雙層幕墻由于其玲瓏剔透的美感、節(jié)能環(huán)保的特性以及高檔的建筑品味，正被越來越多的國(guó)內(nèi)外建筑所采用。雙幕墻是一項(xiàng)新穎的技術(shù)，其內(nèi)幕墻為雙層中空玻璃，外幕墻為單層玻璃，內(nèi)外幕墻之間的夾層往往貫穿數(shù)個(gè)樓層，其上、下兩端和大氣相通形成自下而上的自然通風(fēng)，同時(shí)，為方便內(nèi)層幕墻的清潔和維修，在夾層中近內(nèi)幕墻一側(cè)往往設(shè)置維修走道，而目前國(guó)內(nèi)沒有專門針對(duì)它的消防要求。那么，采用雙幕墻的建筑在發(fā)生火災(zāi)時(shí)，火焰和煙氣蔓延上有何特點(diǎn)？需要采取哪些消防措施？這些都是消防部門、業(yè)主和建筑設(shè)計(jì)師所關(guān)心的問題。本文依據(jù)計(jì)算流體力學(xué)分析軟件，對(duì)開放辦公室火災(zāi)發(fā)生時(shí)火焰和煙氣蔓延的特點(diǎn)進(jìn)行模擬分析，并對(duì)雙層幕墻建筑的消防要求提出初步設(shè)想和建議。

   
一、計(jì)算流體力學(xué)分析方法和模擬軟件

    利用計(jì)算流體力學(xué)分析來模擬火災(zāi)的發(fā)展過程又稱為"場(chǎng)模擬"。它利用計(jì)算機(jī)求解火災(zāi)過程中狀態(tài)參數(shù)的空間分布及隨時(shí)間變化來定量模擬火災(zāi)的發(fā)展過程。所謂"場(chǎng)"是指速度、溫度和化學(xué)組分的濃度等空間分布。場(chǎng)模擬的理論依據(jù)是自然界普遍成立的質(zhì)量守恒（連續(xù)方程）、動(dòng)量方程、能量守恒方程以及化學(xué)反應(yīng)定律等。火災(zāi)過程中狀態(tài)參數(shù)的變化也遵循著這些規(guī)律。這些定律在數(shù)學(xué)上可以抽象成一個(gè)基本方程組。通過求解這個(gè)方程組，就可以定性、定量地描述火災(zāi)的發(fā)展過程了。場(chǎng)模擬的理論基礎(chǔ)十分豐富，數(shù)值方法也各具特色，有關(guān)場(chǎng)模擬的專著也很多。場(chǎng)模擬的優(yōu)勢(shì)在于可以計(jì)算求解火和煙氣在具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的建筑中的溫度、速度和組分濃度分布，同時(shí)便于采用動(dòng)畫的方式將計(jì)算結(jié)果和火災(zāi)的發(fā)展過程變成可視化圖象。

   
二、計(jì)算流體力學(xué)（CFD）模擬中采用的熱釋放速率曲線和耐火構(gòu)件試驗(yàn)中采用的標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線

   實(shí)際火災(zāi)的發(fā)展過程可劃分為增長(zhǎng)期、充分發(fā)展期和衰減期，熱釋放速率和溫度的變化都呈現(xiàn)這一規(guī)律。在火災(zāi)的增長(zhǎng)期內(nèi)（從起火到轟燃）起火室溫度變化劇烈，進(jìn)入充分發(fā)展期后，起火室內(nèi)溫度很高但變化較平緩。

    耐火構(gòu)件試驗(yàn)中采用的標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線是為進(jìn)行建筑耐火性研究和耐火性能對(duì)比試驗(yàn)而假定的一條建筑內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時(shí)溫度隨時(shí)間變化的溫度曲線，它最早在1918年就被美國(guó)試驗(yàn)與材料協(xié)會(huì)（ASTM）標(biāo)準(zhǔn)采用。

    由于在火災(zāi)的增長(zhǎng)期（從起火到轟燃）起火室溫度較低，對(duì)建筑構(gòu)件的影響并不大。同時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線并不隨特定建筑的形狀大小、通風(fēng)和圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱物理性能變化而變化，因此只能代表室內(nèi)火災(zāi)中一種較危險(xiǎn)的場(chǎng)景，而并不是真實(shí)火災(zāi)的代表。

    本文分析的起火室的玻璃或幕墻屬于非耐火構(gòu)件，以往的經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)研究表明，由于它們耐高溫性能較差，通常在火災(zāi)的增長(zhǎng)期破碎，因此這一時(shí)間段的溫度變化對(duì)研究玻璃幕墻的火災(zāi)特性至關(guān)重要。在雙幕墻火災(zāi)特性計(jì)算機(jī)模擬中起火室內(nèi)溫度隨時(shí)間的變化由計(jì)算機(jī)火災(zāi)模型計(jì)算得到。火災(zāi)模型通過求解動(dòng)量、質(zhì)量、能量守恒方程得到溫度在所模擬的空間中的分布。求解過程中考慮了不同建筑內(nèi)的形狀、大小、通風(fēng)條件和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱物理特性對(duì)火災(zāi)中的溫度的影響。火災(zāi)模型計(jì)算時(shí)需要輸入熱釋放速率作為火源輸入條件。在本文中，擬合火源熱釋放速率曲線時(shí)以權(quán)威研究機(jī)構(gòu)的試驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)，并考慮了開放辦公空間內(nèi)可燃物的物質(zhì)、火災(zāi)荷載和擺放方式。

   
三、幕墻采用的雙層玻璃和單層玻璃的破碎條件

    在計(jì)算機(jī)模擬中玻璃破碎臨界溫度雙層玻璃取為600℃，單層玻璃取為300℃是在分析國(guó)外研究機(jī)構(gòu)的試驗(yàn)結(jié)果基礎(chǔ)上作的假定。

    另一方面起火層內(nèi)幕墻破裂后，火焰和煙氣形成的熱氣流在內(nèi)外幕墻之間的夾層中向上流動(dòng)時(shí)呈貼近外幕墻的趨勢(shì)，起火層以上的外幕墻側(cè)的溫度較高，內(nèi)幕墻側(cè)的溫度較低，且對(duì)于間距為0.8米和2.4米的情況都有類似現(xiàn)象。因此，即使內(nèi)外幕墻采用相同耐火特性的玻璃材料，起火層內(nèi)幕墻玻璃破裂后，同層或上層的外幕墻比上層的內(nèi)幕墻承受了更高的溫度，將會(huì)先于上層內(nèi)幕墻而破裂。其現(xiàn)象與本文中的模擬結(jié)果相似。

   
四、內(nèi)外幕墻之間的間距對(duì)火災(zāi)特性的影響

    內(nèi)外幕墻之間的間距大小對(duì)火災(zāi)特性也有較大的影響。內(nèi)外幕墻間距縮小時(shí)，起火室內(nèi)幕墻破裂后，受火焰和熱氣流直接沖擊的外幕墻會(huì)在更短的時(shí)間內(nèi)破碎。由于夾層空間狹小，熱氣流在夾層中升得更快，內(nèi)外幕墻附近的溫度差別相對(duì)間距較大情況將減小。

    內(nèi)外幕墻之間的間距較大時(shí)，熱氣流上升需一段距離才能達(dá)到外幕墻，在此過程中熱氣流卷吸更多空氣，溫度下降較快。從起火室內(nèi)幕墻破裂到外幕墻破裂的時(shí)間差和間距小的相比會(huì)更長(zhǎng)。同時(shí)，由于內(nèi)外幕墻間距大，上升的熱氣流在熱煙壓的作用下偏離內(nèi)幕墻外側(cè)噴出，在上升過程中并不貼近內(nèi)幕墻外側(cè)，因此內(nèi)幕墻距熱氣流的高溫較遠(yuǎn)。

    綜上所述，內(nèi)外幕墻間距小時(shí)，在外幕墻破裂前內(nèi)外幕墻夾層內(nèi)溫度較高，因此外幕墻會(huì)很快破碎；內(nèi)外幕墻間距較大時(shí)，夾層內(nèi)溫度較低，經(jīng)過較長(zhǎng)時(shí)間外幕墻會(huì)破裂。
 
五、窗檻墻和挑檐的作用

    在高層玻璃幕墻建筑中，采用一定高度的窗檻墻和具有一定耐火極限的水平挑檐是防止火焰和煙氣在層與層之間蔓延的通常采用辦法。《高層民用建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》中要求采用玻璃幕墻的高層建筑應(yīng)設(shè)置窗檻墻或不低于0.8m的不燃燒體裙墻。但是近年來，一些實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬表明，挑檐的作用優(yōu)于窗檻墻。本文的目的是對(duì)提高窗檻墻的高度和火災(zāi)場(chǎng)學(xué)進(jìn)行計(jì)算流體力學(xué)模擬，并將模擬結(jié)果分別和當(dāng)前雙幕墻設(shè)計(jì)的模擬結(jié)果進(jìn)行比較，確定其防火效果是否得到改善。

    將窗檻墻提高到1.2米的場(chǎng)景模擬結(jié)果表明，雖然窗檻墻高度提高了，但內(nèi)外幕墻之間的間距及夾層的形狀未改變，內(nèi)幕墻破裂后熱氣流在內(nèi)外幕墻上升的流動(dòng)情況兩種窗檻墻高度的場(chǎng)景相似。隨著火災(zāi)的發(fā)展，起火室內(nèi)溫度不斷升高，當(dāng)內(nèi)幕墻達(dá)到破裂臨界溫度時(shí)破裂脫落，火和煙氣沖出，通過內(nèi)幕墻之間的夾層上升頂部排出。上升熱氣流貼近外幕墻流動(dòng)，內(nèi)幕墻破裂后約8秒外幕墻破裂。將兩個(gè)參考點(diǎn)的溫度進(jìn)行比對(duì)，其差別不大，可見提高窗檻的效果并不明顯。

    設(shè)置挑檐的場(chǎng)景模擬結(jié)果可以看出，由于設(shè)置了和維修走道同寬的挑檐，起火層噴出的火焰和煙氣需通過挑檐前端和外幕墻形成的狹窄通道向上蔓延，形成更加貼近外幕墻的扁平熱氣流層。起火層的上一樓層窗檻墻上緣在外幕墻破裂之前承受的最高溫度為221℃。溫度比沒有挑檐時(shí)降低了約100℃。挑檐起到了將火焰和煙氣推離內(nèi)幕墻的效果。

   
六、總結(jié)與討論

    一些火災(zāi)案例或火災(zāi)錄像表明，當(dāng)建筑中發(fā)生大面積火災(zāi)蔓延或全面轟燃，從破裂的窗戶或幕墻洞口噴出的火焰可達(dá)數(shù)個(gè)樓層高，一般的防止火焰從建筑外部垂直蔓延的措施已失效，而且此時(shí)內(nèi)外幕墻已全部破裂脫落，這種情況不在本文的考慮之中。本文的模擬計(jì)算，均是針對(duì)幕墻附近起火，發(fā)生局部火勢(shì)擴(kuò)大或轟燃的情況，進(jìn)行模擬探討雙幕墻的防火措施。現(xiàn)將模擬分析結(jié)果總結(jié)如下：

    1．雙幕墻建筑火災(zāi)特性表明，隨著火災(zāi)的發(fā)展和熱釋放速率的增高，火焰的高度和起火室溫度也不斷增高，內(nèi)幕墻爆裂脫落后，火焰和煙氣涌入內(nèi)外幕墻之間的夾層，高溫氣流呈貼近外幕墻內(nèi)側(cè)流動(dòng)的趨勢(shì)，最終上升到頂層排出。這一過程中，火災(zāi)有向其它樓層蔓延的可能。外幕墻破裂后，火焰和煙氣在高溫氣體產(chǎn)生的熱壓作用下噴出外墻，此時(shí)只有少量煙氣進(jìn)入內(nèi)外幕墻之間的夾層，對(duì)起火層以上各層內(nèi)幕墻的影響將大為減少，內(nèi)幕墻附近的氣流溫度明顯下降。

    2．內(nèi)、外幕墻之間的間距越大，火焰和煙氣對(duì)起火層以上各層的影響越小。

    3．增加窗檻墻的高度不能起到更好的防火效果。

    4．設(shè)置和維修走道同寬的挑檐雖然會(huì)影響正常情況下夾層內(nèi)的自然通風(fēng)效果和建筑立面的美觀，但在一定程度上起到將火焰和熱氣流推離內(nèi)幕墻的作用。