高层建筑外围护防火设计与钢质窗应用

主旨发言人简介张明罡高级工程师，是广东省多功能建筑玻璃及工程技术研发中心研究员，从事防火玻璃结构研究11年，参与编制了：JGJ《玻璃幕墙工程技术规范》GB《防火窗》GB《防火门》GB《镶玻璃构件耐火试验方法》GA《防爆炸复合玻璃》CECS《点支式玻璃幕墙工程技术规范》高层建筑外围护防火设计

与钢质防火窗、钢铝防火幕墙的应用

广东省多功能建筑玻璃及工程技术研发中心广东金刚玻璃科技股份有限公司上海金刚玻璃防火科技有限公司

主讲人：张明罡典型建筑外围护体系火灾案例北京央视TVCC北配楼火灾上海胶州路“11、15”民用高层建筑火灾2.3沈阳皇朝万鑫国际大厦TVCC北配楼火灾现场火灾事故原因分析火灾特点：

属

外围护表皮过火，面积巨大

火灾蔓延迅速

火灾是由上之下蔓延

火灾由表及里蔓延

火灾事故分析

燃烧必须同时具备可燃物、助燃物和火源三个条件火源构成：

农历正月十五燃放的A类礼炮（黑火药、金属镁纷、硝酸钾、钡、氯酸钾等）可燃物分析：低熔点的钛锌金属板（根据欧洲标准EN988，成份为99.995%纯锌以及少量的铜（0.08%）钛（0.06%）其溶点为419.4℃，空气及氧气中不易燃烧（锌粉除外）由于钛锌板的低溶点特点，容易遇到高温的礼炮（资料显示：礼炮发射通过燃烧产生光和热，瞬间产生1800℃的高温），加上冲击速度、及高温度、致使钛锌板被击穿

火灾事故分析可燃物－墙体保温材料：挤塑聚苯乙烯泡沫塑料（XPS）、模塑聚苯乙烯泡沫塑料（EPS），统称：聚苯板保温材料聚苯板：不耐温（最高使用温度74℃），易燃烧（闪点360℃、自燃点495℃），燃烧时产生大量烟气和有毒气体，燃烧值高，火焰温度高达2210℃（是木材的2-3倍），燃烧猛烈、速度快。助燃物

氧气、钛锌板可燃物

聚苯板、内部装饰材料等火灾事故分析火灾的各个阶段及特征火灾初起阶段

（礼炮击穿钛锌板，引燃聚苯板）

火灾成长阶段（燃烧的聚苯板，融化钛锌板，钛锌板熔化坠落，形成多个着火点）火灾猛烈阶段。（大厦内部引燃，且通过中庭产生烟囱的拔火效应，内部火灾蔓延）火灾衰退阶段。猛烈燃烧过后，可燃物燃烧殆尽，火势衰退，室内温度下降，烟雾消散，火灾渐渐平息。上海胶州路民用高层火灾消防云梯车对超过100米以上的高度无计可施上海胶州路火灾的发展过程外部火灾大面积蔓延（保温材料＋防护网）建筑外窗没有相应的防火能力破坏窗形成引火通道引燃室内部的可燃物内部充分的火灾荷载形成层间火灾蔓延高层火灾凸显的问题高层民用建筑的防火特有的难题建筑外围护防火规范的缺失传统幕墙门窗行业对外墙的防火问题缺乏重视致力于幕墙防火研究的机构、人员极度缺乏对各种新型建筑材料各项性能的认知度（尤其是耐火性能）施工阶段的消防及其控制系统不能正常启用各种建筑材料防火性能化测试的监管难题火灾的启示施工阶段的是火灾易发、多发时期，最不利是各项主动、被动防火措施尚不能正常启用，增加灭火难度，因此，幕墙界应积极联系国家相关消防研究部门制定这一特定时期的具有针对性的防火规范，采取有效措施控制可燃物的当量，规范保管、控制火源。对新型幕墙材料，进行耐火性能测试，并给予有效评估，并联合相关职能部门制定合理的市场准入制度。事故应举一反三，分析潜在的危险源施工过程中焊渣及飞溅金属－火源根据《机械设计手册》第一篇第四章对焊接原理的阐述“以涂料焊条与工件为电极，利用电弧放电产生的高热（6000～7000℃）熔化焊条和焊件，用手工操纵焊条进行焊接”。根据《金属学》中的铁碳合金状态图所提示，低碳钢在液态状态下的温度条件至少为1400℃，同样《机械设计手册》第一篇表1-1-13描述碳素钢的熔点为1400～1500℃根据焊渣坠地飞溅现象，分析，此时部分飞溅金属尚为液态。结论：焊渣能够引燃多种建筑材料，首选最危险的火源针对幕墙的防火规范此处不赘述简单提及：1、幕墙与楼板间缝隙封堵2、800mm高的窗槛墙3、防火墙两侧的玻璃幕墙4、两栋距不能满足防火规范的一侧玻璃幕墙或门窗上述这些部位均需要防火处理需要考虑的其他问题超过100m以上的，目前消防云梯车无法达到的建筑部位，应考虑使用防火门窗、幕墙。防火门窗、幕墙的构成－轻质空心钢制型材、单片防火玻璃及幕墙耐火密封材料。中庭部位，往往跨越水平防火分区，与各楼层的防火隔断应予以加强（尤其是主动消防措施未启用时，被动的防火措施应考虑在幕墙施工前完成）。在高层建筑中外围护系统的防火问题三种不同构造的外围护

当火灾发生时的情形：

图6-1门窗、幕墙未设裙墙

图6-2采用防火玻璃裙墙图6-3全部采用防火玻璃的门窗、幕墙

在高层建筑中，层与层之间一般都分属不同的防火分区，必须作防火设施，若玻璃幕墙的防火设计不当，很容易形成“引火风道”，火灾将在各楼层迅速蔓延。所以，《玻璃幕墙工程技术规范》第4.4.10条中规定：“无窗间墙和窗槛墙的玻璃幕墙，应在每层楼板外沿设置耐火极限不低于1.0h，高度不低于0.8m的不燃烧实体裙墙或防火玻璃裙墙。”

第4.4.11条中规定：“玻璃幕墙与各层楼板、隔墙外沿间的缝隙，应采用不燃烧材料填充密实。填充物厚度不应小于50mm。楼板间水平防烟带的不燃烧材料宜采用厚度不小于1.5mm的镀锌钢板承托。承托板与主体结构、幕墙结构之间的缝隙宜灌注防火密封胶。当建筑要求防火分区间设置通透隔断时，可选用防火玻璃，其耐火极限根据建筑要求确定。”

当幕墙为普通玻璃幕墙时，按照普通玻璃幕墙的作法，如下图7所示：图7

这样的构造虽然满足了以上防火规范的条文，但其负面影响是高度达到800mm的裙墙和防火岩棉等组成的层间隔断严重影响了玻璃幕墙的视觉效果。如果使用防火玻璃幕墙，应在每层楼板外沿部分设置耐火完整性为Ⅰ、Ⅱ级的单片防火玻璃及其支承结构组成的裙墙，其高度不低于1m。玻璃幕墙与每层楼板、隔墙处的缝隙，应采用单片防火玻璃组成的夹层玻璃隔断，如下图8、9所示。图8

具有特殊意义的重要建筑物的玻璃幕墙，要求整个幕墙均具备防火性能时，应全部采用单片防火玻璃及其支承结构组成的防火玻璃幕墙。

防火玻璃门窗、幕墙的支承系统

在防火玻璃系统中，主要的支承结构必须用钢型材做成，钢型材在受火时，一般温度到达500℃后强度会折减，温度到达1400℃时，钢材就会开始软化；一般火灾背景温度与时间的关系约为：

T=345lg(8t+1)+Tot:火灾持续时间(min)T：火灾背景温度（℃）

To:火灾前室内温度(℃)当火灾持续时间为60min，则

T=345lg(8×60+1)+20=945.3℃适宜的防火玻璃支承结构－钢制型材

经过大量的测试表明：全封闭钢制框架轻质型材是最为适宜的防火玻璃的支承系统的材料。其特点是：钢的传热系数K值是铝合金的1/3～1/4；钢的线膨胀系数同玻璃最为接近；钢的材料力学性能远优于铝合金的材料；钢的熔点为1400℃左右，远高于铝合金

防火玻璃与支承结构的节点处理

节点的处理上有以下几个要点：填缝材料不能含有易燃物，普通的密封胶、结构胶、泡沫棒、胶垫都不能采用，以保证背面不出现明火。防火玻璃不能与硬性材料直接接触，同时要留有足够的空间以保证受热能自由膨胀。防火玻璃在开始受火15分钟时，热膨胀量比较大，同时此刻玻璃还是热脆性，虽然其强度很高，但是玻璃膨胀受到约束或膨胀后与支承结构产生硬性接触，是有可能产生炸裂。随着火势及浓烟的增大，填缝材料要密实地封住防火玻璃与支承结构的缝隙，防止浓烟穿过背火面。

防火玻璃与支承结构的节点处理典型的玻璃与框架系统之间的相关辅助材料均为耐火材料；陶瓷棉（或岩棉）：在高温作用下不变质，基本保持原状，防火膨胀条：受热后发生膨胀，会形成良好的防烟隔热层，硅酮防火胶：在没火灾时有密封、防水、装饰作用，受热碳化钢制框架系统截面图其他相关型材的截面钢制断热型材截面钢框架支承系统在工程应用的节点中国石油大厦的双层幕墙的防火内可开启部分上部节点钢框架支承系统在工程应用的节点国家体育场（鸟巢）内、外开钢制门节点钢框架支承系统在工程应用的节点上海新客运中心防火隔断固定部分节点防止火灾层间蔓延防火分区系统（挑檐）防火测试（测试）框架式钢铝防火玻璃幕墙上海中心设计方案单元式防火玻璃幕墙上海中心中庭内防火幕墙单元式的防火幕墙上海中心的内中庭防火幕墙其他改善幕墙防火措施建筑超高部位（标高100m以上）的外幕墙，可以在防止层间蔓延的装置上设置自动喷淋系统超过100米以上的可以考虑使用防火玻璃幕墙在高层建筑的外围护上应每隔几层幕墙设置一道防火玻璃幕墙作为防火分区或是每隔几层做一道外伸的水平外延作为防止火灾层间蔓延的隔离装置。钢质防火窗的剖面形式钢窗型材在工程应用的节点窗户防火对比试验（视频）天津消防所防火试验过程（视频）检测报告——耐火性能检测公安部天津消防研究所检测报告国家建筑工程质量监督检验中心检测报告——动风压三性能检测国家建筑工程质量监督检验中心检测检测报告——采光性能检测国家建筑工程质量监督检验中心检测检测报告——结论篇以上检测报告结果显示：金刚钢质防火窗通过风压、气密、水密、采光、隔音、保温性能的检测，各种性能良好。

防火机理若是在室内发生火灾，防火钢门窗组成的隔墙可以把火焰和烟雾限制在一定的范围，防止火灾的进一步扩大，随着助燃氧气的消耗，火焰会逐步减小！

钢质防火门窗——优越的抗爆炸性能在加拿大军事基地进行的爆炸试验.距离:180英尺(约60米）1000磅（约454公斤）TNT炸药美国德克萨斯-激波管检测加拿大CERL和美国ABS合作检测美国ABS检测报告抗爆炸性能——检测报告以色列MYY检测报告在日本通过耐火测试——检测报告防火性能——检测报告在美国佛罗里达HTL（飓风测试试验室）做抗飓风试验抗飓风试验检测结果：达到美国ASTM的最高标准抗飓风性能——检测报告上述各种综合测试证明金刚钢质防火门窗具有优越的性能。也因此应用于多个国内、外的标志性建筑！结论奥运主会场-国家体育场标志性工程展示国家会议中心标志性工程展示日本东京地铁八重洲大厦标志性工程展示首都T3航站楼地下空间标志性工程展示广州亚运会主场馆－奥林匹克体育场标志性工程展示广州国际会议展览中心标志性工程展示高强度单片铯钾防火玻璃

——专利证书相关证书防火钢型材

——专利证书相关证书防炸弹玻璃产品—国家重点新产品相关证书防炸弹玻璃产品—广东省科学技术奖相关证书中国公共安全产品—防炸弹玻璃认证证书相关证书资质认证相关证书高强度单片铯钾防火玻璃

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国家重点新