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防火玻璃系統技術及應用

 

1 前言
建筑防火是建筑安全設計中一個十分重要的項目,建筑防火分區的要求往往使建筑師在建筑美學與建筑防火長進退兩難,然而玻璃作為現代建筑的時尚,它所具有的通透性和華麗的效果,使得防火玻璃成為現代建筑師們樂于追逐的目標,用防火玻璃作為防火分隔材料的上風不僅在于晉升了建筑美感和采光效果,而且要比傳統的墻體輕,可進步建筑物的有效使用面積,便于施工。GB15763.1 《建筑用安全玻璃防火玻璃》尺度頒布實施以來, 單片防火玻璃逐漸被人們熟悉和接受,與此同時, 系統防火的理念逐步得到樹立, 防火玻璃系統技術得到發展, 并已成功應用于海內大型公共建筑幕墻、防火分區、室外幕墻及門窗等建筑部位。
 
2 防火玻璃系統技術
從技術角度講,在發達國家,玻璃防火被看作為一個系統,要求防火玻璃與框架系統都具有防火功能。我國則存在熟悉上的誤區,往往只注重玻璃本身的防火,這也導致我國防火玻璃整體配套水平與發達國家存在一定差距。機能再優異的防火玻璃,假如沒有與之相匹配的防火框架和防火密封材料, 就不是完整的防火玻璃系統;反之亦然, 它們之間相輔相成。GB 15763.1一2001《建筑用安全玻璃防火玻璃》第l號修改單就明確劃定防火玻璃測試時試樣應鑲在與實際工程配套使用的框架系統內,等于夸大了不同防火玻璃系統間的耐火機能差異性,這也間接催生了防火玻璃系統技術在我國的發展和逐步走向成熟。
2.1防火玻璃的防火特性及應用現狀
按耐火機能,防火玻璃可分為隔熱型防火玻璃和非隔熱型防火玻璃。隔熱型防火玻璃是耐火機能同時知足耐火完整性和耐火隔熱性(尺度耐火試驗中如背火面均勻溫度超過初始溫度140 ℃或背火面最高溫度超過該點初始溫度180 ℃,則以為試件失去隔熱性)的防火玻璃,即A 類防火玻璃`非隔熱型防火玻璃是耐火機能僅能知足耐火完整性要求的防火玻璃,即C 類防火玻璃。
根據GB15763.1一2009( 建筑用安全玻璃第l部門:防火玻璃》的劃定, A類、C類防火玻璃的耐火極限分為0.5h、1.0h、1.5h、2.0h、3.0h五個等級。防火玻璃在進行耐火機能試驗時應采用明火加熱,使試件受到與實際火災相似的火焰作用。試驗爐爐內溫度隨時間而變化,其變化規律應知足函數關系:
T-T0= 345 lg(8t+1)
式中:
T—升溫到t時刻的均勻爐溫,℃;
T0—爐內的初始溫度,應在5 ℃-40 ℃范圍之內;
t—試驗所經歷的時間,min 。
需要指出的是, 當防火玻璃用于擋煙垂壁時, 主要受熱煙氣影響, 其耐火機能要求與尺度耐火試驗有一定區別, 一般要求按GB/T9978一2008《建筑構件耐火試驗方法》劃定的升溫前提升溫至620℃, 并在620 ℃±20℃溫度前提下保持30min時,防火玻璃擋煙垂壁應保持完整性不破壞。
按結構, 防火玻璃可分為復合防火玻璃和單片防火玻璃。目前海內單片防火玻璃主要有兩種技術路線:采用綜合增強處理的高強度單片防火玻璃和特種防火玻璃(以硼硅酸鹽防火玻璃為主) 。復合防火玻璃是在兩片玻璃之間凝結一種透明而具有阻燃機能的凝膠,這種凝膠碰到高溫時發生吸熱分解反應,變為不透明,有阻隔火焰的作用。復合防火玻璃的出產方法分為夾層法和灌漿法兩種,其長處是隔熱,缺點是不能直接用于外墻,難于深加工,長期紫外線照射下易起泡、發黃甚至失透。與復合防火玻璃比擬,單片防火玻璃的長處是耐候性好、強度高、易于深加工及安裝便捷等,但不隔熱。單片防火玻璃和復合防火玻璃因機能上的差異在建筑應用上屬互補關系。
硼硅酸鹽玻璃具有良好的化學不亂性,較高的軟化點(約850℃左右) ,較低的熱膨脹系數,可用作耐熱和防火玻璃,使用這種玻璃作為防火玻璃一般厚度為6mm-8mm為宜,在國外一些發達國家中使用較為廣泛。但硼硅酸鹽防火玻璃因為熔制溫度很高、成形溫度高、熔制時硼揮發、易產生硼硅分相等題目以及熔窯耐火材料腐蝕速度快等技術難點,技術門檻及本錢非常高。
除硼硅酸鹽防火玻璃外,特種防火玻璃還包括鋁硅酸鹽防火玻璃、微晶防火玻璃及軟化溫度高于800 ℃以上的鈉鈣料優質浮法玻璃等。其共同特點是:玻璃軟化點較高,一般均在80℃以上,熱膨脹系數低,在強火焰下一般不會因高溫而炸裂或變形,尤其是微晶防火玻璃,除具有上述特點外,還具有機械強度高、抗折、抗壓強度高及良好的化學不亂性和物理力學機能。但特種材料的防火玻璃(硼、鋁硅酸鹽防火玻璃,微晶防火玻璃)價格較高,市場較難接受, 目前我國單片防火玻璃技術基本采用平板玻璃物理或化學增強技術來進步玻璃的強度,使玻璃能夠承受急熱(或急冷)時產生的應力,從而具有防火的功能。

 

高強度單片防火玻璃的耐火機理是通過進步鈉鈣硅玻璃強度,來抗衡熱應力進而避免玻璃表面微裂紋擴展造成的破裂。火災時玻璃受熱膨脹,玻璃整體發生彎曲變形,玻璃受火面的微裂紋受到熱應力作用, 逐漸擴展造成玻璃破裂;單片防火玻璃強度極高, 比普通鋼化玻璃有更大的預應力,改善了玻璃的抗熱應力機能,當玻璃受熱膨脹,其表面的高預應力就會抵消產生的熱應力, 使微裂紋不再擴展致玻璃破裂,從而保證在火焰沖擊下或高溫下的耐火機能。當玻璃整體受到的熱量大于背火面散失的熱量時,玻璃整體溫度逐漸升高,沿高度方向,從受火面開始逐漸進人軟化區,直到玻璃背火面的粘度不足以支撐玻璃本身的重量時,玻璃整體(或局部)坍塌而失去完整性。
盡管與傳統的防火玻璃(如灌漿、復合防火玻璃)比擬、單片防火玻璃有其無可相比的優勝性, 但在發生火災時, 因為單片防火玻璃不隔熱, 其熱輻射對防火分區外的可燃、易燃物以及人的安全通過會產生影響,如何使單片防火玻璃在具備通透的外觀、保證良好耐火機能的同時具備隔熱性成為設計師關注的焦點。研究表明,通過對單片防火玻璃隔斷施加自動噴淋保護系統可以解決單片防火玻璃隔熱題目。通過在防火玻璃隔斷上部邊沿位置設置自動水噴淋系統,當火災發生后玻璃背火面空氣溫度達到噴淋噴頭動作溫度時,背火面自動噴淋系統啟動,玻璃背火面形成持續水幕,帶走了因熱傳遞而使玻璃吸收的熱量,使防火玻璃即使在很高的火災荷載下也能維持較低的溫度。有關的試驗表明,在自動噴淋保護下,單片防火玻璃系統的隔熱機能得到顯著改善,熱輻射被有效阻隔, 玻璃耐火時間大大延長, 而背火面溫度在40 ℃以下,可完全替換防火卷簾。
當防火玻璃框架系統無隔熱性要求時,可選用C類防火玻璃。當防火玻璃框架系統有隔熱性要求時,可選用A類防火玻璃或C類防火玻璃加水噴淋保護。
 
2. 2防火玻璃框架系統
防火玻璃框架系統主要由防火玻璃、耐火框架和防火密封材料組成,在一定時間內知足耐火完整性或隔熱性要求的非承重系統,包括防火玻璃幕墻、防火玻璃門窗、防火玻璃非承重隔墻、防火玻璃擋煙垂壁等。不同的框架系統對防火玻璃的耐火機能有不同影響。純鋁材料強度低,不能承受荷載。在純鋁中加人一定量的Mg,Mn,Si等元素后,可制成強度高的鋁合金。鋁合金框結構屬非燃燒體,在火災荷載作用下,跟著溫度的升高其強度逐漸下降,當溫度超過250℃時,其強度急劇下降到原來的二分之一,370 ℃左右抗拉強度幾乎全部損失,且鋁合金的熔點低(600℃-700 ℃) ,在火災荷載的作用下,框架系統會很快熔融、垮塌,進而導致火災蔓延。因此鋁型材不能用作抗火結構,只相宜用于30 min以下耐火等級要求的防火隔斷、門窗,30min以上的耐火等級通常選器具有抗高溫氧化機能的耐熱鋼型材,鋼型材作為一種“輕質高強”的建筑材料,是理想的抗火結構。防火玻璃鋼框架為非承重結構,與主體承重鋼結構有較大差別, 實踐證實它在表面無防火涂料保護的情況下仍可耐火180min及1200℃高溫下略有變形但保持完整。而作為承重鋼結構在火災時,因為高溫作用,強度損失很快,需要在表面加上混凝土或防火涂料等保護。
理想的框架設計是實現防火玻璃系統耐火機能的樞紐,而在設計中公道地選擇防火密封材料是防火系統的保證。占有關資料統計,在火災中因受煙霧中毒、窒息而死亡的人據有較高的比例, 因此在防火系統中,密封長短常重要的環節。防火玻璃在安裝時, 除了鋼框架結構, 還需要耐火墊塊、防火膨脹密封條、防火密封膠、門窗密封件等系列輔助材料, 這類材料應采用不燃或難燃材料,其燃燒機能應符合現行尺度GB50222一2001《建筑內部裝修設計防火規范》、GBJ16一87 《建筑設計防火規范》和GB50045一2005《高層民用建筑設計防火規范》的劃定。耐火墊塊可采用硅酸鈣基或硅酸鋁基的不燃材料,安裝在防火玻璃的底邊鋼框架內,起到隔開玻璃和鋼構件、支撐玻璃的作用,并防止鋼構件導熱快、使玻璃邊部局部過熱而炸裂的情況泛起。防火膨脹密封條一般是基于可膨脹石墨的膨脹機理, 著火時約200℃左右可迅速進行三維膨脹,形成不亂的隔熱阻火層,起到防火防煙的作用;防火密封膠一般為單組分中性硅酮膠,主要用于接縫密封,并美化外觀。在尺度耐火試驗中,假如背火面防火膠著火,會直接導致測試失敗。安裝方面,防火玻璃與框架不得直接接觸,玻璃周圍與框架凹槽底部應保持一定的曠地空閑,每塊玻璃下部應至少放置兩塊彈性定位耐火墊塊,墊塊應能承受該分格玻璃的自重荷載。
2. 2.1防火玻璃幕墻及隔墻
玻璃幕墻的通透性增加了火災蔓延的途徑,火災時火和煙會沿著幕墻外壁及內側向臨近的樓層蔓延,具有火勢蔓延快、煙氣活動迅速、疏散撲救難題等特點。防火玻璃幕墻的設計及耐火要求,應遵循GB12513一2006《鑲玻璃構件耐火試驗方法》、GB15763.1一2009《建筑用安全玻璃第I 部門:防火玻璃》、GA97一1995 《防火玻璃非承重隔墻通用技術前提》等有關劃定, 幕墻結構必需與防火玻璃具有同樣的耐火機能,同時具有良好的防煙密封機能。防火玻璃幕墻結構上應采用明框形式,不應采用全隱框形式。其防火設計應在不影響其通透性及觀賞性的基礎長進行,盡量采用防火玻璃及耐火鋼框(或鋼鋁組合框架) 。高精度鋼型材有高質量外觀及質感, 可獨立構成防火玻璃幕墻;鋼鋁組合防火玻璃幕墻則由防火玻璃(幕墻面板) 、冷彎鍍鋅鋼型材(抗火骨架) 、鋁合金型材(裝飾面材)及配件組成 , 兼有鋁合金玻璃幕墻安裝簡捷與鋼材的耐高溫機能、高強度長處,是防火幕墻最優組合。
 
防火玻璃隔墻與防火玻璃幕墻的結構類似,但無豎框防火玻璃隔墻的防火玻璃之間應采用金屬點構件,縫隙須采用耐火材料或防火膠等進行處理并知足相應的耐火機能要求。
 
鋼鋁組合防火玻璃幕墻及隔墻具有優良的建筑效果及較高的經濟性。鋁合金(6063-T5)強度設計值85.5MPa,彈性模量E=0.7×10的五次方MPa ,鋼材(Q235B )強度設計值215MPa ,是鋁合金的2.5倍;彈性模量E =2.l×10的五次方M Pa,是鋁合金的3.0倍,而有表面防腐處理的鋼材價格不到鋁合金的1/3。因此,較小截面尺寸的鋼材可以形成較大的幕墻分格,增加了玻璃幕墻的通透性;鋼型材加鋁合金裝飾蓋,在外觀上與鋁合金型材一樣美觀大方,具有較好的建筑效果;施工上可以沿用鋁合
金玻璃幕墻的施工方法, 避免了鋼型材施工需要現場電焊、噴漆的麻煩;產品系列化、系統化;此外,多種明框蓋板型材、多種五金及密封配件可通用互換,安裝簡便。
2.2.2鋼質防火門窗
近年來央視大樓、沈陽皇朝萬鑫等高層建筑火災帶給人們的反思,除了建筑物外圍護結構所選定的保溫材料必需具有可靠的防火機能外,莫過于火災向高空迅速蔓延時, 消防救援設備受高度所限導致的無法救援, 這就需要在倡導建筑節能減排的同時, 強化建筑物的自救措施。這里的自救措檀越要有兩種:主動自救措施和被動自救措施。主動性措施指直接限制火災發生和發展的技術, 如火災探測報警技術、噴水滅火等;被動性措施指進步或增強建筑構件或材料承受火災破壞能力的技術,如進步建筑構件耐火機能的技術等。這些完善的自救措施,比消防隊員更能應付突發火災。門窗作為建筑物外圍護的啟齒部位,是建筑消防舉措措施必不可少的一環,其防火機能已成為防止高層建筑火焰層間蔓延的樞紐因素,防火門窗質量的好壞直接影響建筑物抗御火災的能力。鋼質防火門窗是一種薄壁、截面面積大、外形復雜的空腹結構, 這種鋼結構特別適合采用連續冷彎出產。海內傳統的鋼質防火門窗因為受技術和設備的限制,一般均采用多個部件分別進行冷軋后再焊接而成,這種出產方式的鋼框架一個顯著的弊端是框架的出產需要經由多個人工步驟,產品因為焊接熱變形后精度不高,并且難以加工出產復雜斷面的門窗型材。鋼質防火門窗型材冷彎成型技術是一種節省材料、節約能源、高效率的金屬成型工藝,它是采用優質的熱軋或冷軋鋼材作為原材料,常溫下經拉拔、沖壓、折彎或輥式彎曲成型機組加工而成。其成品出產工藝包括:冷彎材料預備、開卷工藝、矯平工藝、成型工藝、焊接工藝、堵截收集工藝等。基于成熟的冷彎成型基礎理論支持,利用CAD/CAM對鋼質防火門窗進行產品工藝設計以及冷彎設備的輥型設計,出產出的鋼質防火型材具有產品外觀精度高、斷面尺寸精度高、機械機能良好、重量輕等特點。同時。通過其空腹結構設計,能降低門窗框架吸熱速度,進一步進步其防火時間,使得鋼質防火門窗防火機能與防火玻璃防火機能更加配套,充分施展防火門窗整體防火機能。傳統以為鋼門窗的結構截面小、強度低,實際上則恰恰相反,以門窗的主受力構件中立挺為例,在中立挺的抗風壓強度計算中,常常采用以下材料力學公式:
[σ] ≤M/W
[σ]—材料的許用應力;
M—作用于主受力構件上的彎矩;
W—材料截面的抵擋距。
W=I/Y
式中:I—型材截面的主慣性矩;
Y—型材截面型心距主慣性矩軸方向外輪廓面兩個間隔的最大值。
鋼材的許用應力是[σ] =210 MPa;鋁合金的許用應力是[σ] =70 MPa,正好是3倍之差。因為[σ]與I呈線性關系,當作用于主受力構件上的彎矩一定,使用鋼質型材時,截面的主慣性矩僅需鋁合金型材的1/3即可,而鋁型材的厚度需要達到鋼質型材的3倍才能承受相同的荷載。
目前,國家在大舉推行建筑外墻保溫的節能舉措,然而在當前大部門建筑保溫材料燃燒機能未達到A級的情況下,采用防火玻璃門窗與目前尚在大量使用的(例如B1、B2級)外墻保溫材料結合應用的方案,是阻止火災蔓延、減少火災破壞、為生命和財產提供保障的一個經濟、有效的解決方法。當高層建筑外墻發生火災時,防火玻璃門窗可以有效阻止火勢和煙霧向建筑內部蔓延及滲透滲出,避免了普通門窗玻璃受火破裂后成為燃燒通道,引發內部火災并演變成復合型火災,保障建筑內部的生命和財產安全。
前期央視熱播的《超級工程》,上海中央大廈給人留下了深刻的印象,該建筑的設計方案由美國Gensler建筑設計事務所完成,主體建筑結構高度為580 m,總高度632 m,總投入超過148億元,將于2015年全面建成并啟用,成為世界第一綠色摩天高樓。上海中央大廈內幕墻系統是目前在建高層建筑工程中最為復雜的建筑幕墻系統之一,首次使用了從未泛起在350 m以上超高層建筑中的雙層玻璃幕墻,幕墻類型主要為單元式、框架式防火玻璃幕墻系統,而內幕墻所碰到的防火技術挫折也是史無前例的,上海中央大廈的內幕墻工程是真正意義上的防火玻璃幕墻,該項目將使用近10萬m2的單片防火玻璃,并配以精密鋼鋁型材支架系統。
上海中央大廈的內外幕墻之間,形成超大空間的中庭結構(圖3),中庭自上至下分為7段,作為防火分隔舉措措施的防火幕墻位于內幕墻,其作用是通過防火幕墻這道防火分隔使不同的樓層形成獨立封鎖的防火分區,進而防止火焰的層間蔓延。內幕墻防火設計的依據是國家規范對中庭有相關劃定,即中庭與建筑內部的防火分隔舉措措施為幕墻體系時,作為防火分隔舉措措施建筑維護構件其耐火極限不應低于1.0 h并設置自動噴水滅火系統進行保護。
上海中央大廈庭體量大,最高達到61.9 m,在機能化評估階段,根據中庭大體量對煙氣的容納、緩沖作用,其在真實火災前提下的受火面積及影響與尺度試驗有一定區別(圖4):內幕墻溫度較高的區域(B8幕墻系統),火災時不僅受煙氣影響,而且直接暴露在火源輻射范圍內;其它區域(B1幕墻系統)鑒于離火源較遠,FDS模擬中顯示除頂部受到煙氣影響外,B1幕墻系統在8 MW火災荷載下溫度均在240 ℃以下,溫度較低。考慮到這些差異,在確定B1幕墻測試方案時,最初是考慮采用等效曝火時間或選取接近實際火災的前提進行實驗:
①采用尺度實驗爐進行測試。等效曝火時間為中10min(基于尺度實驗曲線函數及8 MW火災升溫函數,求積分計算得出),若等效曝火時間內構件能維持完整性,即以為在模擬的8 MW火災下,闊別火源的構件能保持完整性;
②模擬實際火場設置實驗參數。參考相關實驗數據,單位面積油盤火的火災規模達到1.37MW,本項目8MW火災可按6m油盤火考慮,構件離火源最近間隔按10 m設計,實驗時間為1 h,觀測構件能否在1 h內保持完整性。
設計團隊終極確定,B1幕墻系統采用尺度耐火試驗前提,升溫到240 ℃恒溫1 h;B8幕墻仍采用尺度耐火試驗,耐火時間1 h。
經充分論證及大量試驗驗證,對于1 h防火要求的上海中央內幕墻,B1幕墻系統終極采用鋁合金幕墻外加室內噴淋保護,玻璃采用夾層中空防火玻璃,即外片采用6 mm超白半鋼化玻璃+0.89 SGP夾膠層+6mm超白半鋼化玻璃(出于防玻璃自爆考慮),內片采用8 mm超白防火玻璃; B8幕墻系統終極采用精密鋼鋁型材結構(圖5、圖6),玻璃采用雙面中空防火玻璃,即中空玻璃的內外片均采用8mm超白防火玻璃,整個防火幕墻系統可以提供完整、對稱防火功能,不再設置噴淋保護系統。
 
3 結語
防火玻璃及系統技術是建筑防火的重要環節,而理想的框架設計是實現防火玻璃系統耐火機能的樞紐,以防火玻璃及鋼型材(或鋼鋁結合型材)為主體的防火玻璃系統可知足建筑門窗、幕墻和隔墻等的不同防火要求,跟著全社會對建筑防火題目的愈發正視,防火玻璃及框架系統已開始在上海中央大廈這一標志性建筑得到突破性應用,這也預兆著我國防火玻璃及系統技術的良好發展空間和遠景。

 

 
閱讀來源:防火玻璃公司 www.8fy0.com

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