●張志強(qiáng)
(西藏消防總隊(duì),西藏拉薩 850000)
雙層玻璃幕墻是指由內(nèi)、外兩層結(jié)構(gòu)玻璃幕墻構(gòu)成的,使內(nèi)、外結(jié)構(gòu)層之間的空氣層產(chǎn)生空氣流通的玻璃幕墻[1]。雙層玻璃幕墻通過合理設(shè)計(jì)后能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能、美觀、隔音、利于采光等諸多優(yōu)良效果,已經(jīng)成為了大型或高層現(xiàn)代化建筑的外墻首選設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)類型之一[2-3]。
然而在帶來節(jié)能效益的同時(shí),雙層玻璃幕墻也為火災(zāi)煙氣控制埋下了安全隱患。當(dāng)內(nèi)層玻璃幕墻與建筑構(gòu)件間封堵不嚴(yán)或由于火勢過大,內(nèi)層玻璃幕墻受熱發(fā)生破裂后,煙氣會(huì)迅速通過內(nèi)層玻璃幕墻的裂縫流入兩層幕墻的夾層中,受煙囪效應(yīng)作用,煙氣會(huì)在極短的時(shí)間內(nèi)蔓延到幕墻上層區(qū)域,若不采取及時(shí)有效的排煙措施,可能會(huì)導(dǎo)致火勢迅速增大等嚴(yán)重后果。同時(shí)玻璃幕墻所造成的另一個(gè)消防問題是滅火救援工作的困難,現(xiàn)行規(guī)范[4]中僅規(guī)定“高層建筑的消防登高面?zhèn)韧鈮Σ灰嗽O(shè)雙層玻璃幕墻”,并非硬性規(guī)定,因此很多建筑為了美觀需要還是會(huì)將玻璃幕墻設(shè)置在建筑的消防登高面一側(cè),一旦雙層玻璃幕墻之間充滿煙氣后,救援力量很難從外部對(duì)建筑內(nèi)部火勢進(jìn)行判斷,從而阻礙滅火救援的開展[5]。
本文將采用大渦模擬方法,對(duì)不同種類雙層玻璃幕墻的煙氣流動(dòng)過程進(jìn)行對(duì)比分析,旨在深入認(rèn)識(shí)各類雙層玻璃幕墻的煙氣危害性,并為其煙氣控制提供參考。
本文采用大渦模擬方法進(jìn)行數(shù)值研究,求解包含5個(gè)基本方程:連續(xù)方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程、狀態(tài)方程和氣體組分守恒方程[6]:
連續(xù)方程:
動(dòng)量守恒方程:
能量守恒方程:
狀態(tài)方程:
氣體組分守恒方程:
以上5個(gè)基本方程具有非線性、耦合性、形式相同和封閉性的特征,適用于描述雙層玻璃幕墻內(nèi)的煙氣流動(dòng)過程。
本文所采用的模擬軟件為美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)局開發(fā)的火災(zāi)模擬軟件FDS(Fire Dynamics Simulator)。FDS是用于模擬火災(zāi)發(fā)展過程的場模擬軟件,采用數(shù)值方法求解受火災(zāi)浮力驅(qū)動(dòng)的低馬赫數(shù)流動(dòng)的N-S方程。Ni等[7]已利用FDS進(jìn)行了雙層玻璃幕墻火災(zāi)特性的大渦模擬分析,結(jié)果表明FDS大渦模擬對(duì)于雙層玻璃幕墻火災(zāi)過程具有較好的模擬效果。
根據(jù)相關(guān)規(guī)范,雙層玻璃幕墻分為整體式、走廊式、窗盒式和豎井式4種,由于本模擬中假設(shè)建筑設(shè)置雙層玻璃幕墻一側(cè)橫向上僅有一個(gè)聯(lián)通的房間,因此從煙氣蔓延角度考慮,走廊式雙層玻璃幕墻與窗盒式雙層玻璃幕墻的效果一致,因此在模擬中僅考慮整體式、走廊式和豎井式雙層玻璃幕墻。
計(jì)算模型結(jié)構(gòu)如圖1所示,其中主體建筑為邊長為6 m正方形結(jié)構(gòu)的賓館類建筑,單層高度為2.5 m,模型中共8層,起火房間位于建筑的二層,房間性質(zhì)為客房,并安裝有自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)。雙層玻璃幕墻位于主體建筑單側(cè)建筑外立面,根據(jù)現(xiàn)有研究和相關(guān)文獻(xiàn)中設(shè)定的空腔寬度[8-9],確定模擬中選擇的雙層玻璃幕墻空腔寬度為0.8 m、1.2 m和1.5 m。整體式雙層玻璃幕墻的開口分別位于外側(cè)幕墻的頂部和底部,開口寬度為6 m,高度為0.1 m;走廊式玻璃幕墻單層空腔的外側(cè)玻璃幕墻的頂部和底部均各有一個(gè)開口,開口尺寸與整體式玻璃幕墻開口一致;豎井式玻璃幕墻在外側(cè)幕墻沒有設(shè)置開口,單層空腔通過尺寸為1.0 m×0.2 m的開口與豎井相連,豎井頂部與外界連通。
圖1 模型結(jié)構(gòu)示意圖
根據(jù)《上海市工程建設(shè)規(guī)范——建筑防排煙技術(shù)規(guī)程》[10]中火災(zāi)模型的相關(guān)設(shè)定要求,對(duì)于有噴淋的客房,火災(zāi)熱釋放量設(shè)定為1.5 MW。
模擬中假設(shè)發(fā)生火災(zāi)后著火樓層的內(nèi)層玻璃幕墻完全破裂?;馂?zāi)煙氣直接流入內(nèi)外層玻璃幕墻中間的空腔,由于整體式玻璃幕墻在水平和豎直方向上均沒有分隔物,煙氣在空腔內(nèi)的豎直蔓延速度很快,在模擬的3種空腔寬度條件下(d=0.8 m、1.2 m、1.5 m),煙氣在起火后 5 s均蔓延至空腔內(nèi),起火后約20 s即可蔓延至高度為20 m的玻璃幕墻頂端。
不同空腔寬度條件下,空腔內(nèi)溫度分布曲線如圖2所示。由圖可以看出,在起火樓層及以上高度內(nèi),不同的空腔寬度條件下,靠近外層玻璃幕墻的熱電偶樹測得的最高溫度較為接近,在著火樓層所在高度上,熱電偶測得的最高溫度為130~140℃。然而靠近內(nèi)側(cè)玻璃幕墻的熱電偶樹測得溫度數(shù)據(jù)顯示,空腔越寬,空腔內(nèi)側(cè)溫度越低,當(dāng)空腔寬度為0.8 m、1.2 m和1.5 m時(shí),對(duì)應(yīng)的內(nèi)側(cè)最高溫度分別160℃、145℃和110℃,這一方面是由于空腔體積增大,更多的冷空氣混合導(dǎo)致煙氣溫度降低,另一方面空腔寬度變化所引起的煙氣流動(dòng)模式的不同也可能會(huì)導(dǎo)致該高度范圍內(nèi)內(nèi)側(cè)溫度隨空腔寬度的增大而下降。在起火樓層以下高度,靠近內(nèi)側(cè)玻璃幕墻的熱電偶樹所測得的溫度分布基本一致,而靠近外側(cè)熱電偶樹所測得溫度則隨著空腔寬度的增大而增大,這是由于隨著空腔體積的增大,由下部通風(fēng)口進(jìn)入的冷空氣對(duì)于空腔下部的影響性減弱,同時(shí)下部煙氣與更多的冷空氣混合導(dǎo)致溫度降低,因此在達(dá)到穩(wěn)定階段后,煙氣會(huì)沿著玻璃幕墻外壁向著火房間下方流動(dòng)。
圖2 整體式雙層玻璃幕墻空腔內(nèi)溫度分布
不同空腔寬度條件下空腔內(nèi)煙氣流動(dòng)速度矢量及其局部特征見圖3。由圖可以看出,隨著空腔寬度的增大,沿著火房間頂棚流入空腔的煙氣具有貼近外側(cè)玻璃幕墻的趨勢,這也解釋了內(nèi)側(cè)玻璃幕墻側(cè)熱電偶樹測得的溫度隨空腔寬度的增大而降低這一現(xiàn)象。同時(shí),隨著空腔寬度的增加,著火房間下部的區(qū)域中出現(xiàn)了煙氣沿外側(cè)玻璃幕墻向下流動(dòng)的現(xiàn)象,與溫度分布的結(jié)論一致。
圖3 整體式雙層玻璃幕墻空腔內(nèi)煙氣流動(dòng)速度矢量圖
通過以上分析可以看出,對(duì)于結(jié)構(gòu)較為簡單的整體式雙層玻璃幕墻,由于煙囪效應(yīng),煙氣在雙層幕墻所形成的空腔內(nèi)蔓延很快,在模擬中,從煙氣進(jìn)入空腔至煙氣蔓延至空腔頂部僅需15 s左右。因此應(yīng)采取有效措施防止或減緩煙氣在雙層玻璃幕墻空腔內(nèi)的蔓延。通過對(duì)比不同空腔寬度的溫度和速度數(shù)據(jù)可以看出,空腔寬度越大,空腔內(nèi)整體溫度越低,同時(shí)溫度具有貼近外側(cè)玻璃幕墻向上蔓延的趨勢,有利于保護(hù)著火樓層以上的建筑部分;然而,空腔寬度的增加也會(huì)減弱玻璃幕墻下部通風(fēng)口進(jìn)風(fēng)氣流對(duì)于煙氣下沉的阻擋效果,在模擬的工況中,當(dāng)空腔的寬度為1.2 m和1.5 m時(shí),在達(dá)到穩(wěn)定階段后,部分煙氣會(huì)沿著外側(cè)玻璃幕墻下沉至著火房間下層的玻璃幕墻內(nèi),此時(shí)若下層的內(nèi)側(cè)玻璃幕墻有開啟的情況或者由于意外而破裂,則煙氣會(huì)通過玻璃幕墻進(jìn)入著火房間下部區(qū)域。因此在設(shè)計(jì)整體式玻璃幕墻時(shí),應(yīng)充分考慮玻璃幕墻空腔寬度對(duì)火災(zāi)煙氣流動(dòng)的各類影響。
與整體式玻璃幕墻類似,在模擬中假設(shè)在發(fā)生火災(zāi)后,著火樓層的內(nèi)層玻璃幕墻完全破裂,則火災(zāi)煙氣會(huì)流入內(nèi)外層玻璃幕墻形成的空腔,走廊式玻璃幕墻通過有效分隔構(gòu)件在豎直方向上對(duì)雙層玻璃幕墻進(jìn)行了劃分,可在一定時(shí)間內(nèi)將火災(zāi)煙氣控制在單層雙層玻璃幕墻中。
由于單層玻璃幕墻高度僅為2.5 m,單層空腔體積較小,煙氣會(huì)在極短的時(shí)間內(nèi)充滿該區(qū)域,因此不同的腔室寬度對(duì)于空腔內(nèi)溫度分布的影響不大,同時(shí),內(nèi)側(cè)玻璃幕墻處溫度與外側(cè)玻璃幕墻處的溫度也基本一致,如圖4所示。由此可以看出,在所模擬的火災(zāi)條件下,玻璃幕墻的分隔構(gòu)件可以有效將煙氣限制在單層幕墻內(nèi),火災(zāi)對(duì)于著火房間上層和下層區(qū)域的環(huán)境基本沒有影響。但是,著火房間所在樓層的雙層玻璃幕墻空腔內(nèi)最高溫度可達(dá)到270℃,已經(jīng)接近了玻璃的破壞溫度[11]。外層玻璃一旦破裂,火災(zāi)煙氣會(huì)直接沿建筑的外立面向上部區(qū)域蔓延,這會(huì)給消防人員的滅火救援帶來極大影響。
圖4 走廊式雙層玻璃幕墻空腔內(nèi)溫度分布
不同空腔寬度條件下,走廊式玻璃幕墻內(nèi)煙氣流動(dòng)速度矢量如圖5所示。由此可以看出,由于單層玻璃幕墻高度僅為2.5 m,因此空腔寬度為0.8~1.5 m范圍內(nèi),空腔體積均較小,因此寬度d的變化對(duì)于煙氣流動(dòng)速度也基本沒有影響。在房間的上半部分,煙氣沿頂棚流出室外進(jìn)入玻璃幕墻內(nèi),在房間下半部分,燃燒卷吸了大量的空氣,因此空氣由玻璃幕墻的開口流入室內(nèi)進(jìn)行補(bǔ)充。
圖5 走廊式雙層玻璃幕墻空腔內(nèi)煙氣流動(dòng)速度矢量圖
通過以上分析可以看出,走廊式玻璃幕墻可以通過分隔擋板將煙氣控制在單層玻璃幕墻的空腔內(nèi),防止其對(duì)其他樓層環(huán)境的影響,然而由于煙氣被限制在了較小的空間內(nèi),煙氣溫度較高。模擬結(jié)果表明,在所選定的火災(zāi)場景中,單層玻璃幕墻空腔內(nèi)的溫度已經(jīng)接近了玻璃的破壞溫度。同時(shí)由于單層空腔的高度較低,因此空腔寬度對(duì)于走廊式玻璃幕墻內(nèi)煙氣流動(dòng)的影響不大。
在豎井式玻璃幕墻工況中,同樣假設(shè)在火災(zāi)發(fā)生后,著火樓層的內(nèi)層玻璃幕墻完全破裂,火災(zāi)煙氣會(huì)流入內(nèi)外層玻璃幕墻形成的空腔內(nèi)。豎井式玻璃幕墻與走廊式幕墻一樣將每一層劃分為一個(gè)防煙區(qū)域,但單層玻璃幕墻空腔內(nèi)并沒有直接通向室外的開口,而是通過一個(gè)側(cè)面的開口與玻璃幕墻單側(cè)的通風(fēng)豎井相連,煙氣會(huì)通過豎井集中排到室外區(qū)域,由于每層均設(shè)有與豎井相連的開口,當(dāng)煙氣不能及時(shí)通過豎井頂部開口排出時(shí),可能會(huì)通過其他樓層玻璃幕墻空腔與豎井相連的開口流入空腔內(nèi),對(duì)其樓層的火災(zāi)安全造成威脅,同時(shí)還會(huì)影響外部消防人員對(duì)火勢判斷的準(zhǔn)確性。
整體式雙層玻璃幕墻與走廊式雙層玻璃幕墻在整個(gè)模擬過程中,火源熱釋放速率一直為模型中設(shè)定值(1.5 MW),然而在豎井式玻璃幕墻的火災(zāi)模擬過程中,由于火源附近沒有直接與外界連通的開口,火源熱釋放速率由于房間內(nèi)部氧氣不足,在模擬開始后50 s左右即會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)烈的振蕩。
熱釋放速率的變化導(dǎo)致在豎井式雙層玻璃幕墻火災(zāi)煙氣不會(huì)出現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài),所有物理量的變化均與時(shí)間相關(guān),故在進(jìn)行雙層玻璃幕墻空腔內(nèi)溫度分析時(shí),采用溫度分布隨時(shí)間的變化曲線,不同空腔寬度的豎井式玻璃幕墻溫度隨時(shí)間變化曲線如圖6所示。由此可以看出,起火房間所在樓層對(duì)應(yīng)的玻璃幕墻空腔內(nèi)溫度最高,在100 s左右達(dá)到了最大值240℃,但此后溫度開始下降,這是由于熱釋放速率的不穩(wěn)定造成的。除了起火房間所在樓層外,一層即起火房間的下層溫度在一段時(shí)間后也會(huì)出現(xiàn)明顯的溫度增長過程,這是由于一層玻璃幕墻空腔與豎井相連的開口位置較高,因此未能通過豎井及時(shí)排出,而滯留的高溫火災(zāi)煙氣極易倒流入一樓玻璃幕墻空腔內(nèi)。煙氣流入一樓空腔的時(shí)間隨空腔寬度的增大而增大,當(dāng)空腔寬度為0.8 m、1.2 m和1.5 m時(shí),煙氣流入一樓的雙層玻璃幕墻空腔的時(shí)間分別約為200 s、280 s和320 s。著火房間所在樓層以上各層(3~8層)的溫度在模擬過程中均略有增高,這表明火災(zāi)煙氣在不同時(shí)刻也通過各層開口流入了其他樓層。
圖6 豎井式雙層玻璃幕墻空腔和豎井內(nèi)溫度變化曲線
由于熱釋放速率出現(xiàn)振蕩后,煙氣速度變化很快,因此無法選擇穩(wěn)定時(shí)刻進(jìn)行煙氣流動(dòng)速度分析,故采用整個(gè)模擬時(shí)間內(nèi)(600 s)的速度平均值做出速度矢量圖,見圖7。由圖可以看出,豎井內(nèi)的火災(zāi)煙氣會(huì)通過各層玻璃幕墻空腔通向豎井的開口流入各層空腔內(nèi)。同時(shí)通過三種不同空腔寬度情況下速度矢量圖的比較可以看出,空腔寬度的增大,即豎井截面積的增大有利于煙氣通過豎井頂部開口的排出,從而減少煙氣向其他各層幕墻空腔的蔓延。
圖7 豎井式雙層玻璃幕墻空腔和豎井內(nèi)煙氣流動(dòng)速度矢量圖
通過以上分析可以看出,豎井式雙層玻璃幕墻不能將煙氣有效控制在單層玻璃幕墻內(nèi),豎井內(nèi)的煙氣會(huì)由各層空腔與豎井相連的開口倒流入空腔內(nèi)。著火房間所在樓層的玻璃幕墻空腔內(nèi)的最高溫度達(dá)到了240℃,低于走廊式玻璃幕墻內(nèi)的溫度最高值,但也具有較高的火災(zāi)危險(xiǎn)性。
火災(zāi)煙氣蔓延模擬結(jié)果表明,整體式玻璃幕墻內(nèi)煙氣沿豎直方向流動(dòng)速度很快,僅需要15 s左右火災(zāi)煙氣即會(huì)由二樓的著火樓層蔓延至建筑頂部,雙層玻璃幕墻空腔內(nèi)的最高溫度為180℃,空腔寬度對(duì)內(nèi)部煙氣溫度和速度的分布有較大影響。走廊式玻璃幕墻可將火災(zāi)煙氣完全限制在單層雙層玻璃幕墻內(nèi),與整體式玻璃幕墻相比可大大減小火災(zāi)煙氣影響區(qū)域,但空腔內(nèi)的溫度分布顯示,著火房間所在樓層的玻璃幕墻空腔內(nèi)最高溫度達(dá)到了270℃,大大高于整體式玻璃幕墻空腔內(nèi)的最高溫度,同時(shí)已經(jīng)接近玻璃破壞臨界溫度,因此在采用走廊式雙層玻璃幕墻時(shí),應(yīng)采取有效措施防止高溫?zé)煔鈱?duì)玻璃幕墻造成危害。豎井式玻璃幕墻并不能完全阻止煙氣向非著火樓層玻璃幕墻腔室的蔓延,但是通過溫度數(shù)據(jù)可以看出,進(jìn)入其他樓層玻璃幕墻空腔內(nèi)的煙氣量與整體式玻璃幕墻相比大大減少,其他樓層玻璃幕墻空腔內(nèi)的溫升較低。
通過整體式與走廊式玻璃幕墻模擬結(jié)果的對(duì)比可以看出,利用防火分隔擋板將雙層玻璃幕墻的空腔進(jìn)行劃分,可以在火災(zāi)發(fā)生時(shí)將煙氣有效限制在起火樓層對(duì)應(yīng)的空腔內(nèi),然而煙氣分布區(qū)域的限制必然會(huì)使得煙氣填充的空腔內(nèi)形成高溫,對(duì)幕墻的結(jié)構(gòu)安全造成威脅。而采用豎井式玻璃幕墻,其煙氣控制與溫度控制效果均介于整體式玻璃幕墻與走廊式玻璃幕墻之間。在玻璃幕墻的實(shí)際應(yīng)用中,應(yīng)根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)特點(diǎn),并綜合考慮各類雙層玻璃幕墻在消防安全方面的優(yōu)缺點(diǎn),選擇雙層玻璃幕墻的種類,同時(shí)還應(yīng)根據(jù)所選擇類型可能存在的消防安全隱患,有針對(duì)性的采取各類消防保護(hù)措施。
[1]彭曉彤,林晨,沈潔攀.雙層通風(fēng)玻璃幕墻的熱過程及熱工設(shè)計(jì)[J].工業(yè)建筑,2006,36(7):41-44.
[2]劉東亮,岳永亮,胡居傳.外呼吸式雙層玻璃幕墻內(nèi)流動(dòng)和換熱的數(shù)值研究[J].制冷與空調(diào),2010,10(4):97-104.
[3]劉晶晶.雙層玻璃幕墻的節(jié)能設(shè)計(jì)研究[D].北京:清華大學(xué),2006.
[4]滬消發(fā)[2008]146號(hào),雙層玻璃幕墻防火設(shè)計(jì)規(guī)程(暫行)[S].
[5]倪照鵬,路世昌,智會(huì)強(qiáng),等.雙層玻璃幕墻全尺寸火災(zāi)實(shí)驗(yàn)研究[J].火災(zāi)科學(xué),2007,16(4):232-242.
[6] Kevin McGrattan,Randall McDermott,Simo Hostikka,et al.Fire Dynamics Simulator(Version 5)User’s Guide[M].National Institute of Standards and Technology,2010.
[7]NI Z P,ZHI H Q,LU S C,et al.Numerical Simulation on the Study of the Fire Properties of Double Curtain Wall[J].Journal of Safety and Environment,2008,8(2):129-134.
[8]HE Z H,MU Y J.The computational fluid dynamics analysis on the fire characteristics of double-skin facade[J].Zhejiang Fire,2003,(7):40-42.
[9]GUO D G,HE W,XU W X.Performance-based fire safety analysis for a double skin facade[J].Fire Science and Technology,2004,23(4):341-344.
[10]DGJ 08-88-2006,上海市工程建設(shè)規(guī)范-建筑防排煙技術(shù)規(guī)程[S].
[11]CHOW C L.Numerical studies on smoke spread in the cavity of a double-skin facade[J].Journal of Civil Engineering and Management,2011,17(3):371-392.