上海中心大厦的建筑高度632m,地下5层,地上127层,建筑面积57.6万m²,是一座垂直、绿色、智慧、人文社区。当前,我国建筑高度超过250m的建筑物数量还不多,400m以上的更是屈指可数,上海中心大厦此类建筑的消防安全设计和消防安全管理方面缺乏实践经验,现行《高层民用建筑设计防火规范》的相关内容明显不足。因此,依托上海中心大厦建设项目开展一系列消防安全关键技术研究是非常必要的,同时对于指导我国超限高层建筑的设计、建造、修复、运营管理等具有重要的现实意义。

　　 在上海市消防局、同济大学、上海市防灾救灾研究所、同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司的共同参与下,我们展开了建筑防火、消防疏散、供水可靠性等多方面的研究工作,并得到了上海市科委的大力支持。窗喷淋保护系统和压缩空气泡沫灭火系统是其中的两项研究内容,在国内400m以上建筑中尚无应用先例,下文简要介绍系统设计和研究成果。

　　 上海中心大厦为双幕墙形式(见图1),内外幕墙间形成3个月牙形独立空间,高度在60m左右,内外幕墙之间的距离变化很大,中间区域较大,约12m,两端较小,最窄处的距离小于2m。如果内幕墙不采取有效防火措施,一旦其遭到破坏,在烟囱效应的影响下,高温烟气和火焰将沿内幕墙外侧向上蔓延,因此,在当地消防部门的沪消函[2009]335号文中,提出了“中庭内幕墙整体应达到耐火极限不低于1.0小时,并提供国家级检测机构出具的检测报告”的要求。

　　 考虑火灾发生在办公区域,火灾规模参照上海市2006年版《建筑防排烟技术规程》中喷淋失效的办公场所,设定为6 MW快速t2发展火,假定最不利工况为办公区域的普通喷淋系统和机械排烟系统失效。FDS输入参数见文献[1]。

　　 模拟输出结果为:火源边缘距玻璃表面2m时,无窗喷淋保护的玻璃表面温度为60~200℃;火源边缘距玻璃表面1m时,无窗喷淋保护的玻璃表面温度为70~240℃;火源边缘距玻璃表面0.5m时,无窗喷淋保护的防火玻璃表面温度为190~330℃。据此可知,在无窗喷淋的保护的情况下,玻璃表面温度均超过钢化玻璃失效温度200℃,未超过防火玻璃失效温度500℃。

　　 综合考虑工程进度等因素,大厦最终确定内幕墙方案为3层及以下采用钢框+防火玻璃体系(中庭火灾影响,分析略),4层及以上部位采用窗喷淋+铝框+防火玻璃(内侧)+钢化玻璃(外侧)体系。窗喷淋保护系统供水接自大厦喷淋管网,采用独立的湿式报警阀组控制,闭式喷头(玻璃泡),K=80,动作温度68℃,每块玻璃单元居中布置1个喷头,Q=15.6L/s。

　　 2012年7月,经上海中心大厦建设发展公司委托,公安部天津消防研究所在江苏吴江试验基地进行了窗喷淋保护系统试验。试验采用大厦3块内幕墙1∶1尺寸玻璃板块,按照设计方案,安装喷淋系统,选用玻璃泡闭式专用窗式喷头,K=80,动作温度68℃,喷头居中布置,见图2。在做好烘炉等前期调试工作后,7月23日14时54分,试验开始,在很短时间内,炉内温度达到68℃,玻璃泡破裂,开始喷水,在水的冷却作用下,幕墙体系均处于中温状态,试验在17时54分结束,历时3h,内幕墙体系完整,完全达到设计要求,相关试验数据见图3(参考文献2,1#玻璃板块)。

　　 通过图3可以看出,标准控温曲线与实际炉温曲线吻合度极佳;由于喷水的保护作用,铝合金框架上的吸收热量被水迅速带走,框架迎火面所有测温点的温度均未超过80℃,框架的变形不明显,测量得到的应变值不大,在10^-10数量级范围内变化,防火玻璃迎火面的表面温度最高为107℃,据此得出结论:在保证供水的前提下,在3h的时间内,大厦选用的幕墙体系完好,即在保证供水的前提下,窗喷淋+铝框幕墙板块的防火分隔设计具有3h以上耐火极限,满足消防设计要求。

　　 在防火分隔措施上,当前常见的技术手段是采用防火墙或防火卷帘。随着建筑设计的个性化、建筑体量的扩大化、建筑功能的复合化,传统防火分隔型式无法满足防火功能与建筑美学的需要,窗喷淋+玻璃幕墙型式的出现,将为此带来新的想象空间。

　　 当前,水泵接合器的供水高度在100m左右,当更高部位发生火灾时,很难通过结合器系统获得有效支援。压缩空气泡沫灭火系统又称“一七”系统,是指一滴水通过泡沫灭火系统后变成七个泡,而每一个泡的灭火功效与一滴水的灭火功效相等,因而大大提高了灭火效用。同时,利用泡沫的密度远小于水的密度特性(约为水的1/6),可把泡沫输送到更高部位。2007年,上海市消防局在环球金融中心进行过有关测试,单台消防车供应压缩空气泡沫的高度可达300m左右,为大厦的消防灭火设计提供了新的思路。

　　 目前,压缩空气泡沫系统设计尚无任何规范可循,通过与消防局沟通,参照室内消火栓系统设计要求,大厦设计了2套独立的压缩空气泡沫系统(见图4),选用DN100不锈钢管,立管位于疏散楼梯间前室,每层设置双阀双栓消火栓。为尽快输送泡沫至着火楼层,立管竖向分为4个区,每个分区顶部设置信号电动阀,消控中心能实现远程控制阀门启、闭,分区顶部设自动排气装置。

　　 2015年4月,我们联合上海市消防局、上海市消防研究所进行压缩空气泡沫灭火系统测试,测试用车为德国施密茨OS-TLF,从室外消火栓取水,测试楼层为21层、51层、83层,21层和51层分别在3′40″、6′19″后喷出泡沫,有效射程分别为16m、10m,均取得满意效果,而81层的消火栓在16′内没有泡沫喷出,测试终止,部分数据见表2。

　　 设计压缩空气泡沫系统的初衷有3点,第一,利用泡沫轻的特性,通过水泵接合器可供至比供水更高的高度,保护更多范围;第二,利用压缩空气泡沫良好的灭火性能,有效控火、灭火,减少水渍损失;第三,利用泡沫系统的管路,通过手抬泵,进行接力供水,支援高区灭火。

　　 通过测试得知,在我国目前的消防装备基础上,单车可有效保护至240m甚至更高,虽然没有达到预期目标,但相比传统的供水系统,优势已非常明显。随着对压缩空气泡沫系统研究的深入,如管径大小对输液高度的影响,供水消防车与泡沫车串联的可能性,压力对泡沫液形成的影响等,该技术的应用将逐步完善,实现对大厦的全保护完全可能,届时,我国超限高层建筑的消防扑救队伍中,又将增添一把消防利器。

　　 据报道,国内规划建造的摩天大楼(500ft,152m以上)有470栋,10年后将达到1 318栋,成为世界上摩天大楼最多的国家。上海、北京、大连、南京、广州、深圳、苏州等地不断涌现出300m乃至600m以上的超限高层建筑,未来10年,中国将迎来超限高层建筑建造的高峰期。鉴于目前国家及地方有关规范内容的不足,开展超限高层建筑消防关键技术研究刻不容缓,现有的消防技术措施需不断完善,期待国内早日出现超限高层建筑专用防火规范。