陸新曉， 謝云飛

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 安全工程學(xué)院，江蘇徐州 221116; 2.中國礦業(yè)大學(xué) 煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116)

玻璃幕墻建筑的火災(zāi)特性

陸新曉1，2， 謝云飛1

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 安全工程學(xué)院，江蘇徐州 221116; 2.中國礦業(yè)大學(xué) 煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116)

為分析幕墻建筑的火災(zāi)危險(xiǎn)性，借助FDS模擬軟件，建立全尺寸雙層玻璃幕墻建筑模型，并對(duì)低樓層火災(zāi)特性進(jìn)行數(shù)值模擬。結(jié)果表明:發(fā)生火災(zāi)時(shí)，雙層幕墻間溫度近似"V"字型分布;隨著幕墻間距的增加，幕墻側(cè)面高溫點(diǎn)增多，玻璃隨機(jī)炸裂的危險(xiǎn)性急劇增大;隨著時(shí)間的增加，起火房間的高溫點(diǎn)向幕墻轉(zhuǎn)移;起火房間內(nèi)的CO濃度較高，且高層房間的CO濃度高于低層房間。該結(jié)果為幕墻建筑火災(zāi)防范提供了理論依據(jù)。

玻璃幕墻;火災(zāi)特性;FDS;幕墻間距;溫度;CO濃度

建筑幕墻［1］是一種懸掛在建筑結(jié)構(gòu)主框架外側(cè)的外圍護(hù)構(gòu)件。其自重及所承受的風(fēng)荷載、地震作用等通過錨節(jié)點(diǎn)傳遞方式傳至建筑結(jié)構(gòu)主框架。構(gòu)件之間的接縫和連接經(jīng)現(xiàn)代建筑技術(shù)處理后可形成連續(xù)墻面。建筑幕墻具有節(jié)能、獨(dú)立、隔音、環(huán)保、美感及采光良好等［2］優(yōu)點(diǎn)，近年來發(fā)展迅速。

內(nèi)外幕墻之間具有較寬的熱通道［3］，可利用煙囪效應(yīng)實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng)，但發(fā)生火災(zāi)時(shí)，它亦可能成為煙和火向上層蔓延的通道，加速火災(zāi)的垂直蔓延，給消防安全帶來不利影響。雙層玻璃幕墻發(fā)生火災(zāi)時(shí)，理論上只有內(nèi)幕墻玻璃破裂后，火和煙氣才可能通過內(nèi)、外幕墻之間的夾層向上蔓延，但是，如果幕墻玻璃和樓板之間的間隙防火密封不嚴(yán)，即使內(nèi)幕墻玻璃不破裂，仍有可能造成火焰和煙氣向上層蔓延。因此，研究雙層玻璃幕墻對(duì)火災(zāi)特性的影響顯得尤為重要。

目前，國內(nèi)外對(duì)呼吸式幕墻的研究多集中于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及節(jié)能分析［4］，而對(duì)其火災(zāi)問題研究甚少。筆者借助火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模擬軟件FDS(Fire Dynamics Simulator)，對(duì)全尺寸幕墻建筑進(jìn)行模擬，分析較低樓層發(fā)生火災(zāi)時(shí)，幕墻建筑房間及幕墻間的火災(zāi)危險(xiǎn)性，對(duì)火災(zāi)防范具有一定的指導(dǎo)意義。

1 幕墻建筑模型

幕墻建筑走道較寬，墻壁上布置較多窗口，通風(fēng)順暢，可視為室外環(huán)境。起火房間高度為4 m，煙氣上升過程中所卷吸的空氣量及頂棚處形成的煙氣量較少，門洞補(bǔ)風(fēng)風(fēng)速較低，可以保證煙氣順利排出。基于上述條件，構(gòu)建全尺寸雙層玻璃幕墻建筑模型，如圖1所示。

圖1 全尺寸雙層玻璃幕墻建筑模型Fig.1 Model of full-size double glass curtain wall building

FDS模擬模型為三層建筑，其中，房間尺寸為8 m(長(zhǎng))×6 m(寬)×4 m(高)，每層房間均有一個(gè)與外界相通的門和窗，尺寸均為1.5 m(寬)×2.0 m (高);建筑外為雙層玻璃幕墻，尺寸為6.0 m(長(zhǎng)) ×12.75 m(高)，寬度分別為0.5、0.7、1.0 m，每層建筑樓板板厚0.25 m?；鹪窗凑誸2火模型增長(zhǎng)，火災(zāi)增長(zhǎng)系數(shù)α=0.046 89，火災(zāi)規(guī)模為3 MW。模型劃分的網(wǎng)格為32×28×16，網(wǎng)格尺寸分別為0.25 m ×0.25 m×0.25 m。三個(gè)樓層均為自然補(bǔ)風(fēng)，風(fēng)速為3.3 m/s，門窗全部打開。

為觀測(cè)火災(zāi)在建筑內(nèi)的發(fā)展情況，在一至三層房間中間布置CO探測(cè)器，一層以及幕墻中間插入觀察切片，布置方式如圖2所示。

圖2 模型中切片及CO探測(cè)器的布置Fig.2 Arrange of slice and temperature detector in model

2 結(jié)果分析

2.1 間距對(duì)幕墻間溫度的影響

為研究幕墻間距對(duì)幕墻間溫度的影響，設(shè)定三組玻璃幕墻間距d，分別為0.5、0.7、1.0 m，模擬結(jié)果如圖3所示。

圖3 幕墻間距對(duì)幕墻間溫度的影響Fig.3 Temperature distribution between double deck glass curtain wall

由圖3可知，雙層玻璃幕墻間距不同時(shí)，幕墻之間的溫度差距較大，溫度分布不均勻，整體呈近似“V”字型，即上部溫度低，下部溫度高。幕墻間距為0.5 m時(shí)，幕墻間高溫區(qū)域呈大面積塊狀分布，高溫點(diǎn)較多，最高可達(dá)270℃，甚至在幕墻側(cè)面出現(xiàn)了明顯的高溫區(qū)域;幕墻間距為0.7 m時(shí)，幕墻間溫度有所降低，最高溫度為220℃，大部分區(qū)域處在140～160℃;幕墻間距為1 m時(shí)，高溫點(diǎn)最高溫度雖然可達(dá)220℃，但高溫區(qū)域明顯減少，主要集中在起火房間出口附近。

由此可見，幕墻間距對(duì)于幕墻之間的溫度分布影響較大。從安全角度考慮，間距越大越好，這樣便于熱氣流迅速散掉，增強(qiáng)玻璃幕墻的冷卻性能，但隨著幕墻間距的增加，玻璃幕墻側(cè)面高溫點(diǎn)增多，玻璃隨機(jī)炸裂的危險(xiǎn)性急劇增大。這主要是由于幕墻間距增加，煙囪效應(yīng)增強(qiáng)，幕墻間的煙氣橫向和縱向速度增大，從而導(dǎo)致煙氣紊動(dòng)強(qiáng)度增大，火焰脈動(dòng)頻率增強(qiáng)。隨著煙囪效應(yīng)的持續(xù)增強(qiáng)，很可能將起火房間的火焰引至幕墻之間，造成外幕墻或者內(nèi)幕墻過火［5］，玻璃熔融炸裂，引起新的次生災(zāi)害，嚴(yán)重妨礙人員正常疏散。

2.2 起火房間的溫度分布

起火房間(一層)溫度分布情況如圖4所示。

圖4 起火房間溫度分布Fig.4 Temperature distribution of fire room

由圖4可以看出，在距離一層地面2 m的切片上，溫度升高很快，起火38 s時(shí)，除火源點(diǎn)正上方的一定區(qū)域溫度稍高以外，房間內(nèi)其他區(qū)域溫度還相對(duì)較低(20℃左右);205 s時(shí)，起火房間最高溫度可達(dá)320℃，平均溫度近200℃，嚴(yán)重超出了人體承受極限(149℃)［6］，這對(duì)人員的安全疏散是極其不利的。

由圖4b～4d還可以看出，隨著起火時(shí)間的增加，高溫點(diǎn)逐漸向窗口方向移動(dòng)，房間內(nèi)幕墻的拐角處出現(xiàn)了新的高溫點(diǎn)。出現(xiàn)上述現(xiàn)象主要是由于幕墻之間的空間與外界連通，形成了強(qiáng)烈的煙囪效應(yīng)，一層火焰產(chǎn)生的高溫?zé)釟饬鞅谎杆俪樗偷侥粔σ粋?cè)，而幕墻的部分遮擋作用使得熱量積累，進(jìn)而沿內(nèi)幕墻內(nèi)側(cè)蔓延，在拐角處出現(xiàn)了新的高溫點(diǎn)。這很容易引起玻璃熱應(yīng)力集中，造成玻璃突然炸裂，因而雙層玻璃幕墻的內(nèi)幕墻在安裝時(shí)一定要采取相應(yīng)的防火措施，提高耐火性能。

2.3 房間內(nèi)CO濃度隨時(shí)間的變化

CO濃度是評(píng)定建筑火災(zāi)危險(xiǎn)性的重要指標(biāo)之一［7］。文中模擬分析了間距為0.5 m的幕墻建筑房間內(nèi)CO濃度隨時(shí)間的變化情況，如圖5所示。

圖5 房間內(nèi)CO濃度變化曲線Fig.5 Variation curves of CO concentration in room

由圖5可知，起火過程中，一層房間的CO濃度變化最為劇烈，最高濃度超過了600×10－6，嚴(yán)重超出人體的承受極限(400×10－6)［8］。二層和三層房間的CO濃度較低，基本處于50×10－6以下，不會(huì)對(duì)人員構(gòu)成危害，同時(shí)可以看出，三層房間的CO濃度比二層房間稍高。這主要是由于首層起火房間溫度較高，外界的溫度相對(duì)較低，致使雙層玻璃幕墻上下空間存在溫度差，進(jìn)而產(chǎn)生壓力差［9］，最終形成了強(qiáng)烈的煙囪效應(yīng)，起火房間產(chǎn)生的大量CO被抽送至外界大氣中，二、三層進(jìn)入的CO量相對(duì)很少。越靠近上層，溫度相對(duì)越低，幕墻上下部之間的壓力差越小，氣流的縱向流動(dòng)趨于緩和，而橫向運(yùn)動(dòng)則逐漸加強(qiáng)，因而三層房間CO的進(jìn)入量相對(duì)二層房間多。

3 結(jié)論

(1)雙層玻璃幕墻之間溫度呈近似“V”字型分布，幕墻側(cè)面溫度高于中間溫度，容易引起幕墻的熱應(yīng)力集中。幕墻間距對(duì)幕墻之間的溫度分布影響較大，從安全角度考慮，間距越大越好。

(2)起火房間的溫度變化劇烈，在極短時(shí)間內(nèi)即可超出人體承受極限，而且，隨著起火時(shí)間的增加，房間內(nèi)高溫點(diǎn)迅速向窗口方向移動(dòng)，內(nèi)幕墻拐角處出現(xiàn)新的高溫點(diǎn)。這易引起雙層玻璃幕墻內(nèi)幕墻玻璃的熔融炸裂，不利于人員疏散。

(3)起火房間內(nèi)CO濃度較高，二、三層房間的CO濃度相對(duì)較低，且三層房間濃度稍高于二層。

［1］張 芹.幕墻工程1000問［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006:8－177.

［2］張其林.玻璃幕墻結(jié)構(gòu)［M］.濟(jì)南:山東科學(xué)技術(shù)出版社，2006:18－66.

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［5］霍 然，胡 源，李元洲.建筑火災(zāi)安全工程導(dǎo)論［M］.2版.合肥:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2009.

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Fire characters of glass curtain wall

LU Xinxiao1，2， XIE Yunfei1
(1.Faculty of Safety Engineering，China University of Mining＆Technology，Xuzhou 221116，China; 2.State Key Laboratory of Coal Resources＆Safe Mining，China University of Mining＆Technology，Xuzhou 221116，China)

Aimed at analyzing the fire hazard，this paper describes the development of a full-size double glass curtain wall model and the simulation of the fire character of low floor with the help of FDS simulation software.The results show that，in the case of fire，the temperature between the double skin facade presents approximately“V”-shaped distribution，and the increase of curtain wall space produces more high temperature dots，with resultant increases in danger of glass breakage，and what is more，high temperature dots in rooms on fire transfers to the curtain wall along with increasing time.The rooms on fire have a rather high CO concentration and higher rooms give relatively higher CO concentration than lower ones.The conclusion provides theoretical basis for the fire prevention of curtain wall space.

glass curtain wall;fire characters;FDS;curtain wall space;temperature;CO concentration

X928.03

A

1671－0118(2011)04－0317－04

2011－06－23

陸新曉(1987－)，男，河南省方城人，碩士，研究方向:礦井防塵與防滅火，E-mail:luxinxiao123@163.com。

(編輯荀海鑫)