七. 試驗(yàn)觀察和分析
室內(nèi)燃燒器點(diǎn)燃后2分鐘，從室外看，有煙霧開始從
窗間墻幕墻下部出現(xiàn)。應(yīng)該是
玻璃嵌條
EPDM橡膠條和玻璃下的EPDM橡
膠墊塊引起的；
2分35秒：間斷有火焰從開口處伸出來。室內(nèi)壓力高于室外壓力；
2分50秒：開口處上部
橫梁開始
彎曲，此時室內(nèi)燃燒室溫度到達(dá)400°C左右。
鋁合金材料在溫度達(dá)到250°C ~ 300°C時
承載能力開始下降，（
碳鋼在溫度達(dá)到375°C 左右承載能力開始下降）。此處橫梁通過二塊EPDM
橡膠墊塊承受6.4mm厚單層玻璃重量；
3分40秒：二樓觀察室中水平
防火帶表面中部出現(xiàn)少量煙霧。可能是從
防火棉和防煙材料中散發(fā)出來的；
5分鐘：室外燃燒器點(diǎn)燃；
6分鐘：室內(nèi)燃燒器所產(chǎn)生的熱氣流在室內(nèi)壓力的作用下，從開口處以較高的速度從室內(nèi)沖出來，使得室外燃燒器的火焰偏離幕墻面。幾分鐘后，當(dāng)溫差和壓力趨于平衡時，室外燃燒器的火焰基本回復(fù)正常，稍稍外偏；
8分20秒：開口處上部橫梁中間的
硅膠開始
燃燒；
9分鐘：單片玻璃內(nèi)側(cè)發(fā)現(xiàn)有冷凝水下淌；
11分40秒：在開口附近的火焰高度超過開口處上部橫梁大約300mm左右；
14分25秒：開口處上部橫梁的
鋁合金開始
熔化，并滴落下來，鋁合金的熔化溫度是660°C；
14分50秒：在開口附近的火焰高度已超過開口處上部橫梁大約600mm左右；
16分鐘：火焰高度已達(dá)到單片玻璃的頂部；
18分10秒：在水平方向，火焰向外延伸到離外墻面大約450mm左右；
21分鐘：開口處上部橫梁的鋁合金大約有500mm長已熔化掉了；
28分45秒：由于最中部鋁合金
立柱（防火棉以下部分）已熔化，下面一根
保溫棉橫保持架的連接失效，造成此保持架懸空掛在那里，失去作為保持架的作用；
30分鐘：在二樓觀察室中發(fā)現(xiàn)幕墻發(fā)生
變形，中部水平方向朝外變形了3mm；
46分鐘：在二樓觀察室中水平防火帶表面中部出現(xiàn)連續(xù)不斷的煙霧；
52分鐘：6.4mm厚單層玻璃開始軟化并向外拱起，玻璃的熔化溫度是821°C；作為背板的
鍍鋅鋼板和防火保溫棉看起來完好；
62分鐘~ 72分鐘：6.4mm厚單層玻璃繼續(xù)軟化、下垂、熔化并滴落下來；
75分鐘：在二樓觀察室中觀察幕墻中部水平方向朝外變形沒有增加；
120分鐘：燃燒器熄火。
熄火以后觀察和分析：
1) 120分鐘內(nèi)燃燒沒有蔓延到上一層。
2) 防火棉看起來完好無損，在水平防火帶防火棉的下部與
鍍鋅鋼板背板的交界處，發(fā)現(xiàn)一條約12mm寬的縫隙，縫隙的走向沿著背板變形的形狀。從背板傳遞過來的大量熱量燒烤防火棉側(cè)面接觸面，經(jīng)壓縮后的防火棉其擴(kuò)張性能可能受到影響。 防火棉底部經(jīng)長時間的高溫燃燒已變硬和發(fā)脆。正是由于防火棉以33 %壓縮率填充，縫隙沒能貫穿100mm高的防火棉，阻擋了火焰向上蔓延。
3) 在防火棉上方覆蓋的這層防煙層，大部分仍保持了其柔
韌性，說明防火棉上側(cè)的溫度值大部分在防煙層工作溫度范圍內(nèi)。在靠近背板附近因受到高溫影響有部分已脫裂開，形成煙霧上升通道（圖12）。由于這層防煙層伸縮性為50%，基本上保證了與周圍材料的有效
密封。
4) 鍍鋅鋼板背板在燃燒中被燒得通紅，背板的受熱不勻造成一定程度的
翹曲，但其翹曲程度明顯受到背板
加強(qiáng)筋的制約。由于這個加強(qiáng)筋不僅僅
固定在立柱上，還直接固定在背板上，使得防火棉附近的背板變形量保持在最小。（圖11，圖13）
5) 開口處上部的鋁合金橫梁基本上都熔化掉了，最中部的鋁合金立柱（在水平防火棉以下部分）也熔化掉了，其他地方的鋁合金結(jié)構(gòu)基本保持完整（圖14）。固定在這些已受損鋁合金結(jié)構(gòu)上的部件，如背板、防火保溫棉、玻璃等，其穩(wěn)固性和功能性會受到影響。
6)
窗間墻部分的75mm厚半硬式防火保溫棉在背板加強(qiáng)筋以上部分基本上完整。由于下面一根保溫棉橫保持架的一端連接失效，防火保溫棉產(chǎn)生傾斜，下方的防火保溫棉直接暴露在火中燃燒，部分被燒脫下來，使得背板下方正反二面都受到火焰的攻擊。
7) 在2小時燃燒中，上層
中空玻璃完好無損，下層單層玻璃部分熔化，未產(chǎn)生
破裂現(xiàn)象。注意到為什么開口處上部橫梁都熔化掉了，但單層玻璃不掉下來呢？這是一個半隱框系統(tǒng)，玻璃四周全部用結(jié)構(gòu)硅膠，由于定位玻璃的EPDM橡膠塊已失效，所以應(yīng)該是結(jié)構(gòu)硅膠在起作用。 結(jié)構(gòu)硅膠在高溫下到底起多大作用？這個問題有待研究，在這個試驗(yàn)中至少還能保持住單層玻璃2個小時。窗間墻玻璃的破碎和
脫落對幕墻防火系統(tǒng)雖然不是太重要，但是也起到一些正面作用，它保護(hù)了后面的防火保溫棉不直接遭受火焰的攻擊，這個防火保溫棉保持時間越長，對室外側(cè)火焰的防火就越好。
我們將這次試驗(yàn)同不久前的另一次相似試驗(yàn)相對比，總體結(jié)果相當(dāng)相似，也是以成功告終。但前一次試驗(yàn)玻璃的運(yùn)氣不如這次好，在27分鐘時，上層樓面其中一塊
中空玻璃的外片破裂；在72分鐘時，上層另一塊中空玻璃的外片破裂。幸運(yùn)的是，這二塊中空玻璃的內(nèi)片自始至終沒有破碎。究其原因，我們推測第一塊外片玻璃破裂得早與玻璃邊緣缺陷有關(guān)。要知道，這些玻璃是玻璃公司在流水線上以標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)程序
切割和磨邊的，按要求，磨邊量為1.5mm（圖15），有誤差和缺陷是難免的。
8) 從二樓觀察室中發(fā)現(xiàn)，密封硅膠呈黑色，外表看起來還不錯，部分硅膠與
連接件已分開了（圖16）。一樓燃燒室內(nèi)部背板周圍的密封硅膠均已燒成白色的焦?fàn)钗铩?圖17）
9) 本試驗(yàn)中，在燃燒室的幕墻部分，沒有采取任何
隔熱等措施以延緩熱量從幕墻系統(tǒng)內(nèi)部向上層傳遞。事實(shí)上，上層樓面幕墻內(nèi)側(cè)
金屬表面的溫度已超過500度，超過了表面
噴漆的工作溫度范圍，可能會產(chǎn)生化學(xué)物質(zhì)的分解。同時也有相當(dāng)數(shù)量的氣體和煙霧進(jìn)入上層樓面，足以使人能在數(shù)分鐘內(nèi)昏倒，達(dá)不到能維持生命的水平。
八. 幕墻防火設(shè)計(jì)要點(diǎn)
通過對防火試驗(yàn)的研究，以及近幾年幕墻設(shè)計(jì)中對防火要求、
防火材料和防火系統(tǒng)不斷的探索和實(shí)踐，我們基本上掌握了幕墻建筑周邊水平防火帶和幕墻系統(tǒng)防火構(gòu)造的設(shè)計(jì)要領(lǐng)。當(dāng)然隨著防火要求、防火材料性能的不斷提高，還需要作進(jìn)一步的研究。本文中對幕墻構(gòu)造的描述主要基于
單元式幕墻系統(tǒng)，其它幕墻系統(tǒng)可以參考它的設(shè)計(jì)原則和思路作相似的安排。由于單元式幕墻制作和安裝質(zhì)量易于控制，在防火方面，它與
框架式幕墻相比優(yōu)勢是明顯的。
建筑幕墻防火設(shè)計(jì)的原則是有效、可靠、制作安裝方便，并且不增加太多成本。優(yōu)秀的單元式幕墻系統(tǒng)完全可以達(dá)到這些要求。建筑師和土建結(jié)構(gòu)師應(yīng)該了解和懂得如何利用幕墻防火構(gòu)造來滿足建筑物周邊防火要求。這里，一個土建結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)值得提一下。在北美絕大部分建筑物幕墻
預(yù)埋件安排在樓層表面部分，而國內(nèi)大部分安排在梁或
樓板的側(cè)面。先不說前者對幕墻安裝、調(diào)節(jié)、定位等帶來很多好處與方便。從防火角度看，幕墻與主結(jié)構(gòu)的承載連接件安排在靠近樓面位置，便于防火棉和防煙層的施工，有利于防火棉更有效地保護(hù)這個連接件，使它不過早失效。
建筑物燃燒產(chǎn)生的溫度高低，與燃燒材料、通風(fēng)狀態(tài)等有關(guān)，研究資料表明，溫度的峰值可達(dá)到1200°C。幕墻系統(tǒng)本身并沒有很多易燃性材料，但大部分材料抗燃燒性都不強(qiáng)。幕墻常用
金屬材料的
熔點(diǎn)溫度見表3，常用非金屬材料的關(guān)鍵溫度點(diǎn)見表4。
注：表中數(shù)據(jù)為大致范圍，謹(jǐn)供參考；部分?jǐn)?shù)據(jù)來自Plast-O-Matic: Plastic body materials.
*工作溫度上限與所要求的暴露時間有關(guān)。
**450°C出自于Handbook of Physical and Mechanical Testing of Paper and Paperboard Volume 2; Edited by Richard Mark。國內(nèi)消防資料為130°C。
***407°C出自于German marine insurers.國內(nèi)消防資料為150°C。
圖18 是典型的單元式幕墻防火構(gòu)造，下面我們來詳細(xì)分析幕墻防火設(shè)計(jì)要點(diǎn)。
1) 玻璃：從防火試驗(yàn)結(jié)果可以認(rèn)識到，上層可視玻璃的完整性對防止火焰上竄很重要，而窗間墻非可視玻璃容易破碎和熔化，對整個防火體系的影響并不大，盡管形式上它跨越了二個防火分區(qū)。
從上節(jié) [試驗(yàn)觀察和分析] 中談到，玻璃生產(chǎn)過程中切割和磨邊對玻璃破碎的影響。為延緩和防止上層可視玻璃破碎，必須要考慮防止玻璃溫升過快、過高的措施，橫料下的防火保溫棉3）就是起這個作用。
目前隨著對節(jié)能要求的提高，越來越多的窗間墻非可視部分采用中空玻璃，這對延緩玻璃破碎是有利的。
2) 單元式幕墻水平插口：這里是上下二個單元的結(jié)合點(diǎn)，單元式構(gòu)造的特點(diǎn)使上下二個單元金屬不直接接觸，延緩了上面單元的溫升，降低了窗臺板溫度升高速度。這一點(diǎn)比框架式幕墻系統(tǒng)要優(yōu)越。
3) 橫料下防火保溫棉：這里的防火保溫棉厚度根據(jù)建筑物和幕墻系統(tǒng)具體情況具體設(shè)計(jì)，能夠保證50mm以上最好，至少要有25mm（圖19）。
4) 防火保溫棉：工程上我們常用保溫棉、防火棉、防火保溫棉等名詞，這樣的表達(dá)是以材料用途和功能來劃分的，與材料本身的組成和成分無關(guān)。在幕墻工程中有時這三者采用的是相同材料。例如防火墻外側(cè)保溫棉，可以用
巖棉或
玻璃棉；無
混凝土窗間墻的幕墻，中間的保溫棉須起到防火作用，可選用巖棉、
礦渣棉，稱之為防火保溫棉；防火棉同樣采用巖棉和礦渣棉，只不過使用中并不關(guān)心其保溫功能而已。
不少人在談到巖棉、
礦棉等材料時，到底有什么關(guān)系不是很清楚。比較權(quán)威的機(jī)構(gòu)—北美保溫棉制造協(xié)會（NAIMA）是這樣定義的：巖棉（Rock Wool）和礦渣棉（Slag Wool）基本上是用相同的原材料，相同的生產(chǎn)過程制成的，不同的是其原材料組成成分的比例不同。一般而言，巖棉中至少有70% ~75%是天然
巖石，如玄武巖（Basalt）或輝綠巖（Diabase），剩下的是礦渣（鐵礦石礦渣）；而礦渣棉中采用70%左右礦渣，其它的是天然巖石。它們都是采用高溫熔爐吹絲加壓法制作而成。中間可以采用
粘合劑，也可以不用粘合劑，依產(chǎn)品而定。粘合劑有無機(jī)、有機(jī)二種，有機(jī)粘合劑無論在防火、防霉、防菌方面都不如無機(jī)粘合劑。粘合劑一般在溫度超過250°C時氣化失效，但并不影響巖棉和礦渣棉制品的完整性，這歸功于材料的
內(nèi)聚性和其特殊的層狀構(gòu)造。只要此時沒有任何載荷使它變形，它就不會脫落。
以相同生產(chǎn)過程制成的巖棉和礦渣棉制品，它們所具有的各方面性能是非常相似的。
ISO 9229 (Thermal Insulation) 和GB4132 《
絕熱材料名詞術(shù)語》中，礦棉（Mineral Wool）包括巖棉、礦渣棉、玻璃棉等。由于玻璃棉熔點(diǎn)過低，目前許多國家不鼓勵或禁止幕墻上使用玻璃棉。
目前市場上用于幕墻最物美價廉的防火保溫棉，當(dāng)屬采用玄武巖和礦渣制成的巖棉和礦渣棉。這些制品加工成不同的
密度，最常用的有密度為64 Kg/m3，這也是不少工程的最低要求。幕墻公司會采用價格低、密度低的防火保溫棉，盡管產(chǎn)品包裝標(biāo)志有
傳熱阻R值或
傳熱系數(shù)K值，而業(yè)主和建筑師往往擔(dān)心低密度保溫棉的保溫性能，要求采用密度更高的保溫棉，如96 Kg/m3 、128 Kg/m3等。加拿大學(xué)者在《礦棉保溫棉的
對流熱損失》研究中指出，這種擔(dān)心是沒必要的，甚至在-35°C低溫，低密度保溫棉也沒有發(fā)現(xiàn)對流熱損失。
采用無機(jī)粘合劑的巖棉和礦渣棉具有良好的防火、
防銹、防霉、防菌、不吸水和
排水性強(qiáng)等功能。它們在受潮以后保溫性能有所下降，但是由于其非常低的吸濕率（<0.1%），當(dāng)水分揮發(fā)以后，保溫性能又能復(fù)原。并且這種循環(huán)過程一般不會破壞保溫棉的完整性。保溫棉中沒有有機(jī)物質(zhì)，就不易生霉和生菌。現(xiàn)代工程中絕大部分將保溫棉直接暴露在窗間墻玻璃內(nèi)側(cè)與室外相通的環(huán)境中，很少用貼箔保溫棉（主要是價格問題），就是由于上述優(yōu)點(diǎn)。
保溫棉切割和安裝質(zhì)量控制很重要。保溫棉四周間隙過大，保溫棉之間對接不緊密，保溫棉切割角度偏差太大，都直接影響到幕墻整體保溫性能。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，保溫棉中空隙占3%，
熱阻減小2%-5%；空隙占6%，熱阻減小20%-36%[20]。
保溫棉厚度根據(jù)環(huán)境、規(guī)范要求通過傳熱分析計(jì)算而定。保溫棉厚度越大，保溫性能和防火性能越好。例如在美國加拿大邊境地區(qū)，保溫棉厚度一般在100mm-150mm之間。
防火保溫棉的可靠固定是防火關(guān)鍵之一。火災(zāi)時，鋁合金骨架被熔化，玻璃熔化或破裂，如果防火保溫棉能經(jīng)受住室外側(cè)火勢的攻擊而不塌落下來，就能保護(hù)幕墻與主結(jié)構(gòu)的
承載連接件免受高溫的影響，就能保護(hù)上層的鋁合金和玻璃。
防火保溫棉必須采用機(jī)械式固定方式牢牢地固定在鍍鋅鋼板背板上。圖20中，防火保溫棉先用膠水粘在背板上，再用鍍鋅鋼板保持架壓在防火保溫棉的表面，保持架二頭用
不銹鋼螺釘固定在立柱上，保持架間距大約在400mm-600mm之間，距離邊框不超過250mm。采用膠水的目的是防止在負(fù)壓下防火保溫棉對保持架施加太大的壓力。圖21，圖22采用的是
焊接釘，釘子間距為300mm，距離邊框不超過150mm。它是一種非常有效的固定方式，只是要注意選用適當(dāng)厚度的背板。不允許采用圖23 粘結(jié)釘固定方式，粘結(jié)釘隨著時間粘性失效，可能大大影響保溫性能，火災(zāi)中可能整片很快脫落。
安裝完防火保溫棉，要用吸塵器將保溫棉碎屑吸干凈，以免堵塞通氣孔和排水孔。保證防火保溫棉與玻璃之間至少有25mm以上的空間用于保溫通氣之用。
5) 單元式立柱
接縫防煙封堵：在結(jié)構(gòu)樓面以上部分，可以采用
密封膠將這個接縫封住，減少幕墻內(nèi)部的煙霧進(jìn)入上層樓面（圖29）。
6) 承載連接件：將幕墻系統(tǒng)連接到主結(jié)構(gòu)上，是主要承載
構(gòu)件。無論它的材料是
鋼材還是鋁合金，隨著溫度的升高，在遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于材料的熔點(diǎn)溫度下，其承載能力已大大降低。所以保護(hù)承載連接件的承載能力是防火的主要措施之一。
7) 防煙層（Smoke Seal 或Smoke Barrier）: 在國內(nèi)常被稱作防火防煙層，用于協(xié)助控制熱氣和煙霧（冷煙和熱煙）的滲透，實(shí)際上它的主要功能就是防煙。熱煙（或熱氣）的溫度還不能太高，否則可能使這個防煙層失去
彈性和
粘結(jié)性。
防煙材料要求具備二個基本功能。一是它應(yīng)該具有較好的彈性，即它能夠吸收所填充空間的變位；二是它對金屬、鋁合金內(nèi)
表面噴涂涂料、混凝土等具有非常好的粘結(jié)性能。
防煙層必須布置在背火面。因?yàn)樗墓ぷ鳒囟确秶话悴怀^160°C。
在煙霧滲透方面，由（無貼箔）巖棉或礦渣棉組成的防火帶，其防煙功能是不怎么理想的，甚至有的專家稱它是不防煙的。
目前常用的防煙材料有二種：貼箔巖棉或礦渣棉；丙烯類涂料或硅類涂料。圖24為采用防煙涂料的工程實(shí)況。這里，根據(jù)一些公開的數(shù)據(jù)我們粗略比較一下這二種產(chǎn)品。有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)稱，無貼箔防火棉比有貼箔防火棉組成的防煙層（貼箔面與周邊留3mm空隙，用防火膠填充），煙霧穿透量要高出304倍[21]。根據(jù)ASTM E96和 ASTM F-1249 標(biāo)準(zhǔn)測試方法，大部分貼箔防火棉的煙霧穿透量Perms=0.02[22]，則無貼箔防火棉的Perms=6.08；當(dāng)采用防煙涂料時，它的Perms=0.3[23]，（涂料厚度是2mm），即防煙涂料的防煙性能比無貼箔防火棉要高20倍。Perms的單位是Grains/ (hr.×ft2 × inch-Hg), 國際單位是g/ (hr.× m2 × mm-Hg)：Grains: 美國用作重量單位；hr.:小時；ft:英尺；inch-Hg：英尺水銀柱高；g: 克；mm-Hg：mm水銀柱高。當(dāng)Perms<1時認(rèn)為具有較好的防煙效果。
