嘉玛大清真寺项目幕墙层间防火设计与计算应用研究

闫小平

中建深圳装饰有限公司 广东 深圳 518023

作为现代建筑，尤其是现代高层建筑的外衣，幕墙越来越受到建筑师的青睐，我国建筑幕墙从20世纪70年代末起步，现今已成为世界上最大的幕墙产品生产国亦是最大的消费国，而高层建筑的防火问题无疑会成为其安全问题的核心。

建筑幕墙因其不可替代的外墙装饰效果，给城市带来了整洁美丽的同时，也留下了火灾的隐患，这些隐患主要体现在以下2个方面：

1）一般建筑幕墙的主要组成材料为玻璃、面材、复合铝板、钢材等，这些材料均不耐火，而且抗火性差，尤其是玻璃，当温度达到250 ℃时便会炸裂，这时不仅会导致火灾的进一步蔓延，而且可能会伤及旁人甚至消防员。

2）因为幕墙本身结构的特殊性，在垂直幕墙与水平楼板之间往往存在缝隙，如果未经处理或者处理不合理，在发生火灾时很有可能成为引火通道，也可能通过烟囱效应酿成更大的火灾[1-8]。

因此，幕墙层间防火设计和计算在整个幕墙的设计中是至关重要的一部分。作为建筑的外围护结构，幕墙是构成建筑整体的一部分，在一些重要的部位，幕墙必须具有一定的防火性，如幕墙与周边防火分隔构件的间隙，与楼板和隔墙外延之间的缝隙等，均应进行防火封堵设计。

1 工程概况

嘉玛大清真寺项目（Djamaâ El Djazaïr）位于阿尔及利亚首都阿尔及尔，为阿尔及利亚科学、文化系列项目中的一个。该项目由祈祷厅、宣礼塔和文化中心等12幢建筑组成，是一个群体建筑项目（图1）。该项目属于阿尔及尔海港新规划项目，在首都改造中是战略性的一部分，因为其不仅要形成一个协调的公共设施群，同时也需是一个饱含丰富历史文化的纪念性建筑。

图1 阿尔及利亚嘉玛大清真寺项目效果图

本项目建筑面积为40万 m2，设计单位为德国公司KSPKUK，设计和建造均采用欧洲标准。其中B楼宣礼塔高265 m，采用框架核心筒结构，外立面为玻璃幕墙、石材幕墙及BFUHP幕墙结合的形式。

2 工程重难点

1）工程体量大，工期紧。该项目玻璃幕墙面积约80 000 m2，主要分布在6个单体中，大部分材料为第三国采购，幕墙部分施工工期约11个月，且对后续室内装饰及机电作业施工有较大影响。整体施工压力巨大。

2）材料标准严，批复难。该项目设计和建造全部采用欧洲标准，由于总承包单位为中国企业，对欧洲规范不熟悉以及对欧洲材料、分包市场的不熟悉，对于欧洲建筑师及监理单位的工作流程和习惯不适应，前期设计和采购环节花费了近3年的时间，报审批复困难较大。

3）人员来源广，管理难。该项目业主单位为阿尔及利亚住建部，监理单位为德国Ksp-Kuk公司，总承包单位为中国建筑阿尔及利亚公司，分包单位涉及五大洲，最高峰时项目共有管理人员约500人，工人近1万人，国外分包单位300多家。这无疑对项目管理团队的管理能力提出了较高要求。

3 研究的过程

3.1 建筑幕墙层间火灾蔓延方式

对高层建筑，当室内起火时，层间位置的火势蔓延情况共分窜烟、窜火和卷火等3种（图2），主要发生原理如下所述。

图2 建筑层间火灾蔓延方式

3.1.1 窜烟

当建筑物室内起火，物品燃烧会产生火焰、热气和烟雾。火灾初起时，室内热气流上升在室内形成温差和压差，使得周围空气源源不断地补充进来，燃烧温度不断提高，进而引燃附近的可燃性物质使火势不断扩大。普通玻璃在火焰的不断冲击之下往往会在15 min内破碎，这时大量的热量和烟雾会瞬间冲向室外，导致火势向上蔓延，形成烟卷效应。

3.1.2 窜火

幕墙设计时在混凝土楼板外侧与幕墙内侧之间往往存在一个缝隙，缝隙的大小与建筑设计和幕墙铝合金系统的尺寸有关，也与混凝土结构尺寸误差、幕墙构造及制作安装误差有关。在实际失火情况下，由于幕墙的铝合金构件和钢转接件的变形，五金及连接件的松动，这个缝隙可能会进一步加大。如果防火岩棉、防烟层等无法有效地对这个缝隙变化进行补偿，火焰和高温气流就会通过这些间隙直接进入上层楼面。

3.1.3 卷火

幕墙系统的铝合金立柱是很好的热传导体，而且立柱常常跨越2个不同的防火分区，这使得火源层的热量能通过立柱向上层传递。在火源层，当温度升高到了某个临界点，短时间内火势会由局部扩散到整个空间，从而产生轰燃现象。火源层的热量通过楼板、金属幕墙及周边水平防火带向上传递。如果上一层楼面的温度升高达到了某个临界点，也可能会产生轰燃现象，火势就这样向上发展。

3.2 国内幕墙层间防火设计及做法对比

国内主要的几个标准中，对于幕墙层间防火的设计要求对比如表1所示。

表1 中国国家标准中对于幕墙层间防火的设计要求对比

实际上，国内大部分已建成采用幕墙的建筑并未设置高80 cm防火裙墙，这是因为建筑师（业主）认为防火裙墙影响幕墙艺术效果，于是有人根据卷火直径约为1.2 m的原理，提出在楼层上设30 cm高的踏脚线，在圈梁底向下设高约500 mm的碱性挡火板，这样加上圈梁（约400 mm）高度，则总高度约为120 cm，在踏脚线顶部和挡火板底部各用厚40 mm硅酸铝（钙）板（耐火极限＞1 h）封闭，在板与幕墙杆件（玻璃）间用防火密封胶密封，达到防止浓烟上窜的效果，高120 cm的实体碱性板可防止卷火，即使卷火使120 cm范围内玻璃开裂，再次进入幕墙与碱性墙板之间，也被踏脚线顶部防火层挡住，不能窜入上一层房间。

在阿尔及利亚嘉玛大清真寺项目的玻璃幕墙设计方案中，最初并未考虑在层间部分沿用国内标准《玻璃幕墙工程技术规范》，经过多次与德国建筑师的沟通仍然无法获得图纸批复，其要求承包商对所有幕墙的层间防火部位进行计算，并依据计算结果选用符合欧洲规范的材料。而中国设计师对于层间防火部位的设计从未有过相关计算经验，最终不得不聘请欧洲幕墙顾问来协助完成相关位置的设计和计算。

3.3 欧洲建筑物分类及应用规则（以法国规范算法为例）

欧洲将建筑物按照使用功能分成以下几种类型：

1）家居建筑物（住宅等）。

2）工业建筑（厂房等）。

3）公共建筑（体育场、歌剧院等），也称为“ERP”建筑。

4）超高层建筑，也称为“IGH”建筑。

不同类型的建筑在进行层间防火设计计算时，要求不尽相同。最主要的规范为在法令“24 mai 201”之下的规则“INSTRUCTION TECHNIQUE 249”（以下简称为“IT249”），其中对于不同类型建筑幕墙层间防火规则“C＋D规则”及其使用情况进行了详细的描述。

3.4 C＋D规则

3.4.1 层间防火封堵C与D的定义

如图3所示，根据IT249的定义，对于建筑物的层间位置，一般情况下，C指的是竖直方向上的下层房间结构顶部到上层房间结构底部之间的距离。D指的是水平方向上的幕墙玻璃外表面至所有层间水平防火填充物最内边缘的距离，只有在D≥0.15 m时才做考虑，当D＜0.15 m时，认为D＝0。

图3 C＋D取值示例

3.4.2 层间防火封堵C与D的计算

根据IT249，应对幕墙层间位置所有可燃烧材料进行大面积可燃物热量总和计算（Le calcul des masse combustible mobilisable，MCM，物理量定义为mcm），将计算结果与根据试验及经验得出的限值进行比较，从而得出不同情况下幕墙层间部位C＋D应该满足的最小尺寸。MCM的计算公式如下：

其中，幕墙层间位置各类型可燃物的可燃物等级要求，在规范“Nor: IOCE1117012A version consolidée au 26 novembre 2016”的Article GH13中已有如下定义：

1）一般在考虑所有相关材料的情况下，幕墙的大面积可燃物热能总和MCM小于130 MJ/m2。

2）如果幕墙的大面积可燃物热能总和MCM大于130 MJ/m2，需在满足住房与建筑规范条款R.122-11-6的前提下，由相应安全委员会给出相关意见。

3）幕墙采用重要的新科技的情况下，也需提供相应安全委员会的意见。

一般来讲，幕墙成分的防火等级为M0或者A2-s3, d0，除非以下情况：

① 门窗为木框。

② 门窗框的防火等级为M2或者C-s3, d0。

③ 门窗框及玻璃（包括其填充物）防火等级为C-s3, d0。

④ 幕墙玻璃及相关填充物的防火等级为C-s3, d0。

⑤ 幕墙系统喷涂及防水材料的防火等级为M1或B-s3, d0。

⑥ 幕墙外露或者内嵌窗帘的防火等级为M1或B-s3, d0。

其中“M0”等为美标的材料防火等级，“A2-s3, d0”等为欧标的材料防火等级，其对应关系如表2所示。

表2 国标与欧标、美标材料防火等级对比

s为材料的产烟附加等级，d为材料的燃烧滴落物/微粒的附加等级。

依据项目监理的要求，玻璃幕墙应当符合以下2个规则之一：

1）根据IT249的规定，遵守C＋D规则前提下，满足：

①M≤80 MJ/m2时，C＋D≥1.2 m。

② 80 MJ/m2

2）根据传热软件计算，证实从室外到室内幕墙的防火等级为1 h。

3.5 单元幕墙层间防火封堵C与D计算实例

嘉玛大清真寺项目宣礼塔单元幕墙的每个立面单元尺寸如图4所示。

图4 嘉玛大清真寺项目宣礼塔幕墙立面单元尺寸

因此，每个单元总面积为：S＝H×W＝5.85×11.34＝66.339 m2。

查技术卡片，可得主要材料类型及参数如表3所示。

表3 嘉玛大清真寺项目宣礼塔幕墙主要材料性能

各个材料的体积通过CAD测量可得出，相关截面如图5所示。因此，可根据以下公式算出每种材料的大面积可燃物热能总和：mcm,材料＝n×ρ材料×V材料×Epc,材料（n为相同材料的数量）。再将各材料的大面积可燃物热能总和相加，得出单元幕墙的大面积可燃物热能总和∑mcm,材料。

图5 嘉玛大清真寺项目宣礼塔幕墙C＋D类型

因此，每平方米之内单元幕墙的大面积可燃物热能总和为：∑mcm,材料/S=79.87 MJ/m2。

根据规范IT249，C＋D≥1.2 m，类型为：D＝0.22 m＞0.15 m。因此，C≥1.2－0.22＝0.98 m。这样的结果恰好与国内97SJ103《铝合金玻璃幕墙》图集的做法基本吻合。

4 结语

由以上中国规范与欧洲规范针对幕墙层间防火设计与计算的不同规定和做法可知，相较于国内根据图集中不同类型的标准构造节点作为依据来设计和计算，欧洲规范对于幕墙层间防火的设计及计算更加严谨和准确，对于国内幕墙层间防火设计的启发主要有以下几个方面：

1）填补我国幕墙层间防火设计计算方面的空白，提升建筑幕墙防火性能。

2）将高层建筑层间封堵位置的材料选择以及耐火构造当作一个系统来进行综合设计，既能确保层间位置防火构造的可靠性，又能确保层间位置材料性能满足要求。

3）前置设计工作，依据计算结果决定层间防火的尺寸，在建筑美观性等方面可以有较大促进作用。

4）填充我国幕墙层间防火设计计算方面的空白，减少建筑室内火灾危害。

可见，欧洲标准中对于层间防火方面的设计和计算规则，可以填补国内高层建筑层间防火设计和计算方面的缺陷，具有较大的推广意义。