雙層通風(fēng)幕墻的基本特征是雙層幕墻和空氣流動、交換，所以這種幕墻被稱為雙層通風(fēng)幕墻。雙層通風(fēng)幕墻對提高幕墻的保溫、隔熱、隔聲功能起到很大的作用。

　　它分為封閉式內(nèi)通風(fēng)幕墻和開敞式外通風(fēng)幕墻。第一種幕墻適用于取暖地區(qū)，對設(shè)備有較高的要求。外幕墻密閉，通常采用中空玻璃，明框幕墻的鋁型材應(yīng)采用斷熱鋁型材；內(nèi)幕墻則采用單層玻璃幕墻或單層鋁門窗。為了提高節(jié)能效果，通道內(nèi)設(shè)電動百頁或電動卷簾。第二種與內(nèi)通風(fēng)幕墻相反，開敞式外通風(fēng)幕墻的內(nèi)幕墻是封閉的，采用中空玻璃；外幕墻采用單層玻璃，設(shè)有進(jìn)風(fēng)口和排風(fēng)口，利用室外新風(fēng)進(jìn)入，經(jīng)過熱通道帶走熱量，從上部排風(fēng)口排出，減少太陽幅射熱的影響，節(jié)約能源。它無須專用機(jī)械設(shè)備，完全靠自然通風(fēng)，維護(hù)和運(yùn)行費(fèi)用低，是目前應(yīng)用最廣泛的形式。開敞式外通風(fēng)幕墻的風(fēng)口可以開啟和關(guān)閉。

　　采用雙層通風(fēng)幕墻的最直接效果是節(jié)能，采用雙層幕墻的隔音效果十分顯著，它比單層幕墻采暖節(jié)能40%-50%，制冷節(jié)能40%-60%。

　　雙層幕墻技術(shù)較復(fù)雜，又多了一道外幕墻，造價較高。此外，由于建筑面積由外墻皮開始計算，建筑面積要損失2.5%-3.5%，開發(fā)商比較注意這一經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

　　雙層通風(fēng)幕墻的實(shí)際應(yīng)用工程：法蘭克福商業(yè)銀行；華沙Focus Filtrowa大廈；德國海德堡印刷公司辦公樓；柏林東火車站；柏林汽車俱樂部；德國達(dá)姆斯塔特銀行辦公樓；德國法蘭克福安聯(lián)保險公司大廈。


　　雙層幕墻火災(zāi)特性 計算流體力學(xué)分析
　　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，正被越來越多的國內(nèi)外建筑所采用。雙幕墻是一項新穎的技術(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，為方便內(nèi)層幕墻的清潔和維修，在夾層中靠近內(nèi)幕墻一側(cè)往往設(shè)置維修走道，而目前國內(nèi)沒有專門針對它的消防要求。那么，采用雙幕墻的建筑在發(fā)生火災(zāi)時，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)計師所關(guān)心的問題。本文依據(jù)計算流體力學(xué)分析軟件，對開放辦公室火災(zāi)發(fā)生時火焰和煙氣蔓延的特點(diǎn)進(jìn)行模擬分析，并對雙幕墻建筑的消防要求提出初步設(shè)想和建議。


　　一、計算流體力學(xué)分析方法和模擬軟件
　　利用計算流體力學(xué)分析來模擬火災(zāi)的發(fā)展過程又稱為"場模擬"。它利用計算機(jī)求解火災(zāi)過程中狀態(tài)參數(shù)的空間分布及隨時間變化來定量模擬火災(zāi)的發(fā)展過程。所謂"場"是指速度、溫度和化學(xué)組分的濃度等空間分布。場模擬的理論依據(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)上可以抽象成一個基本方程組。通過求解這個方程組，就可以定性、定量地描述火災(zāi)的發(fā)展過程了。場模擬的理論基礎(chǔ)十分豐富，數(shù)值方法也各具特色，有關(guān)場模擬的專著也很多。場模擬的優(yōu)勢在于可以計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，同時便于采用動畫的方式將計算結(jié)果和火災(zāi)的發(fā)展過程變成可視化圖象。


　　二、計算流體力學(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比試驗(yàn)而假定的一條建筑內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時溫度隨時間變化的溫度曲線，它最早在1918年就被美國試驗(yàn)與材料協(xié)會（ASTM）標(biāo)準(zhǔn)采用。由于在火災(zāi)的增長期（從起火到轟燃）起火室溫度較低，對建筑構(gòu)件的影響并不大。同時，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)中一種較危險的場景，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)的增長期破碎，因此這一時間段的溫度變化對研究玻璃幕墻的火災(zāi)特性至關(guān)重要。在雙幕墻火災(zāi)特性計算機(jī)模擬中起火室內(nèi)溫度隨時間的變化由計算機(jī)火災(zāi)模型計算得到。火災(zāi)模型通過求解動量、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)的熱物理特性對火災(zāi)中的溫度的影響。火災(zāi)模型計算時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時呈貼近外幕墻的趨勢，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火災(zāi)特性的影響
　　內(nèi)外幕墻之間的間距大小對火災(zāi)特性也有較大的影響。內(nèi)外幕墻間距縮小時，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在更短的時間內(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間距較大情況將減小。

　　內(nèi)外幕墻之間的間距較大時，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間差和間距小的相比會更長。同時，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，在外幕墻破裂前內(nèi)外幕墻夾層內(nèi)溫度較高，因此外幕墻會很快破碎；內(nèi)外幕墻間距較大時，夾層內(nèi)溫度較低，經(jīng)過較長時間外幕墻會破裂。


　　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。本文的目的是對提高窗檻墻的高度和火災(zāi)場學(xué)進(jìn)行計算流體力學(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)外幕墻上升的流動情況兩種窗檻墻高度的場景相似。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，內(nèi)幕墻破裂后約8秒外幕墻破裂。將兩個參考點(diǎn)的溫度進(jìn)行比對，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，而且此時內(nèi)外幕墻已全部破裂脫落，這種情況不在本文的考慮之|考試大|中。本文的模擬計算，均是針對幕墻附近起火，發(fā)生局部火勢擴(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)流動的趨勢，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，此時只有少量煙氣進(jìn)入內(nèi)外幕墻之間的夾層，對起火層以上各層內(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。

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