■ 王建軍 上海市浦東新區(qū)消防救援支隊(duì)

隨著城市建設(shè)的發(fā)展和人民生活水平的提高，大型商業(yè)綜合體、辦公、酒店等大型公共建筑在全國各地不斷涌現(xiàn)。在增加公共建筑體量的同時(shí)，開發(fā)商也越來越重視顧客的購物體驗(yàn)和品牌建設(shè)。其中，美觀、舒適和新穎現(xiàn)代的建筑形式無疑是重要的一環(huán)。中庭等共享空間、大面積的玻璃隔斷、開敞通透的環(huán)境是每個(gè)建筑師所追求的。但如何在保證公眾消防安全的同時(shí)又不阻礙建筑技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，是消防部門的一大難題。我們欣喜地看到，消防規(guī)范在不斷發(fā)展和完善中，鼓勵(lì)采用先進(jìn)、成熟的防火技術(shù)和措施，增加了建筑設(shè)計(jì)的可能性和消防設(shè)計(jì)的自由度。本文通過模擬分析探究鋼化玻璃在噴頭冷卻保護(hù)的前提下作為防火分隔的有效性和安全性。

一、建筑的防火分隔形式

現(xiàn)實(shí)中主要采用防火墻（門窗）、卷簾等作為防火分隔。防火隔墻的優(yōu)點(diǎn)是安全可靠，缺點(diǎn)也是顯而易見的，通透性差。防火卷簾的優(yōu)點(diǎn)是平時(shí)收起，對建筑效果影響小，缺點(diǎn)是在發(fā)生火災(zāi)時(shí)需通過報(bào)警系統(tǒng)指令才能動(dòng)作。另外還需要在日常的檢查測試中時(shí)刻保證其處于正常的運(yùn)行狀態(tài)，但在實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常出現(xiàn)無法降落、脫軌等故障。

隨著玻璃生產(chǎn)工藝不斷創(chuàng)新和技術(shù)日趨成熟，《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》（GB 50016-2014，2018 版）已明確在中庭和商業(yè)步行街等場所允許使用防火玻璃作為防火分隔措施[1]。然而，目前市場上生產(chǎn)A 類防火玻璃的廠商為數(shù)不多，且生產(chǎn)耐火等級與之相匹配的框架等輔助配件也非常昂貴；而C 類防火玻璃則由于產(chǎn)品尺寸大、耐候性好、能通過適當(dāng)加工滿足節(jié)能和美觀上的要求、生產(chǎn)廠商多、價(jià)格相對親民等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際項(xiàng)目中得到廣泛應(yīng)用。

此外，防火玻璃必須與具備相應(yīng)耐火等級的框架結(jié)合使用才能達(dá)到一定的耐火時(shí)間，《建筑用安全玻璃》（GB15763.2-2005）明確了防火玻璃在實(shí)際使用過程中必須采用與之相匹配的框架及輔助配件。厚度為10mm 的單片防火玻璃達(dá)到1h 耐火極限在目前的技術(shù)條件下所能做到的框架尺寸最大約為3m×2m，對建筑通透性要求較高，需要連續(xù)設(shè)置大面積玻璃的場所，每塊防火玻璃四周安裝框架的視覺效果是很多客戶所無法接受的。

設(shè)置防火分隔措施的初衷是能在耐火極限時(shí)間內(nèi)阻止火勢蔓延，因此，如果采取了一定措施后能使鋼化玻璃達(dá)到與防火玻璃等同的耐火極限，那么這種措施值得進(jìn)一步研究。

窗玻璃噴頭是通過一種專門用于冷卻保護(hù)玻璃或墻體等隔斷，從而使其達(dá)到所需要的耐火極限的特殊噴頭。這種噴頭幾乎將所有水量都均勻噴向整個(gè)玻璃表面（圖1），能較均勻地對玻璃隔斷進(jìn)行冷卻，防止玻璃因高溫、受熱不均爆裂或產(chǎn)生可見的損傷。

圖1 窗噴冷卻保護(hù)玻璃示意圖（來自Tyco）

二、窗噴冷卻保護(hù)的模擬研究

（一）鋼化玻璃失效判定標(biāo)準(zhǔn)

通常我們認(rèn)為鋼化玻璃的耐熱性能比一般玻璃更好。依據(jù)《建筑用安全玻璃》（GB15763.2-2005）相關(guān)條款，以實(shí)驗(yàn)的形式來判斷鋼化玻璃是否失效：在200℃±2℃的加熱設(shè)備中放一塊300mm×300mm 的鋼化玻璃樣品，4 小時(shí)以后取出，隨即將其垂直放進(jìn)0℃的冰水中，應(yīng)確保樣品三分之一以上的高度浸入水中，5 分鐘后看玻璃是否完好[2]。

現(xiàn)實(shí)中，由于玻璃內(nèi)部受熱不均而產(chǎn)生熱應(yīng)力作用是產(chǎn)生破碎的主要原因。而在具體的火災(zāi)事故中，很難人為測算玻璃破碎的溫度臨界值，因?yàn)樗c玻璃本身的大小、重量、厚薄、支撐框架以及火場情況等要素均有關(guān)聯(lián)。在實(shí)驗(yàn)判定的基礎(chǔ)上為闡述方便，我們把鋼化玻璃破裂的臨界溫度設(shè)為200℃，即當(dāng)鋼化玻璃表面任意一處的受熱超過200℃時(shí)，玻璃即失去完整性而破裂。

（二）窗玻璃噴頭設(shè)計(jì)要求

以Tyco WS 型快速響應(yīng)窗玻璃噴頭為例，作用溫度有68℃和93℃兩個(gè)類型，可采用垂直安裝或水平安裝方式，噴頭的設(shè)置間距宜為1.83m—2.44m，與玻璃隔墻的間距要不大于300mm，單只噴頭的流量不應(yīng)小于1.26L/s，保護(hù)高度不超過3.96m。在計(jì)算總用水量時(shí)，應(yīng)單獨(dú)考慮玻璃噴頭冷卻系統(tǒng)的用水量，且持續(xù)噴水時(shí)間不能小于所保護(hù)的玻璃隔墻所需要達(dá)到的耐火極限。

（三）FDS 模擬研究

以下將運(yùn)用FDS 模擬計(jì)算玻璃表面的溫升變化，探究窗噴冷卻保護(hù)鋼化玻璃的這種防火分隔方式的可行性。

1.FDS 模型輸入?yún)?shù)

模擬某辦公場所因噴淋失效而發(fā)生火災(zāi)，設(shè)定為6MW t2快速發(fā)展火，火源距離玻璃隔墻2m，窗噴設(shè)置在玻璃隔斷的向火面。為了研究火源靠近玻璃隔墻的情況下的窗噴冷卻效果，還研究了火源距離玻璃隔墻1m 的場景（場景A）。模型的外觀如圖2 所示，所涉數(shù)據(jù)列在表1 中。

圖2 FDS 模型

表1 FDS 輸入?yún)?shù)

火源單位面積熱釋放速率 550kW/m2著火房間尺寸16m×16m×3.2m發(fā)煙率 0.05計(jì)算域外溫度40℃ 考慮夏季室外的情況計(jì)算域內(nèi)溫度24℃ 有空調(diào)場所火源網(wǎng)格尺寸 火源：0.1m×0.1m×0.1m 計(jì)算較精細(xì)窗玻璃噴頭安裝間距 2m火源邊緣與玻璃幕墻距離場景A：1m場景B：2m玻璃受熱主要由煙氣傳導(dǎo)和火焰輻射，其中火焰輻射影響較大，此參數(shù)影響輻射熱

2.場景A 模擬結(jié)果

以下兩組圖片分別為場景A 靠近火源兩側(cè)對稱的兩組共6 個(gè)溫度測點(diǎn)所記錄的溫度數(shù)據(jù)。從數(shù)據(jù)來看，在火焰外沿離玻璃表面1m 的情形下，采用玻璃噴頭保護(hù)的玻璃表面測得最高溫度為60℃—110℃，而無保護(hù)的玻璃表面溫度則高達(dá)70℃—300℃。

圖3 場景A 玻璃表面溫升曲線

3.場景B 模擬結(jié)果

模擬場景B 在其他條件數(shù)據(jù)均不做變化的前提下，僅把火源外延和玻璃之間的距離調(diào)整為2m。該場景下模擬結(jié)果見圖4。模擬結(jié)果表明，在采用噴頭保護(hù)的玻璃表面測得的溫度是50℃—100℃，而無保護(hù)的玻璃表面溫度則高達(dá)60℃—240℃。

圖4 場景B 玻璃表面溫升曲線

4.模擬結(jié)果分析

噴頭動(dòng)作后，玻璃表面的溫度先略為降低，隨后繼續(xù)緩慢上升，與無窗噴保護(hù)的情況相比，窗噴保護(hù)下玻璃表面溫升減緩，這種趨勢在場景A 中更明顯。隨著噴水冷卻作用的持續(xù)，玻璃表面的溫度在達(dá)到約110℃后開始降低，在模擬時(shí)間內(nèi)一直保持下降趨勢，表明噴頭的水流持續(xù)起到了冷卻作用，且在整個(gè)模擬過程中均未達(dá)到鋼化玻璃的破碎溫度，鋼化玻璃的完整性得以保證；由于向火面的受熱一般會高于背火面，因此保守估計(jì)背火面的最高溫不會超過110℃。與此相比，無窗噴保護(hù)時(shí)，玻璃表面溫度接近或超過了鋼化玻璃的失效破碎溫度，且當(dāng)火源靠近玻璃時(shí)，玻璃更容易破碎。

對比場景A 和場景B 可以發(fā)現(xiàn)，即使火源位置較近，窗噴仍然能快速有效控制玻璃表面溫度，使其不超過鋼化玻璃的失效溫度，這歸功于窗噴的快速響應(yīng)和均勻布水的特性。

三、結(jié)語

本文采用計(jì)算流體力學(xué)軟件FDS 研究對比了兩種火源距離下窗噴對鋼化玻璃表面的冷卻效果。模擬數(shù)據(jù)顯示，在兩種火源距離的情形下，窗噴均能有效均勻冷卻玻璃隔墻，從而達(dá)到降低其表面溫度的目的，避免玻璃在火災(zāi)中破裂失效，從而保證鋼化玻璃的完整性和其作為防火分隔的有效性。