超高层建筑幕墙抗火策略

周伟民

摘 要 以上海中心大厦内幕墙的设计及施工为例，对上海中心大厦分隔使用空间与空中中庭的玻璃内幕墙消防安全展开研究，通过理论计算及火灾实验模拟的方式，研究和探讨内幕墙玻璃在火灾中的燃烧性能、幕墙玻璃的加强保护策略和相关构件的防火保护措施，提出了根据不同的工况选择玻璃幕墙防火系统，特别是以普通铝合金玻璃幕墙系统辅以窗玻璃喷淋系统作为防火分隔，可代替常规的钢框防火玻璃幕墙系统，可节省投资及工期，为超高层建筑内幕墙设计带来更多可能性。

关键词 上海中心大厦 内幕墙 玻璃幕墙防火 窗玻璃喷淋

1引言

超高层建筑是人类社会城市化、现代化、高科技化发展进程中的产物。它的出现不仅仅满足人们的基本物质要求，更主要的是满足人们在精神上及商业利益上的需求，其发展体现着结构、技术、能源、美学及社会和文化的科学综合。

玻璃作为建筑材料，同时具备四大特点：透明、高强、轻质、耐久。装设玻璃幕墙的建筑一旦失火后，火焰和烟雾会沿着玻璃幕墙与楼板、隔墙的缝隙蔓延，同时玻璃在250℃左右炸裂，并引起火焰迅速沿外墙上卷延烧。玻璃幕墙的钢材和铝合金型材的耐火性能都比较差，钢型材在300～400℃高温下强度下降，600℃时承载力下降到常温下的40%左右，而铝合金结构型材的耐火性能更差，受热条件下极易发生结构变形，350℃左右失去承载能力。目前的玻璃幕墙结构设计中，虽然考虑了玻璃和铝合金在温度骤变情况下因变形伸缩不一致而发生的“冷桥”现象，玻璃和铝框中间采用橡胶、聚乙烯泡沫材料相隔，但是能承受的温度变化范围仅在-40～+50℃之间。建筑物内发生火灾，辐射热、高温烟气都使结构温度变化范围远远大于+50℃，结构受热膨胀变形过大，造成玻璃破碎、脱落。

玻璃幕墙体系的设置给防火安全带来了诸多不利因素，由于玻璃幕墙的耐火性能较差，一旦建筑物发生火灾，火灾蔓延迅速、扑救难度大、危害性大。在上海中心大厦的设计与施工过程中，建设单位协调设计单位及施工单位找寻一种系统的内幕墙抗火解决方法，并成功得到了验证与实施。

2上海中心大厦玻璃幕墙体系概述

上海中心大厦是上海浦东陆家嘴核心区的第三座超高层建筑，位于陆家嘴金融贸易区、紧邻陆家嘴中心绿地，地块面积约30 370m2，地上建筑面积约380 000m2，121层，总高为632m，结构高度为580m。大厦分为9段，共6个主要功能区域：商业、办公、精品办公、酒店、酒店公寓和观景体验区域。每段都有独立的中庭，为人们提供交流活动的场所。

上海中心大厦的中庭设置在内外双层幕墙之间。整个大楼采用了独特的内外双层幕墙系统。外幕墙轮廓由3段圆弧构成的圆倒角三边形作为基本构形，平面三边形逐渐旋转上升并均匀缩小，形成了一个平滑扭曲面，其内幕墙沿着主体结构楼板边缘呈圆柱式布置。内外幕墙间的月牙形空间形成了一个独立的中庭，每段中庭的高度为69.9m。

上海中心大厦的幕墙体系包括：内层幕墙（A幕墙）、幕墙支撑系统（CWSS）、外层幕墙（B幕墙）（图1，2）。

3上海中心大厦玻璃内幕墙的消防设计特点

考虑到中庭与使用空间的防火设计，上海中心每个区的中庭与标准层的使用空间分隔可采用以下几种方式：1）采用防火墙分隔，但此类分隔阻挡了功能层与中庭的视线联系；2）参考《高层建筑防火设计规范》的传统做法为采用耐火极限达到3h的防火卷帘分隔，但考虑大面积使用防火卷帘的可靠性，火灾时若有任意一面防火卷帘不下降，则防火卷帘形同虚设，而且本项目内幕墙为圆形，给防火卷帘的设置带来困难；3）参考《上海市公共建筑防火分隔消防设计若干规定》，中庭四周采用C类防火玻璃或防火卷帘分隔，防火玻璃耐火极限不小于1h，但全防火玻璃系统存在的问题：只能采用钢框架形式，不能采用工厂化安装的单元幕墙，施工较慢，与超高层建筑的建设周期不匹配。

综合以上几个因素，上海中心内幕墙尝试性地提出一种较新型的防火分隔方案：采用铝合金框架玻璃+窗玻璃喷淋系统。

窗玻璃喷淋保护系统不同于一般意义上的保护防火卷帘的加密喷头。首先，严格要求将窗玻璃喷淋系统独立于普通喷淋系统独立设置；其次，窗玻璃喷头是一种特制的边墙洒水喷头，它的布水性能较好，洒水均匀，如图3所示。

经ICC-ES和ULC认证，窗玻璃喷头和6mm的钢化玻璃组合后，可以提供2h耐火极限。火灾发生时，玻璃表面受到烟气传导和火焰辐射，玻璃表面温度升高，若保护玻璃的窗玻璃喷头及时产生动作，往受热玻璃表面均匀布水，可以有效降低玻璃表面的温度，保证玻璃的完整性。窗玻璃喷头的保护间距宜为1.83～2.44m，每只喷头流量不小于1.26L/s，喷头有边墙安装和垂直安装两种方式，喷头与玻璃隔墙间距宜为50～100mm，喷头启动温度有68℃和93℃两种，喷头为3mm玻璃泡快速响应型，作用长度内的喷头数量一般约为7只，消防用水量须单独考虑窗玻璃喷头用水量。

4上海中心内幕墙体系的设计火灾场景

4.1利用 FDS 模拟验证内幕墙温度场

考虑火灾发生在办公区域，火灾规模参照上海市2006年版《建筑防排烟技术规程》中喷淋失效的办公场所，设定为6MW快速t2发展火，并保守假设办公区域的普通喷淋系统和机械排烟系统失效。[1]

从模拟输出结果，在有窗玻璃喷淋保护的条件下，火源边缘距离玻璃表面1m的条件下，玻璃表面最高温度为60～85℃，远低于钢化玻璃的临界温度200℃。无窗玻璃喷淋保护的玻璃表面温度为70～240℃，高于钢化玻璃的临界温度200℃。

考虑火灾发生在办公区域，火灾规模参照上海市2006 年版《建筑防排烟技术规程》中喷淋失效的办公场所，设定为6MW快速t2发展火，并保守假设办公区域的普通喷淋系统和机械排烟系统失效。

本场景是为验证内幕墙若采用防火玻璃，且防火玻璃在无喷淋保护下，其表面温度能否在安全值以下。火源边缘与玻璃之间的距离为0.5m，其他输入参数和场景一的参数一致。计算结果显示无喷淋保护的防火玻璃表面温度为190～330℃，未超过防火玻璃失效温度500℃。

上海中心各区段中内外幕墙之间形成三个独立的新月形空间，内外幕墙之间的距离变化很大，中间区域较大，两端较小，最窄处的距离小于2m（图4）。

为了研究内外幕墙之间的距离对火灾特性的影响，考虑了内外幕墙狭窄处所对应的办公区发生火灾时的场景，得到烟气的蔓延情况，并测定内幕墙处的热烟气温度。根据FDS计算在内外幕墙之间距离为2m时，由于空间狭小，高温热气流在上升过程中，卷吸的新鲜空气较少，烟气流保持较高的温度向上蔓延，形成烟囱效应。造成在整个竖向空间内，温度下降梯度较小，整个区域温度大部分都在140℃，其中距中庭底部5m处烟气温度为500℃左右，10m处为230℃，中庭顶部55m温度在240℃。

4.2根据FDS模拟的初步结果及建议

针对目前模拟验证结果，建议中庭防火分隔采取以下方式：

（1）内外幕墙狭窄区域（内外幕墙之间距离≤2m）：整个中庭高度上采用防火玻璃系统。

（2）内外幕墙宽阔区域（内外幕墙之间距离>2m）：距中庭底部5m及10m处（即标准层首层、二层），顶部以下2 层标准层建议采用防火玻璃系统；其余系统各标准层采用钢化玻璃+内侧窗玻璃喷头保护的形式。

同时，对窗玻璃系统提出以下要求：1）建议用于保护钢化玻璃的窗玻璃喷头安装间距约为2m，并应保证喷头距离玻璃表面的垂直距离能确保玻璃表面无洒水盲点；2）窗玻璃喷淋的设计用水量应单独考虑，约按7个喷头（按作用面积设计）同时动作考虑设计用水量。

4.3内幕墙防火系统深化

按照模拟计算结论，内幕墙设计效果将如图5所示（其中红色阴影区域代表防火玻璃系统）。57.8%内幕墙区域将采用防火玻璃幕墙系统，其余区域为普通钢化玻璃幕墙系统。这样的设计将带来以下困难：

（1）施工困难，由图5可知2m狭窄区域在整个中庭竖向高度上为曲线延伸，在施工时很难完全做到防火玻璃系统和普通钢化玻璃系统的衔接。

（2）系统边界玻璃受热不均，在同一层一边采用窗玻璃喷头保护钢化玻璃系统，一边采用防火玻璃系统，一旦在两个系统边界区域发生火灾，一边有窗玻璃喷头启动，另一边没有，这样容易造成玻璃受热不均而引起破裂。

（3）影响建筑外观，混合两种系统对建筑外观造成很大的影响。

鉴于以上原因，内幕墙系统配置如图6，7所示，归纳如下：1）靠标准层一侧采用普通钢化玻璃；2）靠中庭一侧采用单片C类1h防火玻璃；3）靠标准层一侧框架采用窗玻璃喷头+带铝饰面的连续钢框架系统；4）靠中庭一侧框架采用连续钢压条框架系统。

5上海中心大厦玻璃幕墙体系防火性能测试

5.1非隔热镶玻璃构件防火测试

在施工阶段，根据幕墙施工公司深化图纸做实样到国家消防检测机构做经过多轮试验，不断改进玻璃配置及安装节点（表1），从而确定了最终的内幕墙分隔，验证了理论计算的防火分隔的有效性。在以上多次的实验中，水喷淋防火实验是国内首次进行，为此专程搭建了相关实验装置。

5.2非隔热镶玻璃构件防火测试程序

试验在公安部天津消防研究所实验室，根据GB/T12513-2006《镶玻璃构件耐火试验方法》规定进行。试件实际玻璃尺寸为2 710mm（高）×804mm（宽）和2 710mm（高）×1 020mm（宽）两种，玻璃受火面积分别为2 673mm（高）×766mm（宽）和2 673mm（高）×981mm（宽），镶嵌玻璃深度为20mm。

按GB/T 9978的规定进行测量，试件背火面窜火持续达10s以上时，则认为试件失去耐火完整性；当试件背火面出现贯通至试验炉内的裂缝，直径6mm±0.1mm的探棒可以穿过裂缝进入试验炉内且探棒可以沿裂缝长度方向移动不小于150mm，或直径25mm±0.2mm的探棒可以穿过裂缝进入试验炉内，则认为试件失去耐火完整性。当测得的试件背火面平均温度超过试件表面初始平均温度140℃，或测得的试件背火面任一点最高温度超过初始温度180℃时，则认为试件失去耐火隔热性，试验过程如图8所示。

5.3水喷淋保护镶玻璃构件防火测试程序

试验在公安部天津消防研究所实验室进行，通过检测一些系数，如喷头动作时间、玻璃和玻璃框的温度、玻璃装置保持完整性的时间，来确定在可控制火源的条件下玻璃装置的喷水灭火的性能，对窗喷系统性能进行评估。检测室的宽度为3.3m，进深为3.3m，高度从地面算为3.3m。检测室的三面墒和吊顶贴上陶瓷纤维，放置检测样品的那面墙不装陶瓷纤维。将检测样品安装在燃烧器前挡板对面并平行的墙上，大小为2m×3m（图9）。

检测样品包括玻璃装置和喷水系统。玻璃装置包括玻璃、玻璃框、垫圈、合适的销以及其他完成安装需要的组件。喷水系统包括自动喷头、供水管路和其他任何检测室里通常要安装的组件。检测样品的中垂线与检测室墙上开孔的中垂线对齐，样品放在具有耐火等级的墙上。墙的耐火等级要大于样品的耐火等级。

1h窗喷水喷淋保护镶玻璃构件防火测试结论：1）防火玻璃及铝台金框架完成了连续1个小时的窗喷试验；2）玻璃或铝合金框架上所有测温点的平均温度不超过140℃；3）热电偶不接触火源一面的温度在40min的时间间隔内不超过180℃；4）玻璃装置未出现穿孔、崩裂等破坏现象；5）在距离样品背火面3m处辐射照度末达到0.42W/cm2；6）在距离样品背火面2.4m处辐射照度未达到3.35W/cm2。

6结论

通过对上海中心大厦分隔使用空间与空中中庭的玻璃内幕墙消防安全展开研究，通过理论计算及火灾实验模拟的方式，研究和探讨玻璃内幕墙在火灾中的燃烧性能、幕墙玻璃的加强保护策略和相关构件的防火保护措施，得出如下结论：1）上海中心中庭防火分隔采用的防火玻璃系统经过模拟分析和试验验证，结果表明均满足1小时耐火极限的要求；2）窗玻璃喷淋和防火玻璃铝框幕墙体系结合代替防火玻璃钢框系统，满足耐火极限要求，这给中庭内幕墙的建筑设计带来更多的可能性；3）镶玻璃构件以玻璃、框乃至机电设备配合共同作用达到防火要求，构件间联接的节点应经过防火试验的验证。