高层建筑外墙消防水幕应用对外保温墙面 燃烧蔓延抑制研究

李洋

摘要：随着我国绿色发展体系的构筑，建筑节能成为节能减排中重要的一环，而使用外墙有机保温材料可有效实现建筑节能。然而高层建筑外保温墙体有机保温材料很容易引燃并使火势蔓延，造成极大的建筑火灾隐患。高层建筑消防水幕的应用是抑制和熄灭建筑保温材料火灾最有效的技术手段之一，探索高层建筑消防水幕系统对竖直外壁面典型保温材料火灾抑制机理对设计、建立、优化高效的外保温墙体水幕灭火系统具有重要意义。

关键词：高层建筑；外保温墙体火灾；消防水幕应用

中图分类号：TU976.5      文献标识码：A       文章编号：2096-1227（2024）02-0106-03

以上海为例，高层建筑历史已过百年，是中国最早出现高层建筑的城市，也已成为世界上高层建筑最多的城市之一。高层建筑火灾一旦导致外保温墙体蔓延燃烧火灾，现有的火灾扑救技战术很难做到有效地抑制和熄灭火情。目前，大多数建筑为了得到很好的保温效果，在建筑外墙上使用容易起火的保温材質，如果发生火情，通过在建筑外保温墙体上设置竖向或者横向的水幕，就可以大大减轻火势蔓延，这是一种符合时代的要求的方式，能够实现对火灾的快速控制。

1 外保温材料墙体系统结构特性及其危险性分析

有机外保温材料是一类在建筑领域用于隔热和保温的材料，通常具有较低的导热系数，在火灾事故发生过程中能够有效地减缓热量的传递。目前，我国常用的有机外保温材料主要包括模塑聚苯板、挤塑聚苯板、酚醛树脂板以及聚氨酯板等几种类型，在选择有机外保温材料时，需要考虑其保温性能、防火等级、耐久性、环境影响以及成本效益等因素。由于有机保温材料可能存在燃烧隐患，通常会加入阻燃剂以提高其安全性。此外，根据建筑的具体需求和预算，可以选择不同类型和规格的保温材料，以达到最佳的保温效果和经济效益。典型有机保温材料性能参数见表1[1-4]。

2 消防水幕对外保温墙体火灾抑制作用理论研究

针对高层建筑外保温墙体燃烧速度快、控制难度大的特点，本章节重点讨论消防水幕对外保温墙体火灾抑制作用可行性的理论研究。

2.1  消防水幕压力及水柱物理特性

消防水幕的压力要求根据其作用和部位而变化，并且消防水柱的物理特性包括密度、容重、状态变化以及充实水柱长度等。关于消防水幕的压力要求，它主要取决于设计的目的和场所的具体条件。例如，防火分隔水幕的作用是阻断烟和火的蔓延，其喷头布置应保证水幕宽度不小于6m，并采用多排布置喷头以形成具有一定厚度的水墙或多层水帘。此外，不同等级的剧场、会堂等场所对水幕系统的要求也有所不同。一般情况下，室内消火栓的压力是不会大于0.50MPa的，如果室内的消防栓压力值超过了0.70MPa，必须有相应的减压设备进行减压。按照高层建筑室内消火栓压力情况，本次实验测试0.30MPa、0.60MPa、0.90MPa三种水幕压力及其水柱物理特性。由测试结果可得：在模拟高层建筑室内消火栓压力测试水幕有效覆盖高度最大为7.3m，考虑其他干扰因素及水幕射水口倾斜角度（拟定45°），取最大覆盖高度为3.5m。不考虑水柱下落覆盖区域，发现覆盖区域在底部至中段覆盖率较低，中段至顶端覆盖率较高。结合场地及实验条件，本次测试虽然是水幕水带向上喷射液滴，考虑实际情况，水幕在外保温墙体外表面设置距离墙体一般为15～40cm，重力影响的误差较小可以不用考虑，所以本次测试的结果可以为水幕水平或斜向下45°喷射液滴物理特性做参考[5-6] 。水幕水带的水柱物理特性见图1。

2.2  喷淋液滴与壁面撞击过程及扑灭机理

对于外保温材料墙体竖直壁面上的火蔓延，由于火焰向上传播，在浮力羽流和卷吸气流的驱动作用下，火焰往往会出现贴壁效应，导致火焰面较薄，进而导致喷淋液滴直接穿透火焰面到达燃烧表面的概率大大增加[7]。

如图2所示，水幕对外保温墙体火灾扑灭大体分为三个阶段：第一阶段，水幕与墙体碰撞，液滴撞击到壁面上可能存在四种状态：黏附、反弹、延展以及飞溅。最终的形态取决于水幕压力、喷射角度、外保温墙体饰面层物理性质及水幕喷头的构建有关。第二阶段，水幕与火焰面接触，一部分液滴蒸发形成气浪对上部分水幕延展有一定阻碍作用，其余液滴与火焰面对流换热，吸热降温，阻止火焰面进一步发展。第三阶段，水幕面与火焰面形成剪切面，该面为外保温墙体火焰蔓延临界点，当水幕供水量大于火焰蒸发液滴量时，水幕具有扑灭火灾的能力。

3 外保温墙体火灾消防水幕设置思路

外保温墙体火灾具有燃烧速度快、控制难度大的特点，所以应该在消防固定设施的方面进行研究。本文讨论预设消防水幕线路系统的设想，分为高层建筑屋顶水幕系统和高层建筑中间层水幕系统的设置。

3.1  高层建筑屋顶外墙水幕的设置

高层建筑屋顶外墙的水幕系统设计要考虑到多个因素，包括水幕的用途、构造、供水系统和控制策略等。如果水幕用于防火分隔，其设计应确保能够阻挡火势蔓延，为人员疏散争取时间。此外，消防水幕在火灾事故发生过程中还可以用于保护建筑结构或设备免受高温的影响。在实际设置过程中，应当选择合适的喷头类型（如雾化喷头或洒水喷头），以产生细小均匀的水珠，形成有效的水幕。此外，应当根据所需的水幕宽度和密度进行布置，通常要求有一定的重叠度，以确保连续无间隙的水幕，并合理布局供水管道，确保喷头得到充足的水源供应。当建筑内部发生火灾事故时，需要维持恒定的水压，保证水幕的形成和稳定性，此时，水幕液滴在壁面由重力作用自上而下，达到对墙体冷却降温和阻止火势蔓延的作用。通常情况下，楼顶通常有储水罐、加压泵等固定消防设施，将储水罐的水通过加压泵连接到外墙，每隔5～8m设置一个消防管道支架，防止消防管道充水后重量变大与外墙连接失效。在楼顶外墙距离墙体15～40cm预设DN65高强度耐腐蚀消防管道，置放在承重支架上并做好固定措施，管道上每隔2～3m配置一个25L/s的水幕喷淋，水平对准墙体，并在转角处设置阀门，为后期区域水幕灭火做好条件。

3.2  高层建筑中间楼层外墙水幕的设置

高层建筑低楼层外保温墙体燃烧后，楼顶外墙水幕系统由于距离太远，受风力影响灭火效能不佳。本文结合高层建筑室内固定消防设施设想在高层建筑中间楼层外墙设置水幕喷淋系统，距离着火区域更近，灭火效能更高。同时还具有隔断火势蔓延的作用，使火势无法蔓延至水幕喷淋系统设置楼层以上区域楼层，有效保护上部分区域人员生命财产安全，具有重要意义。如图3所示，采用中间楼层一段区域的外墙水幕设置剖面图。由中央消控室控制，DN40消防管道设置在楼层天花板或预埋在楼层间，管道连接室内消火栓和墙外水幕喷淋组，水幕喷头压力25L/s，角度为45°，经上文讨论灭火效果与水平一致，直接作用于外保温墙体饰面层。

综上，基本阐明了高层建筑外保温材料墙体消防设施给水设计。理论联系实际是做事的基本方针，在外墙消防水幕喷淋设计中，应该注意消防给水方案的比较和选择，满足需求的前提下，应该选择的设计方案简单，节省投资，安全可靠，易于操作和管理。

4 结束语

固定消防设施的创新建设作为一线消防救援队伍实战处置过程中的辅助力量与硬件保障，直接关系着一起高层建筑火灾处置的成功与否，通过研讨的外墙水幕喷淋系统对高层外保温材料墙体建筑火灾火势抑制具有重要意义，可为后续消防力量的到场处置打下坚实基础。

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