不同类型双层玻璃幕墙火灾烟气流动特性对比研究

●张志强

(西藏消防总队，西藏拉萨 850000)

0 引言

双层玻璃幕墙是指由内、外两层结构玻璃幕墙构成的，使内、外结构层之间的空气层产生空气流通的玻璃幕墙［1］。双层玻璃幕墙通过合理设计后能够实现节能、美观、隔音、利于采光等诸多优良效果，已经成为了大型或高层现代化建筑的外墙首选设计结构类型之一［2-3］。

然而在带来节能效益的同时，双层玻璃幕墙也为火灾烟气控制埋下了安全隐患。当内层玻璃幕墙与建筑构件间封堵不严或由于火势过大，内层玻璃幕墙受热发生破裂后，烟气会迅速通过内层玻璃幕墙的裂缝流入两层幕墙的夹层中，受烟囱效应作用，烟气会在极短的时间内蔓延到幕墙上层区域，若不采取及时有效的排烟措施，可能会导致火势迅速增大等严重后果。同时玻璃幕墙所造成的另一个消防问题是灭火救援工作的困难，现行规范［4］中仅规定“高层建筑的消防登高面侧外墙不宜设双层玻璃幕墙”，并非硬性规定，因此很多建筑为了美观需要还是会将玻璃幕墙设置在建筑的消防登高面一侧，一旦双层玻璃幕墙之间充满烟气后，救援力量很难从外部对建筑内部火势进行判断，从而阻碍灭火救援的开展［5］。

本文将采用大涡模拟方法，对不同种类双层玻璃幕墙的烟气流动过程进行对比分析，旨在深入认识各类双层玻璃幕墙的烟气危害性，并为其烟气控制提供参考。

1 数值模拟方法

1．1 数值方法与模拟软件

本文采用大涡模拟方法进行数值研究，求解包含5个基本方程:连续方程、动量守恒方程、能量守恒方程、状态方程和气体组分守恒方程［6］:

连续方程:

动量守恒方程:

能量守恒方程:

状态方程:

气体组分守恒方程:

以上5个基本方程具有非线性、耦合性、形式相同和封闭性的特征，适用于描述双层玻璃幕墙内的烟气流动过程。

本文所采用的模拟软件为美国国家标准技术局开发的火灾模拟软件FDS(Fire Dynamics Simulator)。FDS是用于模拟火灾发展过程的场模拟软件，采用数值方法求解受火灾浮力驱动的低马赫数流动的N-S方程。Ni等［7］已利用FDS进行了双层玻璃幕墙火灾特性的大涡模拟分析，结果表明FDS大涡模拟对于双层玻璃幕墙火灾过程具有较好的模拟效果。

1．2 物理模型

根据相关规范，双层玻璃幕墙分为整体式、走廊式、窗盒式和竖井式4种，由于本模拟中假设建筑设置双层玻璃幕墙一侧横向上仅有一个联通的房间，因此从烟气蔓延角度考虑，走廊式双层玻璃幕墙与窗盒式双层玻璃幕墙的效果一致，因此在模拟中仅考虑整体式、走廊式和竖井式双层玻璃幕墙。

计算模型结构如图1所示，其中主体建筑为边长为6 m正方形结构的宾馆类建筑，单层高度为2．5 m，模型中共8层，起火房间位于建筑的二层，房间性质为客房，并安装有自动喷水灭火系统。双层玻璃幕墙位于主体建筑单侧建筑外立面，根据现有研究和相关文献中设定的空腔宽度［8-9］，确定模拟中选择的双层玻璃幕墙空腔宽度为0．8 m、1．2 m和1．5 m。整体式双层玻璃幕墙的开口分别位于外侧幕墙的顶部和底部，开口宽度为6 m，高度为0．1 m;走廊式玻璃幕墙单层空腔的外侧玻璃幕墙的顶部和底部均各有一个开口，开口尺寸与整体式玻璃幕墙开口一致;竖井式玻璃幕墙在外侧幕墙没有设置开口，单层空腔通过尺寸为1．0 m×0．2 m的开口与竖井相连，竖井顶部与外界连通。

图1 模型结构示意图

根据《上海市工程建设规范——建筑防排烟技术规程》［10］中火灾模型的相关设定要求，对于有喷淋的客房，火灾热释放量设定为1．5 MW。

2 结果与分析

2．1 整体式玻璃幕墙结果与分析

模拟中假设发生火灾后着火楼层的内层玻璃幕墙完全破裂。火灾烟气直接流入内外层玻璃幕墙中间的空腔，由于整体式玻璃幕墙在水平和竖直方向上均没有分隔物，烟气在空腔内的竖直蔓延速度很快，在模拟的3种空腔宽度条件下(d=0．8 m、1．2 m、1．5 m)，烟气在起火后 5 s均蔓延至空腔内，起火后约20 s即可蔓延至高度为20 m的玻璃幕墙顶端。

不同空腔宽度条件下，空腔内温度分布曲线如图2所示。由图可以看出，在起火楼层及以上高度内，不同的空腔宽度条件下，靠近外层玻璃幕墙的热电偶树测得的最高温度较为接近，在着火楼层所在高度上，热电偶测得的最高温度为130～140℃。然而靠近内侧玻璃幕墙的热电偶树测得温度数据显示，空腔越宽，空腔内侧温度越低，当空腔宽度为0．8 m、1．2 m和1．5 m时，对应的内侧最高温度分别160℃、145℃和110℃，这一方面是由于空腔体积增大，更多的冷空气混合导致烟气温度降低，另一方面空腔宽度变化所引起的烟气流动模式的不同也可能会导致该高度范围内内侧温度随空腔宽度的增大而下降。在起火楼层以下高度，靠近内侧玻璃幕墙的热电偶树所测得的温度分布基本一致，而靠近外侧热电偶树所测得温度则随着空腔宽度的增大而增大，这是由于随着空腔体积的增大，由下部通风口进入的冷空气对于空腔下部的影响性减弱，同时下部烟气与更多的冷空气混合导致温度降低，因此在达到稳定阶段后，烟气会沿着玻璃幕墙外壁向着火房间下方流动。

图2 整体式双层玻璃幕墙空腔内温度分布

不同空腔宽度条件下空腔内烟气流动速度矢量及其局部特征见图3。由图可以看出，随着空腔宽度的增大，沿着火房间顶棚流入空腔的烟气具有贴近外侧玻璃幕墙的趋势，这也解释了内侧玻璃幕墙侧热电偶树测得的温度随空腔宽度的增大而降低这一现象。同时，随着空腔宽度的增加，着火房间下部的区域中出现了烟气沿外侧玻璃幕墙向下流动的现象，与温度分布的结论一致。

图3 整体式双层玻璃幕墙空腔内烟气流动速度矢量图

通过以上分析可以看出，对于结构较为简单的整体式双层玻璃幕墙，由于烟囱效应，烟气在双层幕墙所形成的空腔内蔓延很快，在模拟中，从烟气进入空腔至烟气蔓延至空腔顶部仅需15 s左右。因此应采取有效措施防止或减缓烟气在双层玻璃幕墙空腔内的蔓延。通过对比不同空腔宽度的温度和速度数据可以看出，空腔宽度越大，空腔内整体温度越低，同时温度具有贴近外侧玻璃幕墙向上蔓延的趋势，有利于保护着火楼层以上的建筑部分;然而，空腔宽度的增加也会减弱玻璃幕墙下部通风口进风气流对于烟气下沉的阻挡效果，在模拟的工况中，当空腔的宽度为1．2 m和1．5 m时，在达到稳定阶段后，部分烟气会沿着外侧玻璃幕墙下沉至着火房间下层的玻璃幕墙内，此时若下层的内侧玻璃幕墙有开启的情况或者由于意外而破裂，则烟气会通过玻璃幕墙进入着火房间下部区域。因此在设计整体式玻璃幕墙时，应充分考虑玻璃幕墙空腔宽度对火灾烟气流动的各类影响。

2．2 走廊式玻璃幕墙结果与分析

与整体式玻璃幕墙类似，在模拟中假设在发生火灾后，着火楼层的内层玻璃幕墙完全破裂，则火灾烟气会流入内外层玻璃幕墙形成的空腔，走廊式玻璃幕墙通过有效分隔构件在竖直方向上对双层玻璃幕墙进行了划分，可在一定时间内将火灾烟气控制在单层双层玻璃幕墙中。

由于单层玻璃幕墙高度仅为2．5 m，单层空腔体积较小，烟气会在极短的时间内充满该区域，因此不同的腔室宽度对于空腔内温度分布的影响不大，同时，内侧玻璃幕墙处温度与外侧玻璃幕墙处的温度也基本一致，如图4所示。由此可以看出，在所模拟的火灾条件下，玻璃幕墙的分隔构件可以有效将烟气限制在单层幕墙内，火灾对于着火房间上层和下层区域的环境基本没有影响。但是，着火房间所在楼层的双层玻璃幕墙空腔内最高温度可达到270℃，已经接近了玻璃的破坏温度［11］。外层玻璃一旦破裂，火灾烟气会直接沿建筑的外立面向上部区域蔓延，这会给消防人员的灭火救援带来极大影响。

图4 走廊式双层玻璃幕墙空腔内温度分布

不同空腔宽度条件下，走廊式玻璃幕墙内烟气流动速度矢量如图5所示。由此可以看出，由于单层玻璃幕墙高度仅为2．5 m，因此空腔宽度为0．8～1．5 m范围内，空腔体积均较小，因此宽度d的变化对于烟气流动速度也基本没有影响。在房间的上半部分，烟气沿顶棚流出室外进入玻璃幕墙内，在房间下半部分，燃烧卷吸了大量的空气，因此空气由玻璃幕墙的开口流入室内进行补充。

图5 走廊式双层玻璃幕墙空腔内烟气流动速度矢量图

通过以上分析可以看出，走廊式玻璃幕墙可以通过分隔挡板将烟气控制在单层玻璃幕墙的空腔内，防止其对其他楼层环境的影响，然而由于烟气被限制在了较小的空间内，烟气温度较高。模拟结果表明，在所选定的火灾场景中，单层玻璃幕墙空腔内的温度已经接近了玻璃的破坏温度。同时由于单层空腔的高度较低，因此空腔宽度对于走廊式玻璃幕墙内烟气流动的影响不大。

2．3 竖井式玻璃幕墙结果与分析

在竖井式玻璃幕墙工况中，同样假设在火灾发生后，着火楼层的内层玻璃幕墙完全破裂，火灾烟气会流入内外层玻璃幕墙形成的空腔内。竖井式玻璃幕墙与走廊式幕墙一样将每一层划分为一个防烟区域，但单层玻璃幕墙空腔内并没有直接通向室外的开口，而是通过一个侧面的开口与玻璃幕墙单侧的通风竖井相连，烟气会通过竖井集中排到室外区域，由于每层均设有与竖井相连的开口，当烟气不能及时通过竖井顶部开口排出时，可能会通过其他楼层玻璃幕墙空腔与竖井相连的开口流入空腔内，对其楼层的火灾安全造成威胁，同时还会影响外部消防人员对火势判断的准确性。

整体式双层玻璃幕墙与走廊式双层玻璃幕墙在整个模拟过程中，火源热释放速率一直为模型中设定值(1．5 MW)，然而在竖井式玻璃幕墙的火灾模拟过程中，由于火源附近没有直接与外界连通的开口，火源热释放速率由于房间内部氧气不足，在模拟开始后50 s左右即会出现强烈的振荡。

热释放速率的变化导致在竖井式双层玻璃幕墙火灾烟气不会出现稳定状态，所有物理量的变化均与时间相关，故在进行双层玻璃幕墙空腔内温度分析时，采用温度分布随时间的变化曲线，不同空腔宽度的竖井式玻璃幕墙温度随时间变化曲线如图6所示。由此可以看出，起火房间所在楼层对应的玻璃幕墙空腔内温度最高，在100 s左右达到了最大值240℃，但此后温度开始下降，这是由于热释放速率的不稳定造成的。除了起火房间所在楼层外，一层即起火房间的下层温度在一段时间后也会出现明显的温度增长过程，这是由于一层玻璃幕墙空腔与竖井相连的开口位置较高，因此未能通过竖井及时排出，而滞留的高温火灾烟气极易倒流入一楼玻璃幕墙空腔内。烟气流入一楼空腔的时间随空腔宽度的增大而增大，当空腔宽度为0．8 m、1．2 m和1．5 m时，烟气流入一楼的双层玻璃幕墙空腔的时间分别约为200 s、280 s和320 s。着火房间所在楼层以上各层(3～8层)的温度在模拟过程中均略有增高，这表明火灾烟气在不同时刻也通过各层开口流入了其他楼层。

图6 竖井式双层玻璃幕墙空腔和竖井内温度变化曲线

由于热释放速率出现振荡后，烟气速度变化很快，因此无法选择稳定时刻进行烟气流动速度分析，故采用整个模拟时间内(600 s)的速度平均值做出速度矢量图，见图7。由图可以看出，竖井内的火灾烟气会通过各层玻璃幕墙空腔通向竖井的开口流入各层空腔内。同时通过三种不同空腔宽度情况下速度矢量图的比较可以看出，空腔宽度的增大，即竖井截面积的增大有利于烟气通过竖井顶部开口的排出，从而减少烟气向其他各层幕墙空腔的蔓延。

图7 竖井式双层玻璃幕墙空腔和竖井内烟气流动速度矢量图

通过以上分析可以看出，竖井式双层玻璃幕墙不能将烟气有效控制在单层玻璃幕墙内，竖井内的烟气会由各层空腔与竖井相连的开口倒流入空腔内。着火房间所在楼层的玻璃幕墙空腔内的最高温度达到了240℃，低于走廊式玻璃幕墙内的温度最高值，但也具有较高的火灾危险性。

3 结论

火灾烟气蔓延模拟结果表明，整体式玻璃幕墙内烟气沿竖直方向流动速度很快，仅需要15 s左右火灾烟气即会由二楼的着火楼层蔓延至建筑顶部，双层玻璃幕墙空腔内的最高温度为180℃，空腔宽度对内部烟气温度和速度的分布有较大影响。走廊式玻璃幕墙可将火灾烟气完全限制在单层双层玻璃幕墙内，与整体式玻璃幕墙相比可大大减小火灾烟气影响区域，但空腔内的温度分布显示，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，同时已经接近玻璃破坏临界温度，因此在采用走廊式双层玻璃幕墙时，应采取有效措施防止高温烟气对玻璃幕墙造成危害。竖井式玻璃幕墙并不能完全阻止烟气向非着火楼层玻璃幕墙腔室的蔓延，但是通过温度数据可以看出，进入其他楼层玻璃幕墙空腔内的烟气量与整体式玻璃幕墙相比大大减少，其他楼层玻璃幕墙空腔内的温升较低。

通过整体式与走廊式玻璃幕墙模拟结果的对比可以看出，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，然而烟气分布区域的限制必然会使得烟气填充的空腔内形成高温，对幕墙的结构安全造成威胁。而采用竖井式玻璃幕墙，其烟气控制与温度控制效果均介于整体式玻璃幕墙与走廊式玻璃幕墙之间。在玻璃幕墙的实际应用中，应根据建筑结构特点，并综合考虑各类双层玻璃幕墙在消防安全方面的优缺点，选择双层玻璃幕墙的种类，同时还应根据所选择类型可能存在的消防安全隐患，有针对性的采取各类消防保护措施。

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