超高层建筑层间消防隔断设计与研究

袁青 邬红茹 彭磊 刘娜 YUAN Qing，WU Hongru，PENG Lei，LIU Na

1 上海中森建筑与工程设计顾问有限公司

2 中国建筑设计研究院有限公司

3 应急管理部天津消防研究所

4 济南高新控股集团有限公司

1 建筑效果图

2 层间防火分隔形式

3 模拟烟气分布云图

1 研究背景

当前，超高层建筑发展迅猛，但随之而来的是消防安全问题。层间消防隔断设计是超高层建筑消防安全设计的重点，关系着建筑立面的视觉效果和建筑防火分区功能的实现，即在荷载满足参数要求的前提下有效阻止火焰及烟气沿建筑幕墙的外表面蔓延。

2 项目介绍

济南汉峪金谷A5-3项目（图1）位于山东省济南市高新区的汉峪金融服务区A地块，建筑高度339m，由一幢69层的超高层主楼和一幢4层的裙房组成。项目地上建筑面积183 148.25m2，地下建筑面积70 706.07m2，主要功能为办公及五星级酒店，属于超过250m的超高层建筑。建筑功能复杂，可燃物类型多。办公区的主要可燃物为办公家具及电脑、资料等办公用品，酒店客房内的室内设施和陈设家具等可燃物分布连续、数量大，多为可燃、易燃材料，一旦燃烧，火灾蔓延迅速，火灾荷载大。引燃源可能为电气故障或人为因素。

超高层建筑救援是一项国际难题，目前还没有专门针对超高层建筑提出的有效救援措施。设计安全可靠的层间防火分隔是阻止火焰及烟气沿建筑幕墙外表面蔓延的有效手段，也是幕墙设计的一个重点。

3 防火分隔的基础条件分析

根据建筑立面形式，设定了三种层间上下开口分隔方式。A方式在楼板楼面标高上部设置850mm高的A级不燃隔断，包含250mm的楼板厚度和100mm的地面装饰厚度；B方式在楼面标高上部设置150mm高度的防火隔断，楼板下部设置700mm隔断，包含250mm的楼板厚度和100mm的地面装饰厚度；C方式在楼板下部设置850mm的不燃隔断，包含250mm的楼板厚度和100mm的地面装饰厚度。这三种方式都满足现行建筑及幕墙规范要求的1 200mm高度。根据建筑效果及实际体验，A方式不满足项目追求的通透、宽敞的特点；B、C方式满足项目要求，最后选择B方式作为层间防火分隔形式（图2）。根据B方式的结构形式对项目进行火灾模拟，火灾按t2火发展计算，火灾增长系数α＝0.04689kW/s2，火灾最大热释放速率为9.0MW。

本项目幕墙玻璃采用中空夹胶玻璃（HS8+1.52PVB+HS8+12A+TP12），外侧为双层夹胶玻璃（均为8mm厚的半钢化玻璃），夹胶层为1.52mm厚PVB树脂，内侧采用单层12mm厚的钢化玻璃，夹胶玻璃与钢化玻璃之间的空气层厚度为12mm。中空夹胶玻璃可有效减小钢化玻璃自爆造成的影响，避免内侧钢化玻璃出现破碎，也可避免人员坠落和碎片坠落伤人的危险。

国外著名消防研究所Manzello测试了单层钢化玻璃在火灾环境下的性能，试验表明6mm厚的单层钢化玻璃在破裂时迎火面的烟气温度为400。C。中国科学技术大学对单层钢化玻璃在火灾中破裂情况进行了研究，单层6mm厚的钢化玻璃发生破裂时迎火面的环境温度在350。C，单层10mm厚钢化玻璃发生破裂时迎火面的环境温度在470。C以上。公安部天津消防研究所对双层钢化玻璃在火灾中破碎情况的试验表明，6mm厚的双层中空钢化玻璃破裂时迎火面的环境温度在600。C以上。

对于双层夹胶玻璃在火灾情况下破裂时的温度特性，国内外均缺乏试验研究，从现有文献中无法获得其破裂时迎火面的环境温度。根据既往试验结果，双层8mm厚半钢化夹胶玻璃完全破裂脱落时迎火面的环境温度最低为553。C，平均温度为582。C。综合考虑，本研究把双层夹胶玻璃破裂时迎火面的环境温度下限确定为500。C。

4 软件模拟分析

将上述初始环境条件输入到火灾模拟软件FDS中进行模拟，可得出计算结果切片和各测点的温度（图3～6）。结果表明，在火灾稳定燃烧阶段，着火层上层玻璃下沿外侧4-1测点的最高温度约为435。C，平均温度为418。C。

5 层间防火分隔材料及系统的分析对比

当楼板上部设置高度为250mm的不燃性墙体，下部设置高度为700mm，楼板及墙体的总高度为1 200mm时，着火房间上层玻璃下沿外侧测点的最高温度为358。C，低于可导致上层夹胶半钢化玻璃发生破裂的极限温度。结合上述分析，层间不燃墙体选择耐火1.5h的材料。选择混凝土空心墙板、1.5mm镀锌钢板包裹100mm厚防火棉、镁基防火墙板三种材料进行对比。

当选择混凝土板作为幕墙层间不燃墙体时，由于本项目采用250mm厚挑板作为楼板，若混凝土板采用实心板，将对结构产生较大的作用力，会改变原建筑的结构设计，影响比较大。选择空心混凝土板需要提高混凝土的标号才能保证强度要求，但在正面火烧的情况下，高标号的混凝土会产生将面板击穿、降低面板减缓火焰外溢功能、提前破坏上下开口面板的情况，有可能引起火势向上下层蔓延。

当选择1.5mm镀锌钢板包裹100mm厚防火岩棉作为幕墙层间不燃墙体时，需要将镀锌钢板与幕墙的立柱、横梁连接，幕墙选用铝合金龙骨，在660℃时会完全熔化，会提早产生变形，导致镀锌钢板与结构连接部位脱落。由于龙骨损坏，在重力和轰燃的作用下易导致不燃体脱落。楼板混凝土受热爆裂也会对连接部位产生推力，导致不燃体脱落，将火势和烟气向上下层蔓延，扩大火灾范围。

4 玻璃表面温度分布云图

5 模拟试验火源位置温度纵向分布云图

6 模拟着火层上层幕墙玻璃下沿附近的烟气温度

7 消防性能化试验实体模型

8 实体燃烧试验玻璃破裂后照片

9 实体燃烧试验玻璃破裂后照片

10 实体燃烧试验玻璃破裂后照片

11 模拟着火层上层幕墙玻璃下沿附近的烟气温度比较

通过以上分析，不燃体的选择需要满足以下条件：1）达到A1级防火要求；2）材料自重低；3）不燃体自身强度高、抗冲击能力强；4）构造连接必须与主体结构有可靠的连接，并且能拥有相应的防火等级；5）不燃体之间的连接需要满足防火、防烟要求，并具有抗位移等功能。

根据上述功能要求，对比多种材料，最终采用表面覆层纤维增强的氧化镁及硫酸镁的夹芯防火一体板。该板经过专业检测为A1级防火材料，配置为15mm面板+50mm防火岩棉（容重不低于120kg/m3）+15mm背板，一体浇注，采用空心构造，实心部位体积仅为相同截面混凝土的一半，实心部分密度为1.8t/m3，只有实心混凝土板重量的40%；一体成型后的防火板整体刚性强，具有优越的力学性能，单面板抗压强度＞50MPa，抗弯强度＞25MPa。把该墙体用Ø8mm的钢质螺栓固定在幕墙单元体的钢转接件上，形成整体单元，构造可靠稳定。连接幕墙单元体、不燃性墙体与楼板的钢转接件表面涂刷耐火极限不低于1.5h的防火涂料。楼板和幕墙单元体框架不燃性墙体之间的缝隙采用厚度不小于100mm、容重不低于100kg/m3的防火岩棉进行防火封堵，并在岩棉上部采用有机防火堵料进行密封。板块与单元体龙骨之间缝隙采用防火硅胶密封，板块之间也采用防火硅胶密封。

5 实体消防性能化试验过程记录及结果分析

该系统在国家消防检查中心建立了实体模型进行消防性能化火灾试验，燃烧室和模拟位置相同，实际试验台与模拟实验室规格相同（图7）。

试验过程中，观察者位于幕墙南侧，正对试验装置。试验现场环境温度为30℃，环境风速≦0.5m/s。点火后约15s，有烟气从燃烧室背后的开口向外溢出，在约5min时，有火焰从背后开口向外溢出。着火层室内充满黑烟，从外部难以观察内部的燃烧情况。在约7'30"～9'30"时，三层幕墙内层的三块钢化玻璃相继破裂并脱落；在约17'15"～18'20"时，三层幕墙夹胶玻璃外层相继破裂并脱落，大量烟气和火焰溢出。从着火层溢出的高温火焰和烟气对幕墙层间构造逐渐造成破坏，随着燃烧继续，木垛不断烧蚀（图8）。在39min时，1号木垛倒塌；在41min时，2号木垛倒塌。木垛倒塌时，幕墙层间夹胶玻璃的夹胶层持续燃烧（图9）。木垛倒塌后火势不断衰减，幕墙层间面板火苗也不断减弱，在45min时仅有微弱的火苗，未对上层玻璃造成严重影响；试验进行到60min时，明火熄灭，随即结束试验（图10）。

待试验装置冷却后，观察测试现场。从外观上看，三层的幕墙玻璃及铝合金龙骨几乎完全烧损，着火层以下的幕墙保持原状；四层幕墙玻璃整体较为完整；三层和四层之间楼板下部墙体在燃烧室内一侧的防火板出现脱落，墙体内部岩棉和框架保持完好；在四层未发现明显的过火及大量高温烟气窜入情况，铝合金龙骨保持原状，受外部高温火焰和烟气的作用，夹胶玻璃出现了裂缝，但玻璃未发生脱落。四层楼板与幕墙之间的防火封堵保持完好，未发生火焰或大量高温烟气穿透的状况。对比模拟试验及实体模型试验，发现两种着火层上口的幕墙曲线不尽相同（图6，11），主要有以下原因。

（1）FDS模拟中的燃烧模型为无限快反应模型，而实际燃烧过程中燃料与氧气混合并发生反应需要一定的空间和时间。由于试验中着火房间的空间较小，部分可燃气体来不及在室内与氧气混合发生反应，从幕墙上的开口溢出并在室外参与燃烧，造成试验中测得的着火房间上层幕墙玻璃下沿测点的温度高于模拟计算中得到的温度。

（2）试验过程中，幕墙层间夹胶玻璃的外层破裂，夹胶层被引燃，夹胶燃烧导致着火层上层幕墙玻璃外侧下沿热电偶的温度进一步上升，而模拟中未考虑层间玻璃夹胶层燃烧的情况。

对比火灾试验与计算机模拟的结果，火灾试验中的场景比计算机模拟分析中的设定火灾场景更为不利，更好地验证了层间防火设计方案防止火灾从着火层向上蔓延的有效性。通过严苛的模拟分析和实体模型火灾试验，以科学手段验证新型层间构造的设计合理性，满足消防要求，是有效阻隔超高层项目火焰及烟气沿建筑幕墙外表面蔓延的途径。

6 结语

该技术为国际首创，与幕墙结合的形式亦为创新，该技术基本突破了消防新规要求预留上坎墙的强制要求，解决了建筑室内景观、商业价值、消防设计之间的冲突。传统的技术需要用科学方法验证其可行性，本研究通过对传统设计手段及工艺进行提炼升华，运用各类专业手段组合，辅以科学试验，力求开发适合项目实际需求的优良产品。本试验及模拟遵照上述方式，圆满实现了建筑层间消防性能化试验的目的，其结果将指导幕墙行业的持续变革。