體。鋁合金表面
噴漆、
密封橡膠條、
泡沫棒等，并通過幕墻內(nèi)部縫隙向上層擴(kuò)散。
目前在幕墻防火方面，國內(nèi)外做了不少試驗和研究，頒布了一些試驗規(guī)程和規(guī)范。但在幕墻防煙方面還有許多工作要做。例如，如何控制煙和有害氣體的滲透；如何測量以及應(yīng)限制在怎樣的一個范圍內(nèi)；另外如何能降低上層樓面鋁合金
表面溫度的升高，是否規(guī)定一個溫度限值等等。
四. 幕墻防火試驗規(guī)范
在美國ASTM (American Society for Testing and Materials) 國家標(biāo)準(zhǔn)體系中，與
幕墻材料和防火有關(guān)的試驗標(biāo)準(zhǔn)主要有：
ASTM E2307 “Standard Test Method for Determining Fire Resistance of Perimeter Fire Barriers Using Intermediate-scale, Multi-story Test Apparatus”。 采用中型多層測試
設(shè)備，確定建筑物周邊水平防火帶防火性能標(biāo)準(zhǔn)測試方法。
ASTM E119 “Standard Test Methods for Fire Tests of Building Construction and Materials”。建筑結(jié)構(gòu)和材料防火標(biāo)準(zhǔn)測試方法：定義了標(biāo)準(zhǔn)“時間-溫度曲線”。此測試方法主要針對具有防火等級的建筑結(jié)構(gòu)和材料，不包括沒有防火等級的幕墻，也不包括建筑物周邊水平防火帶。
ASTM E1399 “Standard Test Method for Cycling Movement and Measuring the Minimum and Maximum Joint Widths of Architectural Joint System” 。建筑構(gòu)造縫隙的周期性運(yùn)動及其最小最大寬度測量的標(biāo)準(zhǔn)測試方法。
ASTM E1966 “Standard Test Method for Fire-Resistive Joint System”。防火構(gòu)造縫隙的標(biāo)準(zhǔn)測試方法。此標(biāo)準(zhǔn)要求所測試的樓板和外墻均具有防火等級。
ASTM E84 “Standard Test Method for Surface Burning Characteristics of Building Material”。建筑材料表面燃燒特性的標(biāo)準(zhǔn)測試方法。可用于評定建筑材料的燃燒蔓延性能和煙霧產(chǎn)生性能。
本文介紹的防火試驗主要根據(jù)ASTM E2307進(jìn)行。ASTM E2307是近幾年頒布的標(biāo)準(zhǔn)。它專
門用于測試幕墻建筑物周邊水平防火帶的
耐火性能，即在構(gòu)件破碎、脫落、支撐強(qiáng)度降低及大變形等情況下，水平防火帶在燃燒時能夠維持其圍堵功能的能力。
試驗是在室內(nèi)可控制的環(huán)境下進(jìn)行的，沒有考慮實際情況中風(fēng)和周圍環(huán)境的影響。根據(jù)試驗測試要求，對這個
雙層幕墻模擬結(jié)構(gòu)，主要是控制下層燃燒室燃燒溫度，測試幕墻外表面及上層觀察室的溫度升高情況，觀察幕墻結(jié)構(gòu)的變形脫落等對水平防火帶的影響，觀察水平防火帶的防火表現(xiàn)（是否產(chǎn)生變形、
開裂、縫隙、火焰和熱氣流滲透等），同時對上層煙霧情況進(jìn)行觀察。
試驗前，沒有進(jìn)行對防火構(gòu)造縫隙寬度方向的循環(huán)往復(fù)運(yùn)動試驗，沒有測試水平防火帶燃燒時是否產(chǎn)生煙霧和有毒氣體，沒有限制上層觀察室的溫度升高值，也沒有對上層觀察室的煙霧和有毒氣體進(jìn)行定量限制。
循環(huán)往復(fù)運(yùn)動試驗是為了模擬構(gòu)造縫隙的實際變化情況。這種運(yùn)動既有水平方向的，也有垂直方向的。例如重力和風(fēng)載下鋁合金構(gòu)件的變形，樓面活載荷產(chǎn)生的樓板變形，層間位移，
熱脹冷縮和地震等。
根據(jù)試驗的性質(zhì)和要求，試驗評定標(biāo)準(zhǔn)采用ASTM E2307中有關(guān)防火層耐火等級的規(guī)定。防火層耐火等級分二種：F級和T級。
F級：當(dāng)水平防火帶或其邊界處被燒穿；或當(dāng)滲透過水平防火帶的火焰和熱氣流足以點燃棉紗布時，被記錄下來的時間，經(jīng)常用F級 – XX小時表示，如F級 – 1.5小時。以F級來評價防火層及材料的耐火等級，就是確定燃燒穿透防火層引起另一側(cè)起火的時間。下文描述的實驗即以F級 – 2.0小時為評判標(biāo)準(zhǔn)。
T級 ：被保護(hù)一側(cè)任何一點的溫度上升了181°C；或被保護(hù)一側(cè)平均溫度上升了139°C，被記錄下來的時間，經(jīng)常用T級 – XX分鐘表示，如T級 – 35分鐘。以T級來評價防火層及材料的耐火等級，就是確定由于熱量傳遞，引起防火層另一側(cè)溫度升高到限值的時間。
五. 試驗設(shè)備介紹
設(shè)備由上下二層組成：下層為燃燒室，即火焰發(fā)源地，上層為觀察室。圖3 為它的側(cè)面圖，圖4 為燃燒室
平面圖。前方為被測試的幕墻，其它三面均為防火時間為4小時的防火混凝土磚墻。下層燃燒室的三面墻及
天花板均鋪上一層16mm厚1小時X型
防火石膏板，再覆蓋一層38mm厚
陶瓷纖維氈（
密度為128 kg/m3）。地面和底層幕墻背面鋪設(shè)二層同樣型號的防火
石膏板。
構(gòu)件說明如下：
1. 鋼架結(jié)構(gòu)立柱；2. 鋼架結(jié)構(gòu)
橫梁；3. 被測試幕墻；4. 室外燃燒器；5. 混凝土樓板；6. 厚度16 mm的1小時X型防火石膏板，再覆蓋一層38mm厚陶瓷纖維氈；7. 二層1小時X型防火石膏板；8. 室內(nèi)燃燒器；9. 防火石膏板
輕鋼龍骨支架（鍍鋅
冷彎鋼板）；10. 防火混凝土磚墻；11. 幕墻上的開口（1918mm寬×762mm高），模擬玻璃破碎，通過這個缺口火被引到室外側(cè)；12. 幕墻承載固定連接件；13. 厚度為25.5mm
中空玻璃；14. 幕墻鋁合金立柱；15. 幕墻鋁合金橫梁；16. 厚度6.4mm單層玻璃；17. 厚度75mm防火保溫棉；18. 防火保溫棉橫保持架（鍍鋅冷彎鋼板）；19. 背板（
鍍鋅鋼板）；20. 厚度3mm防煙層；21. 厚度100mm防火棉；22. 背板
加強(qiáng)筋(鍍鋅冷彎鋼板)。
下層布置有二臺天然氣燃燒器。室外燃燒器在水平方向位置可以調(diào)節(jié)。通過測量燃燒室內(nèi)五個熱電偶溫度值，取其平均值來控制燃燒器天然氣的流量，從而達(dá)到控制燃燒室的溫度。前30分鐘的溫度控制值根據(jù)表1進(jìn)行，30分鐘到45分鐘大致保持在898°C左右，45分鐘到120分鐘參照表2，即根據(jù)ASTM E119的標(biāo)準(zhǔn)時間-溫度曲線（圖5）。
在標(biāo)準(zhǔn)時間-溫度曲線中，小虛線為美國ASTM E119和加拿大的標(biāo)準(zhǔn)，大虛線為ISO834標(biāo)準(zhǔn)，亦同英國和德國標(biāo)準(zhǔn)。二者的差別不是很大。
測量溫度的熱電偶，在燃燒室內(nèi)布置12個，其中5個用于控制燃燒室內(nèi)的溫度，其他7個用于測試水平防火帶下側(cè)和幕墻內(nèi)側(cè)的溫度。在幕墻外側(cè)表面中心線垂直方向布置12個熱電偶。在二樓觀察室水平防火帶表面及周圍布置11個。同時，在二樓觀察室還布置了2個線性位移
傳感器，用于測試幕墻系統(tǒng)的變形情況。
六. 幕墻構(gòu)造介紹
幕墻結(jié)構(gòu)采用鋁合金6063-T6,與樓板連接的承載固定連接件采用鋁合金6061-T6。上層采用25.5mm厚雙層
中空透明玻璃（6.4mm清透半鋼化，最外層第一面機(jī)械磨邊處理，12.7mm中間空氣層，鋁合金間隔框，6.4mm清透半鋼化，最里層第四面機(jī)械磨邊處理）。窗間墻部分玻璃采用6.4mm清透半鋼化，外面機(jī)械磨邊處理。在單層玻璃后面是75mm厚半硬式防火保溫棉（
礦棉：玄武巖加礦渣，密度128 kg/m3，
熔點溫度為1177°C），用二根橫保持架（0.86mm鍍鋅冷彎鋼板）將防火保溫棉固定在0.86mm厚鍍鋅鋼板背板上。背板上靠近防火棉處，有一根用1.2mm鍍鋅冷彎鋼板加工而成的背板加強(qiáng)筋，通過M5
不銹鋼螺釘固定到背板和立柱上。底層幕墻室內(nèi)側(cè)采用的二層1小時X型防火石膏板用于加固窗口結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)硅膠為道康寧DC 983，密封硅膠為DC 791。空氣
密封條材料為
EPDM。
樓板邊緣與幕墻立柱之間的縫隙為150mm，由于背板不與鋁合金立柱內(nèi)側(cè)面平齊，所以樓板邊緣與背板之間的縫隙為160mm。整個水平縫隙中填滿100 mm厚半硬式防火棉，防火棉與保溫棉是相同材料，密度64 kg/m3，熔點溫度為1177°C，防火棉以33 %壓縮率填充。本試驗中防火棉沒有采用機(jī)械式固定形式。在防火棉的上方覆蓋一層防煙層，厚度為3 mm左右。這個防煙層象硅膠一樣，
固化以后表面基本與結(jié)構(gòu)樓層表面平齊。
單元式幕墻在工廠制作組裝而成。所有材料采購、加工工藝等與一般工程制作流程相同，整個生產(chǎn)過程、質(zhì)量控制系統(tǒng)受到獨(dú)立第三方的審核和監(jiān)督。
燃燒室部分，除了開口以外，其他縫隙均要密封，以防氣流影響。二樓觀察室留有一個開口作通道。其它試驗環(huán)境條件根據(jù)ASTM E2307。
試驗之前，先要進(jìn)行校正實驗，將燃燒器煤氣流量調(diào)節(jié)程序確定下來。正式試驗時，先打開室內(nèi)燃燒器，5分鐘以后再打開室外燃燒器，模擬玻璃破碎后，燃燒向室外發(fā)展。
試驗中溫度是逐漸升高的。因為如果溫度在短時間內(nèi)急劇升高，將會導(dǎo)致玻璃很快破碎，而溫度逐漸升高，玻璃將會逐漸熔化。
