不同類型雙層玻璃幕墻火災煙氣流動特性對比研究

●張志強

(西藏消防總隊，西藏拉薩 850000)

0 引言

雙層玻璃幕墻是指由內、外兩層結構玻璃幕墻構成的，使內、外結構層之間的空氣層產生空氣流通的玻璃幕墻［1］。雙層玻璃幕墻通過合理設計后能夠實現節能、美觀、隔音、利于采光等諸多優良效果，已經成為了大型或高層現代化建筑的外墻首選設計結構類型之一［2-3］。

然而在帶來節能效益的同時，雙層玻璃幕墻也為火災煙氣控制埋下了安全隱患。當內層玻璃幕墻與建筑構件間封堵不嚴或由于火勢過大，內層玻璃幕墻受熱發生破裂后，煙氣會迅速通過內層玻璃幕墻的裂縫流入兩層幕墻的夾層中，受煙囪效應作用，煙氣會在極短的時間內蔓延到幕墻上層區域，若不采取及時有效的排煙措施，可能會導致火勢迅速增大等嚴重后果。同時玻璃幕墻所造成的另一個消防問題是滅火救援工作的困難，現行規范［4］中僅規定“高層建筑的消防登高面側外墻不宜設雙層玻璃幕墻”，并非硬性規定，因此很多建筑為了美觀需要還是會將玻璃幕墻設置在建筑的消防登高面一側，一旦雙層玻璃幕墻之間充滿煙氣后，救援力量很難從外部對建筑內部火勢進行判斷，從而阻礙滅火救援的開展［5］。

本文將采用大渦模擬方法，對不同種類雙層玻璃幕墻的煙氣流動過程進行對比分析，旨在深入認識各類雙層玻璃幕墻的煙氣危害性，并為其煙氣控制提供參考。

1 數值模擬方法

1．1 數值方法與模擬軟件

本文采用大渦模擬方法進行數值研究，求解包含5個基本方程:連續方程、動量守恒方程、能量守恒方程、狀態方程和氣體組分守恒方程［6］:

連續方程:

動量守恒方程:

能量守恒方程:

狀態方程:

氣體組分守恒方程:

以上5個基本方程具有非線性、耦合性、形式相同和封閉性的特征，適用于描述雙層玻璃幕墻內的煙氣流動過程。

本文所采用的模擬軟件為美國國家標準技術局開發的火災模擬軟件FDS(Fire Dynamics Simulator)。FDS是用于模擬火災發展過程的場模擬軟件，采用數值方法求解受火災浮力驅動的低馬赫數流動的N-S方程。Ni等［7］已利用FDS進行了雙層玻璃幕墻火災特性的大渦模擬分析，結果表明FDS大渦模擬對于雙層玻璃幕墻火災過程具有較好的模擬效果。

1．2 物理模型

根據相關規范，雙層玻璃幕墻分為整體式、走廊式、窗盒式和豎井式4種，由于本模擬中假設建筑設置雙層玻璃幕墻一側橫向上僅有一個聯通的房間，因此從煙氣蔓延角度考慮，走廊式雙層玻璃幕墻與窗盒式雙層玻璃幕墻的效果一致，因此在模擬中僅考慮整體式、走廊式和豎井式雙層玻璃幕墻。

計算模型結構如圖1所示，其中主體建筑為邊長為6 m正方形結構的賓館類建筑，單層高度為2．5 m，模型中共8層，起火房間位于建筑的二層，房間性質為客房，并安裝有自動噴水滅火系統。雙層玻璃幕墻位于主體建筑單側建筑外立面，根據現有研究和相關文獻中設定的空腔寬度［8-9］，確定模擬中選擇的雙層玻璃幕墻空腔寬度為0．8 m、1．2 m和1．5 m。整體式雙層玻璃幕墻的開口分別位于外側幕墻的頂部和底部，開口寬度為6 m，高度為0．1 m;走廊式玻璃幕墻單層空腔的外側玻璃幕墻的頂部和底部均各有一個開口，開口尺寸與整體式玻璃幕墻開口一致;豎井式玻璃幕墻在外側幕墻沒有設置開口，單層空腔通過尺寸為1．0 m×0．2 m的開口與豎井相連，豎井頂部與外界連通。

圖1 模型結構示意圖

根據《上海市工程建設規范——建筑防排煙技術規程》［10］中火災模型的相關設定要求，對于有噴淋的客房，火災熱釋放量設定為1．5 MW。

2 結果與分析

2．1 整體式玻璃幕墻結果與分析

模擬中假設發生火災后著火樓層的內層玻璃幕墻完全破裂。火災煙氣直接流入內外層玻璃幕墻中間的空腔，由于整體式玻璃幕墻在水平和豎直方向上均沒有分隔物，煙氣在空腔內的豎直蔓延速度很快，在模擬的3種空腔寬度條件下(d=0．8 m、1．2 m、1．5 m)，煙氣在起火后 5 s均蔓延至空腔內，起火后約20 s即可蔓延至高度為20 m的玻璃幕墻頂端。

不同空腔寬度條件下，空腔內溫度分布曲線如圖2所示。由圖可以看出，在起火樓層及以上高度內，不同的空腔寬度條件下，靠近外層玻璃幕墻的熱電偶樹測得的最高溫度較為接近，在著火樓層所在高度上，熱電偶測得的最高溫度為130～140℃。然而靠近內側玻璃幕墻的熱電偶樹測得溫度數據顯示，空腔越寬，空腔內側溫度越低，當空腔寬度為0．8 m、1．2 m和1．5 m時，對應的內側最高溫度分別160℃、145℃和110℃，這一方面是由于空腔體積增大，更多的冷空氣混合導致煙氣溫度降低，另一方面空腔寬度變化所引起的煙氣流動模式的不同也可能會導致該高度范圍內內側溫度隨空腔寬度的增大而下降。在起火樓層以下高度，靠近內側玻璃幕墻的熱電偶樹所測得的溫度分布基本一致，而靠近外側熱電偶樹所測得溫度則隨著空腔寬度的增大而增大，這是由于隨著空腔體積的增大，由下部通風口進入的冷空氣對于空腔下部的影響性減弱，同時下部煙氣與更多的冷空氣混合導致溫度降低，因此在達到穩定階段后，煙氣會沿著玻璃幕墻外壁向著火房間下方流動。

圖2 整體式雙層玻璃幕墻空腔內溫度分布

不同空腔寬度條件下空腔內煙氣流動速度矢量及其局部特征見圖3。由圖可以看出，隨著空腔寬度的增大，沿著火房間頂棚流入空腔的煙氣具有貼近外側玻璃幕墻的趨勢，這也解釋了內側玻璃幕墻側熱電偶樹測得的溫度隨空腔寬度的增大而降低這一現象。同時，隨著空腔寬度的增加，著火房間下部的區域中出現了煙氣沿外側玻璃幕墻向下流動的現象，與溫度分布的結論一致。

圖3 整體式雙層玻璃幕墻空腔內煙氣流動速度矢量圖

通過以上分析可以看出，對于結構較為簡單的整體式雙層玻璃幕墻，由于煙囪效應，煙氣在雙層幕墻所形成的空腔內蔓延很快，在模擬中，從煙氣進入空腔至煙氣蔓延至空腔頂部僅需15 s左右。因此應采取有效措施防止或減緩煙氣在雙層玻璃幕墻空腔內的蔓延。通過對比不同空腔寬度的溫度和速度數據可以看出，空腔寬度越大，空腔內整體溫度越低，同時溫度具有貼近外側玻璃幕墻向上蔓延的趨勢，有利于保護著火樓層以上的建筑部分;然而，空腔寬度的增加也會減弱玻璃幕墻下部通風口進風氣流對于煙氣下沉的阻擋效果，在模擬的工況中，當空腔的寬度為1．2 m和1．5 m時，在達到穩定階段后，部分煙氣會沿著外側玻璃幕墻下沉至著火房間下層的玻璃幕墻內，此時若下層的內側玻璃幕墻有開啟的情況或者由于意外而破裂，則煙氣會通過玻璃幕墻進入著火房間下部區域。因此在設計整體式玻璃幕墻時，應充分考慮玻璃幕墻空腔寬度對火災煙氣流動的各類影響。

2．2 走廊式玻璃幕墻結果與分析

與整體式玻璃幕墻類似，在模擬中假設在發生火災后，著火樓層的內層玻璃幕墻完全破裂，則火災煙氣會流入內外層玻璃幕墻形成的空腔，走廊式玻璃幕墻通過有效分隔構件在豎直方向上對雙層玻璃幕墻進行了劃分，可在一定時間內將火災煙氣控制在單層雙層玻璃幕墻中。

由于單層玻璃幕墻高度僅為2．5 m，單層空腔體積較小，煙氣會在極短的時間內充滿該區域，因此不同的腔室寬度對于空腔內溫度分布的影響不大，同時，內側玻璃幕墻處溫度與外側玻璃幕墻處的溫度也基本一致，如圖4所示。由此可以看出，在所模擬的火災條件下，玻璃幕墻的分隔構件可以有效將煙氣限制在單層幕墻內，火災對于著火房間上層和下層區域的環境基本沒有影響。但是，著火房間所在樓層的雙層玻璃幕墻空腔內最高溫度可達到270℃，已經接近了玻璃的破壞溫度［11］。外層玻璃一旦破裂，火災煙氣會直接沿建筑的外立面向上部區域蔓延，這會給消防人員的滅火救援帶來極大影響。

圖4 走廊式雙層玻璃幕墻空腔內溫度分布

不同空腔寬度條件下，走廊式玻璃幕墻內煙氣流動速度矢量如圖5所示。由此可以看出，由于單層玻璃幕墻高度僅為2．5 m，因此空腔寬度為0．8～1．5 m范圍內，空腔體積均較小，因此寬度d的變化對于煙氣流動速度也基本沒有影響。在房間的上半部分，煙氣沿頂棚流出室外進入玻璃幕墻內，在房間下半部分，燃燒卷吸了大量的空氣，因此空氣由玻璃幕墻的開口流入室內進行補充。

圖5 走廊式雙層玻璃幕墻空腔內煙氣流動速度矢量圖

通過以上分析可以看出，走廊式玻璃幕墻可以通過分隔擋板將煙氣控制在單層玻璃幕墻的空腔內，防止其對其他樓層環境的影響，然而由于煙氣被限制在了較小的空間內，煙氣溫度較高。模擬結果表明，在所選定的火災場景中，單層玻璃幕墻空腔內的溫度已經接近了玻璃的破壞溫度。同時由于單層空腔的高度較低，因此空腔寬度對于走廊式玻璃幕墻內煙氣流動的影響不大。

2．3 豎井式玻璃幕墻結果與分析

在豎井式玻璃幕墻工況中，同樣假設在火災發生后，著火樓層的內層玻璃幕墻完全破裂，火災煙氣會流入內外層玻璃幕墻形成的空腔內。豎井式玻璃幕墻與走廊式幕墻一樣將每一層劃分為一個防煙區域，但單層玻璃幕墻空腔內并沒有直接通向室外的開口，而是通過一個側面的開口與玻璃幕墻單側的通風豎井相連，煙氣會通過豎井集中排到室外區域，由于每層均設有與豎井相連的開口，當煙氣不能及時通過豎井頂部開口排出時，可能會通過其他樓層玻璃幕墻空腔與豎井相連的開口流入空腔內，對其樓層的火災安全造成威脅，同時還會影響外部消防人員對火勢判斷的準確性。

整體式雙層玻璃幕墻與走廊式雙層玻璃幕墻在整個模擬過程中，火源熱釋放速率一直為模型中設定值(1．5 MW)，然而在豎井式玻璃幕墻的火災模擬過程中，由于火源附近沒有直接與外界連通的開口，火源熱釋放速率由于房間內部氧氣不足，在模擬開始后50 s左右即會出現強烈的振蕩。

熱釋放速率的變化導致在豎井式雙層玻璃幕墻火災煙氣不會出現穩定狀態，所有物理量的變化均與時間相關，故在進行雙層玻璃幕墻空腔內溫度分析時，采用溫度分布隨時間的變化曲線，不同空腔寬度的豎井式玻璃幕墻溫度隨時間變化曲線如圖6所示。由此可以看出，起火房間所在樓層對應的玻璃幕墻空腔內溫度最高，在100 s左右達到了最大值240℃，但此后溫度開始下降，這是由于熱釋放速率的不穩定造成的。除了起火房間所在樓層外，一層即起火房間的下層溫度在一段時間后也會出現明顯的溫度增長過程，這是由于一層玻璃幕墻空腔與豎井相連的開口位置較高，因此未能通過豎井及時排出，而滯留的高溫火災煙氣極易倒流入一樓玻璃幕墻空腔內。煙氣流入一樓空腔的時間隨空腔寬度的增大而增大，當空腔寬度為0．8 m、1．2 m和1．5 m時，煙氣流入一樓的雙層玻璃幕墻空腔的時間分別約為200 s、280 s和320 s。著火房間所在樓層以上各層(3～8層)的溫度在模擬過程中均略有增高，這表明火災煙氣在不同時刻也通過各層開口流入了其他樓層。

圖6 豎井式雙層玻璃幕墻空腔和豎井內溫度變化曲線

由于熱釋放速率出現振蕩后，煙氣速度變化很快，因此無法選擇穩定時刻進行煙氣流動速度分析，故采用整個模擬時間內(600 s)的速度平均值做出速度矢量圖，見圖7。由圖可以看出，豎井內的火災煙氣會通過各層玻璃幕墻空腔通向豎井的開口流入各層空腔內。同時通過三種不同空腔寬度情況下速度矢量圖的比較可以看出，空腔寬度的增大，即豎井截面積的增大有利于煙氣通過豎井頂部開口的排出，從而減少煙氣向其他各層幕墻空腔的蔓延。

圖7 豎井式雙層玻璃幕墻空腔和豎井內煙氣流動速度矢量圖

通過以上分析可以看出，豎井式雙層玻璃幕墻不能將煙氣有效控制在單層玻璃幕墻內，豎井內的煙氣會由各層空腔與豎井相連的開口倒流入空腔內。著火房間所在樓層的玻璃幕墻空腔內的最高溫度達到了240℃，低于走廊式玻璃幕墻內的溫度最高值，但也具有較高的火災危險性。

3 結論

火災煙氣蔓延模擬結果表明，整體式玻璃幕墻內煙氣沿豎直方向流動速度很快，僅需要15 s左右火災煙氣即會由二樓的著火樓層蔓延至建筑頂部，雙層玻璃幕墻空腔內的最高溫度為180℃，空腔寬度對內部煙氣溫度和速度的分布有較大影響。走廊式玻璃幕墻可將火災煙氣完全限制在單層雙層玻璃幕墻內，與整體式玻璃幕墻相比可大大減小火災煙氣影響區域，但空腔內的溫度分布顯示，著火房間所在樓層的玻璃幕墻空腔內最高溫度達到了270℃，大大高于整體式玻璃幕墻空腔內的最高溫度，同時已經接近玻璃破壞臨界溫度，因此在采用走廊式雙層玻璃幕墻時，應采取有效措施防止高溫煙氣對玻璃幕墻造成危害。豎井式玻璃幕墻并不能完全阻止煙氣向非著火樓層玻璃幕墻腔室的蔓延，但是通過溫度數據可以看出，進入其他樓層玻璃幕墻空腔內的煙氣量與整體式玻璃幕墻相比大大減少，其他樓層玻璃幕墻空腔內的溫升較低。

通過整體式與走廊式玻璃幕墻模擬結果的對比可以看出，利用防火分隔擋板將雙層玻璃幕墻的空腔進行劃分，可以在火災發生時將煙氣有效限制在起火樓層對應的空腔內，然而煙氣分布區域的限制必然會使得煙氣填充的空腔內形成高溫，對幕墻的結構安全造成威脅。而采用豎井式玻璃幕墻，其煙氣控制與溫度控制效果均介于整體式玻璃幕墻與走廊式玻璃幕墻之間。在玻璃幕墻的實際應用中，應根據建筑結構特點，并綜合考慮各類雙層玻璃幕墻在消防安全方面的優缺點，選擇雙層玻璃幕墻的種類，同時還應根據所選擇類型可能存在的消防安全隱患，有針對性的采取各類消防保護措施。

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