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推进高层建筑幕墙层间缝防火封堵新技术推广

更新时间:2021-01-12 10:01:36

(一)引言 
  全球范围内,对高层建筑火势蔓延的研究由来已久。在过往几十年里,对于如何控制火势的蔓延已经有很好的工程实践。众多国家和地区已经对幕墙层间缝的防火封堵工法采用了标准化试验。相关建筑及安全规范开始对带有幕墙的高层建筑作出规定,以确保生命和财产安全。
  为了更好地理解火势在带有玻璃幕墙的高层建筑中如何蔓延,我们需要想象这样-个场景:如果火灾发生在某个楼层,随着火势的蔓延,该楼层室内压力慢慢增大,幕墙中的玻璃在火焰的吞卷下破裂,从而使更多的氧气补充到室内,助长火势进一步增大,蔓延至上一楼层的板底和幕墙结构的内侧。而且,某束火苗可能从破碎的窗户窜出,开始侵袭上层幕墙结构的外侧。如果楼板和幕墙结构之间存在缝隙,火焰会迅速地从这个层间缝上窜到上一楼层(参见图1、对于这个挑战,需要合理地设计和安装一个层间缝防火系统,既可以在火灾全程保持稳定,又可以满足双面受火,避免火势竖向蔓延的要求。
  由于很多幕墙结构的建材并非耐火材料,所以进一步加剧了火灾在高层建筑中的蔓延。诸如玻璃或铝质型材通常会被整合到现代的幕墙结构中。通常情况下,这些材料会特意做得比较轻薄,从而削弱了他们的耐火性能。-般情况下,玻璃会在受火后5~15分钟发生破碎,铝质型材在达到660° C时就会融化。尽管有时采用了被认为耐火性能更好的材料,但是,这些材料在实际火灾中往往都出现失效的情况,例如,花岗岩大理石、石灰华或灰沙石等石质隔板或填充隔板本身是良好的耐火材料,不会燃烧。但是,在火灾中这些板材受热后会产生破裂,甚至由于在各个方向产生的不同程度的延伸,或者石材内含有一定的湿气,受热后发生爆炸。难道这就意味着这些材料不能采用?事实绝非如此。
  最可行的办法是通过采用带有高温绝缘材料的简单系统,提高这些构件的耐火性能,同时,正确安装防火封堵系统。本文就相关问题进行探讨,并将相关工程应用经验作为分享。

(二)层间缝防火封堵系统介绍 
  层间缝防火封堵系统,这一词迅速成为了防止高层建筑火势蔓延的同义词。层间缝防火封堵系统包栝耐火楼板组件、外墙组件和安装在外墙跟楼板间隙中的材料,这些材料避免了楼层与楼层间形成火势蔓延的通道。
  某些国家采用了一些试验标准来评估层间缝防火系统的相关性能。其中一个标准是美国的《层间缝耐火性能的测试标准(ISMA)》ASTM E2307-10,该标准采用一个两层的中等比例结构模型来评估用于高层建筑的层间缝防火封堵系统的耐火时效(参见图2及图3、该模型的前面是一个玻璃幕墙结构;上层是观察室,下层是实验室(火炉),上、下层间是钢筋混凝土楼板。层间缝防火系统安装在楼板与幕墙的分隔带之间的水平缝隙中(参见图4)

  试验结构安装完毕后,点燃实验室中的火炉(参见图5)。5分钟后,玻璃幕墙外用于模拟窗户破碎后火焰上窜的另一个火源被点燃(参见图6)。也就是说,幕墙结构外部构件直接受火的同时,内部的火源已经袭击到幕墙结构的内部构件、楼板的底部和层间缝防火封堵系统的相关材料。试验终止是按试验失效现象出现或达到预期的耐火时效后终止。试验失效,是指在观察室出现火焰穿过了防火封堵系统的现象。另外,如果出现任何热点,也视为试验失效。通过在观察室的层间缝防火系统上覆盖一张棉褥,并保持30秒来观察防火封堵系统是否存在裂缝或孔洞。如果棉褥产生燃烧,防火封堵系统也被认为是失效的。如果封堵系统不能有效减少过热的玻璃传来的热量,棉褥会过早燃烧(参见图7及8)。
  在试验过程中,通过监测背火面的温度来分析热量的扩散情况。检验出来的耐火时效和耐热时效是根据ASTM E2307-10的相关步骤得出的。耐火时效,是防火封堵系统阻碍火焰通过的时间;耐热时效,是测量系统中热量传递的效果。大部分幕墙防火封堵系统由于采用了导热性能良好的铝质型材或锚固件,其耐热时效不超过15到30分钟,耐火时效通常可达2小时或以上。
(三)层间缝防火封堵系统的构造 
  2,1矿棉隔板的安装
  最常见的带传统(难燃材料,如玻璃、铝材或石材)分隔带的铝质框架幕墙结构采用耐高温的矿棉隔板。矿棉隔板采用矿渣棉或岩棉做成,能够抵受高达100度的高温。通常用矿棉隔板(通常密度为96~128kg/m3)包裹分隔带周围幕墙框架的竖向和水平构件。(参见图9)有各种不同的方法来安装矿棉板。有时采用钢板,但是,通常情况下钢板的作用只是美化分隔带的造型;有时通过在竖向构件之间的分隔带上会安装一系列水平的钢构件;或者通过一些钢夹具和钢钉来安装固定矿棉板。除了用钢锚钉和保护罩固定矿棉板外,通常还可以在搭接处用带大号钢垫圈的钢螺栓或杯形焊钉把矿棉板固定在角钢、钢板或槽钢上。这个幕墙的矿棉隔板是-个至关重要的构件。在幕墙外部的保温层掉落后,尽管周围的铝质型材和隔板随之受热融化掉落,但矿棉隔板仍可在防火封堵系统受火的整个过程中保持完整性。

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  另一个必须安装的构件是水平紧箍槽。将其置于竖向框架之间,固定于围边角钢、竖向框架或采用点焊或缝焊于钢背板上。紧箍槽的位置直接与将要安装防火封堵系统的位置共线,所以应将其安装在楼板的一半厚度处。紧箍槽可以用槽钢、钢立筋或两个拼成'T' 的角钢构造。紧箍槽是在安装其他的矿棉支撑槽(角钢或背衬板)时-起安装,并安装在幕墙的保温层后面。其主要作用是保证防火封堵系统(中的矿棉)受火时处于压紧状态。

  2,2水平缝的防火封堵
  介绍完幕墙结构矿棉隔板和相关支承系统的安装后,必须介绍如何封堵水平的层间缝。(参见图9)正确封堵该水平缝的方法是在缝隙中塞入轻质(通常密度为64kg/m3)矿棉条。把矿棉板切成一定的宽度的矿棉条,若干条矿棉条拼在一起,大概比层间缝宽25%~33%,这样可获得20%~25%的压缩率。安装的时候,矿棉条要保持平整,通常矿棉表面与楼板持平。一般情况下,矿棉只需要挤压紧密,不需要额外的支承构件。安装完矿棉后,在矿棉表面做一层防火封堵层或打上防火封堵胶。这些产品通常是乳胶基材,大部分可以涂刷或采用喷机喷涂。这一层防火封堵层至关重要,一方面,可以把之前的各种构件(若干条矿棉条、幕墙的框架和楼板边缘)粘合在一起,形成一个系统;另一方面,这是一层既能保证矿棉的整体性,又能隔绝高温烟气的密封层;有些时候,硅胶基材同样可以用来做防水。
  对于某些设计而言,层间缝防火封堵系统中最后一步需要做的是幕墙竖框的保护或包裹。对于采用同样的矿棉做成的幕墙的保温层来说这是很少的一部分。通过用矿棉板包裹楼板上下的竖框,既可以提高保温性能,又可以把幕墙的保温层连接起来,形成一个连续的防火分隔带。
(四)防止烟气的扩散 
  火灾现场,烟气是一个致命的因素。正确的层间缝防火封堵系统能够有助于减少烟气的传播。通常,幕墙结构的保温层在分隔带处是带有铝箔的。另外,防火封堵层或防火封堵胶是作为一个连续的构件用来封堵烟气在空隙中的传播。许多相关的实验室设有专门检测防火封堵层或防火封堵胶的气密性实验室。最好的防火封堵系统能够达到单位长度上每秒的释放量小于1升。
  发生火灾时,起火区域的压力慢慢增加,比空气要轻的烟雾和燃烧的副产物开始在天花板处积聚。如果压力继续增加,哪些烟雾和燃烧的副产物会被挤压到一些没有封堵的孔洞那里。另外,高层建筑中,由于室内外温差引起的压力差异,造成气流运动形成烟囱效应。烟囱效应被认为是烟气竖向运动的主要原因,建筑的高度越高,烟囱效应越明显。采用一些气密性较好的产品有助于应对烟气的竖向传播。
(五)工程案例 
  2009年2月9日位于美国麦迪逊大街510号的商住楼在改建施工过程中发生火灾(参见图1Ol,火势被有效控制在起火楼层(2楼X参见图11),该大楼采用了美国ST丨特种技术有限公司提供的防火封堵系统。而值得思考的是在同一天中国刚落成的央视大楼北配电楼也发生火灾,但火势蔓延面积厉害,几乎整座大楼过火。

(六)结论 
  本文介绍的防火方案主要是为了限制火势、烟雾和燃烧的副产物在层间缝中的传播。由于幕墙结构本身的竖向构造方式,一条相当大的幕墙结构的相关链接件与楼板之间的缝隙很自然地存在,有时可能是为了水管的安装或独立隔墙的平整。楼板通过层间缝防火封堵系统有效保证防火分区的作用可以延伸至建筑的外墙。现代的防火封堵系统旨在设计一种既安全又简单的层间缝防火系统,同时可以满足其他需要。当然有些地区,例如中国,并没有建立一套完整的层间缝封堵系统的检测方案,但是,可以通过有资质的工程人员提供的相关工程指引,来让该地区的民众能够采用更合适的层间缝防火封堵系统,建造更安全的用于生产生活的建筑。典型的防火封堵产品通常(在其发售前)需要根据相关规定在不同工况下进行几千上万次试验,并且有相关性能的试验报告证实其可用于各种具体的情况。使用这些产品,在施工成本不增加的情况下,除了可以起到防火阻燃的作用外,还可以达到保温、节能、防潮、防雾和隔音的效果。

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