周华杰 吴超群 汤文辉

摘 要：现阶段由于社会经济水平的提高，双层幕墙由于其具有良好的保温、通风等节能功能和美观的外形被人们广泛应用。但也因为它的特殊结构造成了消防灭火的困难。目前国内外还没有发现解决这一问题的有效应对措施。所以可以从双层幕墙的结构特点与分类、火灾危险性影响因素、现有规范防火要求、火灾控制方法等方面进行分析，从现有研究来看目前双层幕墙防火设计策略大体分为主动、被动两类，其中主动火灾控制即通过设置灭火设施，减小火灾的损失;被动火灾的控制即通过使用耐火材料或其组成的阻挡性结构遏制或减缓火灾的传播。

关键词：双层幕墙;火灾危险性;工程实例

0引言

双层玻璃幕墙简称DSF，由外层幕墙、热通道和内层幕墙（或门、窗）构成，且在热通道内可以形成空气有序流动的建筑幕墙[1]。DSF一方面能稳定室内的温度、光照，增强通风换气功能;另一方面能提高幕墙的保温、隔热、降噪能力，节省能量损耗[2]。根据我国建筑节能降耗的政策要求，幕墙行业应大力研发和推动使用节能、降耗、环保幕墙，如双层幕墙。建筑双层玻璃幕墙火灾相对于传统建筑火灾具有特殊性，由于内外幕墙间有较宽的热通道，平时可利用烟囱效应实现自然通风，但在火灾时可能成为烟和火向上层蔓延的主要通道，加速火灾的垂直蔓延，给消防安全带来不利影响。为了推进双层幕墙的防火设计，有必要对双层幕墙防火研究进行梳理。本文首先对双层幕墙火灾危险性进行分析，找出火灾中双层幕墙结构的薄弱点，再对国内外的防火方法研究及其工程实例等方面进行梳理，从而为后续解决双层玻璃幕墙的防火问题提供研究基础。

1双层幕墙

根据双层幕墙的几何结构通常可以将其分成盒窗式、竖井式、走廊式、整体式四种[2-3]。按通风模式分类，双层幕墙又可分为内循环式（机械通风型）、外循环式（自然通风型）以及内外循环式（混合通风型）。

笔者通过网络搜索及走访，对全国19个省市的双层玻璃幕墙建筑进行了不完全统计，共发现92栋双层玻璃幕墙建筑，主要分布于北京、上海、广州等省市，且多用于办公楼建筑。应用双层幕墙的建筑一般楼高为200米左右，多数建筑是仅部分立面使用双层玻璃幕墙结构。从通风模式来看，内外呼吸式占65.2%，外循环式占19.7%，内循环式占15.2%。幕墙类型的选取存在明显的地域差异。55.6%的省市幕墙结构以内外循环式为主，16.7%的省市以内循环式为主，5.6%的省市以外循环式为主，其余22.2%的省市三类幕墙均有选用且数量平均，并未有一类占比明显较大。

2火灾危险性分析

因双层幕墙的结构特性，烟气蔓延与常规建筑不同，大量的研究都表明双层幕墙结构会加速烟气以及火灾蔓延[4]。火灾时，室内空气温度高于幕墙内部温度，室内空气将发生向上运动，即烟囱效应。普通建筑火灾蔓延的速度约为0.14m/s[7]，而整体式玻璃幕墙内烟气流动速度可到到1.3-4.5m/s[3]，是普通建筑的9-32倍。

幕墙结构也会对烟气流动造成影响。竖井式和走廊式幕墙可将火灾烟气完全限制在单层双层玻璃幕墙内。双层幕墙空腔宽度对内部烟气温度和速度的分布有较大影响[5]。

幕墙结构一般由钢结构框架和玻璃组成，内层幕墙一般采用单片玻璃或可开启窗，外层幕墙则采用中空玻璃或者Low-E玻璃。外幕墙采用双层夹胶钢化玻璃，其夹胶层内的胶体极易着火。一旦外幕墙内层迎火面玻璃破碎，火焰与烟气组成的热气流接触到胶体，夹胶层将会迅速燃烧并向上蔓延，并导致外幕墙外侧背火面玻璃破碎、熔化、脱落。但是当外幕墙破裂后，烟气在高温气体产生的热压作用下喷出外墙，只有少量烟气进入内外幕墙之间的夹层。幕墙夹层间温度降低，对起火层以上各层内、外幕墙的影响将大为减少。因此，外幕墙的破裂对降低幕墙夹层内的烟囱效应，减缓火灾和烟气的垂直蔓延速度起到积极的作用。

除此之外当温度达到350℃时，钢结构框架的强度将下降为原强度的60%左右，当温度达到600℃时，强度下降为原强度的30%左右[6]。但是通常在内幕墙玻璃破碎前，钢结构框架在300～400℃时强度已经下降，发生严重变形，导致烟气透过玻璃与铝合金框之间缝隙流入幕墙夹层。

3.防火要求

由于双层幕墙是一种新颖的幕墙构造形式，普通建筑的防火措施并不完全适用。在世界各国的消防规范中也鲜有针对双层幕墙建筑的特殊规定。在我国《建筑防火设计规范》[7]中仅要求采用玻璃幕墙的建筑，上、下两层之间应设置高度不小于1.2m的实体墙或挑出宽度不小于1.0m、长度不小于开口宽度的防火挑檐，同时要求玻璃幕墙与每层楼板、隔墙处的缝隙，应采用不燃烧材料填实，幕墙与每层楼板、隔墙处的缝隙应采用防火封堵材料封堵。目前只有中国香港地区的《消防安全（建筑物）条例》[8]和上海的《双层玻璃幕墙防火设计规程（暂行）》[2]针对性地对双层幕墙进行了更细致的规定，比如中庭、大堂内无可燃物的独立防烟分区;走道或回廊设有排烟设施，建筑面积不大于100m2的房间;建筑部位为机电用房，符合以上三种情况的双层玻璃幕墙建筑物可以不设排烟系统。由于各国规范中没有专门规定，且各消防研究机构对该类幕墙火灾特性的研究资料也较少。因此，各地消防监督部门在审批采用双层幕墙建筑时都比较谨慎，往往要求进行性能化分析。

4防火设计

根据各规范的要求，防火设计时，应尽可能使得外幕墙早于内幕墙破裂。限制烟气的流动，不要让烟气附着在内部表皮上以防止内部玻璃窗格开裂[9]，以减少设施损坏和人员死亡。

最直观的防火方法即为内幕墙选用更为耐火、防火的材料。根据GB50016[7]的要求，耐火極限不低于1h的不燃烧体。例如上海中心大厦双层玻璃幕墙结构采用的金刚铯钾防火玻璃;德国马普协会总部大楼设计[16]将单元式绝热玻璃作为大楼内部幕墙的主要材料。在钢结构防火上可以选用截留法和疏导法等，可也可以采用用防火合金钢材代替普通钢材等方法加强钢结构的耐火性。

其次，控制幕墙空腔间距具有一定的防火效果。根据W.KChow[10]的研究幕墙玻璃间距与双层玻璃幕墙的着火行为以及烟气传播情况关系密切。当幕墙间距更宽时，烟气倾向于在空腔中心流动而不是紧贴着内外幕墙壁流动，所以适当加宽幕墙空腔的间距可以延缓高温烟气贴壁流動，内幕墙玻璃因高温而破裂，从而使高温烟气进入其他楼层，最终导致火灾蔓延的时间。

同时，可以通过限制幕墙尺寸进行幕墙防火，例如上海[2]规定的整体式双层玻璃幕墙的幕墙类型不适合24m以上的高层建筑。张志强[4]通过整体式与走廊式玻璃幕墙模拟结果的对比研究发现，利用防火分隔挡板将双层玻璃幕墙的空腔进行划分，可以在火灾发生时将烟气有效限制在起火楼层对应的空腔内。走廊式玻璃幕墙可将火灾烟气完全限制在幕墙内，与整体式玻璃幕墙相比可大大减小火灾烟气影响区域，但着火房间所在楼层的玻璃幕墙空腔内最高温度达到了270℃，大大高于整体式玻璃幕墙空腔内的最高温度，接近玻璃破坏临界温度，对幕墙的结构安全造成威胁。

此外，通过设置各类防火分隔，延缓、阻碍烟气在空腔内的蔓延是火灾控制的重要方法。中国香港[8]、上海[2]对双层玻璃幕墙建筑的防火分区的划分、防火隔断的设置进行规定：规定双层玻璃幕墙在跨越水平向防火分区或防火单元处应采用与防火分隔物耐火极限相同的不燃烧体隔墙进行防火分隔。香港[8]规定了防火分区以3-4层为分区单位，防火分区间的幕墙空腔内须特别设置竖向的防火棉等防火分隔处理。规范推荐的防火分隔的方法包括挑檐、檐墙以及约束隔板。DSF内需要封堵的地方包括幕墙结构间的缝隙。根据《建筑防火封堵应用技术标准》[11]规定的，在玻璃幕墙与每层楼板、隔墙处的缝隙，用非燃烧材料严密填实。以及根据香港建筑部门[8]规定的，以3、4层为分区单位分隔的防火分区间的幕墙空腔内须特别设置竖向的防火棉等处理。GB50016[7]规定的，整体式双层玻璃幕墙的内层玻璃幕墙窗槛墙应采用非燃烧填充材料填充等。

檐墙结构可以将烟气从沿着内幕墙的贴壁流动引导为非贴壁流动，延缓内幕墙因高温烟气而破裂情况的发生[5]。雷海英[12]利用FDS模拟防火挑檐及窗槛墙对火灾烟气在空腔内蔓延情况的阻碍效果，得到了窗槛墙的最佳宽度为0.8m，且明确了有防火挑檐时外幕墙先破裂，无防火挑檐时内幕墙先破裂。可见在幕墙空腔内加设防火挑檐、防火百叶有利于引导烟气靠外幕墙流动，进而有利于烟气从外幕墙排出。实践中天津某文化广场就采用了窗槛墙作为防火结构，窗槛墙内部填充了防火岩棉的铝制板材。中石油的华东总部大厦的幕墙防火结构为窗槛墙和防火挑檐，窗槛墙由尺寸为0.8m的梁组成，防火挑檐外伸至内层玻璃外0.5m处。

雷海英[12]还建议加装喷淋防火系统，除了对幕墙与烟气的降温效果明显，对阻碍火势的蔓延有较好的作用。防排烟系统更为重要，上海[2]规定除少数建筑形制外其他设双层玻璃幕墙的建筑都必须设机械排烟系系统。采用该方法进行防火的双层幕墙建筑有中石油华东总部大厦、上海市政工程设计研究总院新楼等。

5. 结论

被动与主动两类火灾控制方法是目前双层幕墙的主要火灾控制方法，对这两类方法依据前文的幕墙火灾危险性影响因素进行控制效果的分析比较可以得到，被动火灾控制方法通过设置防火分隔和防火封堵可以引导或遏制烟气在空腔内的流动，但是对烟气的封堵也会导致局部烟气聚集产生局部高温影响构件安全。其次，通过使用更为耐火的建筑材料可以针对性地解决双层幕墙构件耐火性的问题，但是部分新材料的成本也较高。主动火灾控制利用机械排烟系统直接对烟气流动进行控制，使用自动喷水装置可以直接降低烟气温度，保护幕墙构件。因此，主动火灾控制方法对幕墙火灾危险性控制效果更好。双层幕墙作为建筑围护结构，其结构变化丰富，防火设计策略也不应影响其外观的美观性，因此防火设计策略理应具体案例具体分析，择优选择最佳方案。

参考文献：

[1]GB/T21086—2007，建筑幕墙[S].北京：中国标准出版社，2007.

[2]双层玻璃幕墙防火设计规程（沪暂行）[S].上海：上海市消防局，2008.

[3]陆新晓.张明媚.董超.建筑双层玻璃幕墙火灾行为特性研究[J].消防科学与技术，2018（08）：1087-1090.

[4]张志强.不同类型双层玻璃幕墙火灾烟气流动特性对比研究[J].武警学院报.2014，（2）：5-9.

[5]F.Tang， L.H.Hu， Z.W.Window ejected flame height and heat flux along facade with air entertainment constraint by a sloping facing wall[J]. Fire Safety Journal，2015（71）：248-256.

[6]Chow W.K.and Chow C.L. Evacuation with smoke control for green and sustainable buildings[J]. Building and Environment2005， 40（2）：195-200.

[7]GB50016，《建筑防火设计规范》[S].北京：中国计划出版社，2014.

[8]Hong Kong Buildings Department.Code of Practice for Fire Safety in Buildings[S]， HongKong：Buildings Department，2011..

[9]郑立桐.双层玻璃幕墙绿色建筑技术案例分析—法兰克福商业银行大厦和马普协会总部大楼[J].建筑工程技术与设计.2016，（36）：272.

[10]Chow C.L.， Numerical studies on smoke spread in the cavity of a double-skin facade[J].Journal of Civil Engineering and Management，2010.17（3）：371-392.

[11]GB/T51410-2020，《建筑防火封堵应用技术标准》[S]，北京：中国计划出版社，2020.

[12]雷海英.某双层玻璃幕墙建筑火灾后烟气蔓延分析研究[J].消防技术与产品信息.2015，（9）：12-15.

基金项目：1、基金来源：浙江省大学生科技创新活动计划（省新苗活动项目）;2、项目名称：双层幕墙设计结构建筑的消防;3、项目编号：2019R428009。