有效保护下采用钢化玻璃作为防火分隔的可行性探究

■ 王建军 上海市浦东新区消防救援支队

随着城市建设的发展和人民生活水平的提高，大型商业综合体、办公、酒店等大型公共建筑在全国各地不断涌现。在增加公共建筑体量的同时，开发商也越来越重视顾客的购物体验和品牌建设。其中，美观、舒适和新颖现代的建筑形式无疑是重要的一环。中庭等共享空间、大面积的玻璃隔断、开敞通透的环境是每个建筑师所追求的。但如何在保证公众消防安全的同时又不阻碍建筑技术的进步和发展，是消防部门的一大难题。我们欣喜地看到，消防规范在不断发展和完善中，鼓励采用先进、成熟的防火技术和措施，增加了建筑设计的可能性和消防设计的自由度。本文通过模拟分析探究钢化玻璃在喷头冷却保护的前提下作为防火分隔的有效性和安全性。

一、建筑的防火分隔形式

现实中主要采用防火墙（门窗）、卷帘等作为防火分隔。防火隔墙的优点是安全可靠，缺点也是显而易见的，通透性差。防火卷帘的优点是平时收起，对建筑效果影响小，缺点是在发生火灾时需通过报警系统指令才能动作。另外还需要在日常的检查测试中时刻保证其处于正常的运行状态，但在实际应用中经常出现无法降落、脱轨等故障。

随着玻璃生产工艺不断创新和技术日趋成熟，《建筑设计防火规范》（GB 50016-2014，2018 版）已明确在中庭和商业步行街等场所允许使用防火玻璃作为防火分隔措施[1]。然而，目前市场上生产A 类防火玻璃的厂商为数不多，且生产耐火等级与之相匹配的框架等辅助配件也非常昂贵；而C 类防火玻璃则由于产品尺寸大、耐候性好、能通过适当加工满足节能和美观上的要求、生产厂商多、价格相对亲民等优点，在实际项目中得到广泛应用。

此外，防火玻璃必须与具备相应耐火等级的框架结合使用才能达到一定的耐火时间，《建筑用安全玻璃》（GB15763.2-2005）明确了防火玻璃在实际使用过程中必须采用与之相匹配的框架及辅助配件。厚度为10mm 的单片防火玻璃达到1h 耐火极限在目前的技术条件下所能做到的框架尺寸最大约为3m×2m，对建筑通透性要求较高，需要连续设置大面积玻璃的场所，每块防火玻璃四周安装框架的视觉效果是很多客户所无法接受的。

设置防火分隔措施的初衷是能在耐火极限时间内阻止火势蔓延，因此，如果采取了一定措施后能使钢化玻璃达到与防火玻璃等同的耐火极限，那么这种措施值得进一步研究。

窗玻璃喷头是通过一种专门用于冷却保护玻璃或墙体等隔断，从而使其达到所需要的耐火极限的特殊喷头。这种喷头几乎将所有水量都均匀喷向整个玻璃表面（图1），能较均匀地对玻璃隔断进行冷却，防止玻璃因高温、受热不均爆裂或产生可见的损伤。

图1 窗喷冷却保护玻璃示意图（来自Tyco）

二、窗喷冷却保护的模拟研究

（一）钢化玻璃失效判定标准

通常我们认为钢化玻璃的耐热性能比一般玻璃更好。依据《建筑用安全玻璃》（GB15763.2-2005）相关条款，以实验的形式来判断钢化玻璃是否失效：在200℃±2℃的加热设备中放一块300mm×300mm 的钢化玻璃样品，4 小时以后取出，随即将其垂直放进0℃的冰水中，应确保样品三分之一以上的高度浸入水中，5 分钟后看玻璃是否完好[2]。

现实中，由于玻璃内部受热不均而产生热应力作用是产生破碎的主要原因。而在具体的火灾事故中，很难人为测算玻璃破碎的温度临界值，因为它与玻璃本身的大小、重量、厚薄、支撑框架以及火场情况等要素均有关联。在实验判定的基础上为阐述方便，我们把钢化玻璃破裂的临界温度设为200℃，即当钢化玻璃表面任意一处的受热超过200℃时，玻璃即失去完整性而破裂。

（二）窗玻璃喷头设计要求

以Tyco WS 型快速响应窗玻璃喷头为例，作用温度有68℃和93℃两个类型，可采用垂直安装或水平安装方式，喷头的设置间距宜为1.83m—2.44m，与玻璃隔墙的间距要不大于300mm，单只喷头的流量不应小于1.26L/s，保护高度不超过3.96m。在计算总用水量时，应单独考虑玻璃喷头冷却系统的用水量，且持续喷水时间不能小于所保护的玻璃隔墙所需要达到的耐火极限。

（三）FDS 模拟研究

以下将运用FDS 模拟计算玻璃表面的温升变化，探究窗喷冷却保护钢化玻璃的这种防火分隔方式的可行性。

1.FDS 模型输入参数

模拟某办公场所因喷淋失效而发生火灾，设定为6MW t2快速发展火，火源距离玻璃隔墙2m，窗喷设置在玻璃隔断的向火面。为了研究火源靠近玻璃隔墙的情况下的窗喷冷却效果，还研究了火源距离玻璃隔墙1m 的场景（场景A）。模型的外观如图2 所示，所涉数据列在表1 中。

图2 FDS 模型

表1 FDS 输入参数

火源单位面积热释放速率 550kW/m2着火房间尺寸16m×16m×3.2m发烟率 0.05计算域外温度40℃ 考虑夏季室外的情况计算域内温度24℃ 有空调场所火源网格尺寸 火源：0.1m×0.1m×0.1m 计算较精细窗玻璃喷头安装间距 2m火源边缘与玻璃幕墙距离场景A：1m场景B：2m玻璃受热主要由烟气传导和火焰辐射，其中火焰辐射影响较大，此参数影响辐射热

2.场景A 模拟结果

以下两组图片分别为场景A 靠近火源两侧对称的两组共6 个温度测点所记录的温度数据。从数据来看，在火焰外沿离玻璃表面1m 的情形下，采用玻璃喷头保护的玻璃表面测得最高温度为60℃—110℃，而无保护的玻璃表面温度则高达70℃—300℃。

图3 场景A 玻璃表面温升曲线

3.场景B 模拟结果

模拟场景B 在其他条件数据均不做变化的前提下，仅把火源外延和玻璃之间的距离调整为2m。该场景下模拟结果见图4。模拟结果表明，在采用喷头保护的玻璃表面测得的温度是50℃—100℃，而无保护的玻璃表面温度则高达60℃—240℃。

图4 场景B 玻璃表面温升曲线

4.模拟结果分析

喷头动作后，玻璃表面的温度先略为降低，随后继续缓慢上升，与无窗喷保护的情况相比，窗喷保护下玻璃表面温升减缓，这种趋势在场景A 中更明显。随着喷水冷却作用的持续，玻璃表面的温度在达到约110℃后开始降低，在模拟时间内一直保持下降趋势，表明喷头的水流持续起到了冷却作用，且在整个模拟过程中均未达到钢化玻璃的破碎温度，钢化玻璃的完整性得以保证；由于向火面的受热一般会高于背火面，因此保守估计背火面的最高温不会超过110℃。与此相比，无窗喷保护时，玻璃表面温度接近或超过了钢化玻璃的失效破碎温度，且当火源靠近玻璃时，玻璃更容易破碎。

对比场景A 和场景B 可以发现，即使火源位置较近，窗喷仍然能快速有效控制玻璃表面温度，使其不超过钢化玻璃的失效温度，这归功于窗喷的快速响应和均匀布水的特性。

三、结语

本文采用计算流体力学软件FDS 研究对比了两种火源距离下窗喷对钢化玻璃表面的冷却效果。模拟数据显示，在两种火源距离的情形下，窗喷均能有效均匀冷却玻璃隔墙，从而达到降低其表面温度的目的，避免玻璃在火灾中破裂失效，从而保证钢化玻璃的完整性和其作为防火分隔的有效性。