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一级结构基础辅导之双层幕墙

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【摘要】:
双层通风幕墙的基本特征是双层幕墙和空气流动、交换,所以这种幕墙被称为双层通风幕墙。双层通风幕墙对提高幕墙的保温、隔热、隔声功能起到很大的作用。 它分为封闭式内通风幕墙和开敞式外通风幕墙。第一种幕墙适用于取暖地区,对设备有较高的要求。外幕墙密闭,通常采用中空玻璃,明框幕墙的铝型材应采用断热铝型材;内幕墙则采用单层玻璃幕墙或单层铝门窗。为了提高节能效果,通道内设电动百页或电动卷帘。第二种与内通风幕墙相
        双层通风幕墙的基本特征是双层幕墙和空气流动、交换,所以这种幕墙被称为双层通风幕墙。双层通风幕墙对提高幕墙的保温、隔热、隔声功能起到很大的作用。
        它分为封闭式内通风幕墙和开敞式外通风幕墙。第一种幕墙适用于取暖地区,对设备有较高的要求。外幕墙密闭,通常采用中空玻璃,明框幕墙的铝型材应采用断热铝型材;内幕墙则采用单层玻璃幕墙或单层铝门窗。为了提高节能效果,通道内设电动百页或电动卷帘。第二种与内通风幕墙相反,开敞式外通风幕墙的内幕墙是封闭的,采用中空玻璃;外幕墙采用单层玻璃,设有进风口和排风口,利用室外新风进入,经过热通道带走热量,从上部排风口排出,减少太阳幅射热的影响,节约能源。它无须专用机械设备,完全靠自然通风,维护和运行费用低,是目前应用最广泛的形式。开敞式外通风幕墙的风口可以开启和关闭。
        采用双层通风幕墙的最直接效果是节能,采用双层幕墙的隔音效果十分显著,它比单层幕墙采暖节能40%-50%,制冷节能40%-60%。
        双层幕墙技术较复杂,又多了一道外幕墙,造价较高。此外,由于建筑面积由外墙皮开始计算,建筑面积要损失2.5%-3.5%,开发商比较注意这一经济指标。
        双层通风幕墙的实际应用工程:法兰克福商业银行;华沙Focus Filtrowa大厦;德国海德堡印刷公司办公楼;柏林东火车站;柏林汽车俱乐部;德国达姆斯塔特银行办公楼;德国法兰克福安联保险公司大厦。
        双层幕墙火灾特性 计算流体力学分析
        双层幕墙由于其玲珑剔透的美感、节能环保的特性以及高档的建筑品味,正被越来越多的国内外建筑所采用。双幕墙是一项新颖的技术,其内幕墙为双层中空玻璃,外幕墙为单层玻璃,内外幕墙之间的夹层往往贯穿数个楼层,其上、下两端和大气相通形成自下而上的自然通风,同时,为方便内层幕墙的清洁和维修,在夹层中靠近内幕墙一侧往往设置维修走道,而目前国内没有专门针对它的消防要求。那么,采用双幕墙的建筑在发生火灾时,火焰和烟气蔓延上有何特点?需要采取哪些消防措施?这些都是消防部门、业主和建筑设计师所关心的问题。本文依据计算流体力学分析软件,对开放办公室火灾发生时火焰和烟气蔓延的特点进行模拟分析,并对双幕墙建筑的消防要求提出初步设想和建议。
        一、计算流体力学分析方法和模拟软件
        利用计算流体力学分析来模拟火灾的发展过程又称为"场模拟"。它利用计算机求解火灾过程中状态参数的空间分布及随时间变化来定量模拟火灾的发展过程。所谓"场"是指速度、温度和化学组分的浓度等空间分布。场模拟的理论依据是自然界普遍成立的质量守恒(连续方程)、动量方程、能量守恒方程以及化学反应定律等。火灾过程中状态参数的变化也遵循着这些规律。这些定律在数学上可以抽象成一个基本方程组。通过求解这个方程组,就可以定性、定量地描述火灾的发展过程了。场模拟的理论基础十分丰富,数值方法也各具特色,有关场模拟的专著也很多。场模拟的优势在于可以计算求解火和烟气在具有复杂结构的建筑中的温度、速度和组分浓度分布,同时便于采用动画的方式将计算结果和火灾的发展过程变成可视化图象。
        二、计算流体力学(CFD)模拟中采用的热释放速率曲线和耐火构件试验中采用的标准升温曲线
        实际火灾的发展过程可划分为增长期、充分发展期和衰减期,热释放速率和温度的变化都呈现这一规律。在火灾的增长期内(从起火到轰燃)起火室温度变化剧烈,进入充分发展期后,起火室内温度很高但变化较平缓。
        耐火构件试验中采用的标准升温曲线是为进行建筑耐火性研究和耐火性能对比试验而假定的一条建筑内发生火灾时温度随时间变化的温度曲线,它最早在1918年就被美国试验与材料协会(ASTM)标准采用。由于在火灾的增长期(从起火到轰燃)起火室温度较低,对建筑构件的影响并不大。同时,标准升温曲线并不随特定建筑的形状大小、通风和围护结构热物理性能变化而变化,因此只能代表室内火灾中一种较危险的场景,而并不是真实火灾的代表。
        本文分析的起火室的玻璃或幕墙属于非耐火构件,以往的经验和试验研究表明,由于它们耐高温性能较差,通常在火灾的增长期破碎,因此这一时间段的温度变化对研究玻璃幕墙的火灾特性至关重要。在双幕墙火灾特性计算机模拟中起火室内温度随时间的变化由计算机火灾模型计算得到。火灾模型通过求解动量、质量、能量守恒方程得到温度在所模拟的空间中的分布。求解过程中考虑了不同建筑内的形状、大小、通风条件和围护结构的热物理特性对火灾中的温度的影响。火灾模型计算时需要输入热释放速率作为火源输入条件。在本文中,拟合火源热释放速率曲线时以权威研究机构的试验结果为基础,并考虑了开放办公空间内可燃物的物质、火灾荷载和摆放方式。
        三、幕墙采用的双层玻璃和单层玻璃的破碎条件
        在计算机模拟中玻璃破碎临界温度双层玻璃取为600℃,单层玻璃取为300℃是在分析国外研究机构的试验结果基础上作的假定。
        另一方面起火层内幕墙破裂后,火焰和烟气形成的热气流在内外幕墙之间的夹层中向上流动时呈贴近外幕墙的趋势,起火层以上的外幕墙侧的温度较高,内幕墙侧的温度较低,且对于间距为0.8米和2.4米的情况都有类似现象。因此,即使内外幕墙采用相同耐火特性的玻璃材料,起火层内幕墙玻璃破裂后,同层或上层的外幕墙比上层的内幕墙承受了更高的温度,将会先于上层内幕墙而破裂。其现象与本文中的模拟结果相似。
        四、内外幕墙之间的间距对火灾特性的影响
        内外幕墙之间的间距大小对火灾特性也有较大的影响。内外幕墙间距缩小时,起火室内幕墙破裂后,受火焰和热气流直接冲击的外幕墙会在更短的时间内破碎。由于夹层空间狭小,热气流在夹层中升得更快,内外幕墙附近的温度差别相对间距较大情况将减小。
        内外幕墙之间的间距较大时,热气流上升需一段距离才能达到外幕墙,在此过程中热气流卷吸更多空气,温度下降较快。从起火室内幕墙破裂到外幕墙破裂的时间差和间距小的相比会更长。同时,由于内外幕墙间距大,上升的热气流在热烟压的作用下偏离内幕墙外侧喷出,在上升过程中并不贴近内幕墙外侧,因此内幕墙距热气流的高温较远。
        综上所述,内外幕墙间距小时,在外幕墙破裂前内外幕墙夹层内温度较高,因此外幕墙会很快破碎;内外幕墙间距较大时,夹层内温度较低,经过较长时间外幕墙会破裂。
        五、窗槛墙和挑檐的作用
        在高层玻璃幕墙建筑中,采用一定高度的窗槛墙和具有一定耐火极限的水平挑檐是防止火焰和烟气在层与层之间蔓延的通常采用办法。《高层民用建筑设计防火规范》中要求采用玻璃幕墙的高层建筑应设置窗槛墙或不低于0.8m的不燃烧体裙墙。但是近年来,一些实验和数值模拟表明,挑檐的作用优于窗槛墙。本文的目的是对提高窗槛墙的高度和火灾场学进行计算流体力学模拟,并将模拟结果分别和当前双幕墙设计的模拟结果进行比较,确定其防火效果是否得到改善。
        将窗槛墙提高到1.2米的场景模拟结果表明,虽然窗槛墙高度提高了,但内外幕墙之间的间距及夹层的形状未改变,内幕墙破裂后热气流在内外幕墙上升的流动情况两种窗槛墙高度的场景相似。随着火灾的发展,起火室内温度不断升高,当内幕墙达到破裂临界温度时破裂脱落,火和烟气冲出,通过内幕墙之间的夹层上升顶部排出。上升热气流贴近外幕墙流动,内幕墙破裂后约8秒外幕墙破裂。将两个参考点的温度进行比对,其差别不大,可见提高窗槛的效果并不明显。
        设置挑檐的场景模拟结果可以看出,由于设置了和维修走道同宽的挑檐,起火层喷出的火焰和烟气需通过挑檐前端和外幕墙形成的狭窄通道向上蔓延,形成更加贴近外幕墙的扁平热气流层。起火层的上一楼层窗槛墙上缘在外幕墙破裂之前承受的最高温度为221℃。温度比没有挑檐时降低了约100℃。挑檐起到了将火焰和烟气推离内幕墙的效果。
        六、总结与讨论
        一些火灾案例或火灾录像表明,当建筑中发生大面积火灾蔓延或全面轰燃,从破裂的窗户或幕墙洞口喷出的火焰可达数个楼层高,一般的防止火焰从建筑外部垂直蔓延的措施已失效,而且此时内外幕墙已全部破裂脱落,这种情况不在本文的考虑之|考试大|中。本文的模拟计算,均是针对幕墙附近起火,发生局部火势扩大或轰燃的情况,进行模拟探讨双幕墙的防火措施。现将模拟分析结果总结如下:
        1.双幕墙建筑火灾特性表明,随着火灾的发展和热释放速率的增高,火焰的高度和起火室温度也不断增高,内幕墙爆裂脱落后,火焰和烟气涌入内外幕墙之间的夹层,高温气流呈贴近外幕墙内侧流动的趋势,最终上升到顶层排出。这一过程中,火灾有向其它楼层蔓延的可能。外幕墙破裂后,火焰和烟气在高温气体产生的热压作用下喷出外墙,此时只有少量烟气进入内外幕墙之间的夹层,对起火层以上各层内幕墙的影响将大为减少,内幕墙附近的气流温度明显下降。
        2.内、外幕墙之间的间距越大,火焰和烟气对起火层以上各层的影响越小。
        3.增加窗槛墙的高度不能起到更好的防火效果。
        4.设置和维修走道同宽的挑檐虽然会影响正常情况下夹层内的自然通风效果和建筑立面的美观,但在一定程度上起到将火焰和热气流推离内幕墙的作用。
 
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