随着城市建设的发展、城市化进程的加快、与国际化接轨的趋势,国内许多大中型城市出现了越来越多的大型化、中庭化、多功能化的商业及城市综合体建筑。此类建筑突破了传统的商业建筑模式,建筑空间体量巨大,使用功能众多,往往形成一个集百货、餐饮、娱乐、休闲等用途于一体的大型综合性商业建筑,大体量、大空间、通透性是其典型特征。对于此类建筑,传统防火分区所采用的防火墙已不能满足建筑专业所需要的通透或采光等方面的要求;采用防火分隔水幕进行防火分隔,按其所要求2L/(s·m)的喷水强度^[1]、大型商场内中庭、商业内街防火分区的边长来计算,用水量较大;采用防火卷帘进行防火分隔,对于大型商场中所需要的防火跨度较大的防火卷帘在使用过程中易产生扭曲变形,不能正常升降^[2],同时大量火灾案例表明,防火卷帘的可靠性较低,在火灾时通常不能发挥有效的作用^[3,4]。目前许多大型商场对于中庭、商业内街的防火分隔,通常结合性能化消防设计,采用自动喷水冷却系统保护的防火玻璃作为防火分隔的方式^[5,6]。

　　 对于防火玻璃的分类^[7],按耐火性能分为A、C两类,新版的国家标准取消了B类防火玻璃,其中A类为隔热型防火玻璃,需要同时满足耐火完整性和耐火隔热性要求,C类为非隔热型防火玻璃,仅满足耐火完整性要求;按耐火极限分为5个等级:0.5h、1.0h、1.5h、2.0h、3.0h;按结构形式分为复合防火玻璃和单片防火玻璃。

　　 复合防火玻璃是由两层或两层以上普通玻璃复合或者由一层普通玻璃和有机材料复合而成^[8],单片防火玻璃由单层玻璃构成,两者均为应满足相应耐火等级要求的特种玻璃。在建筑工程中常用的复合防火玻璃又可以分为夹层复合防火玻璃、夹丝网复合防火玻璃和中空防火玻璃等类型,单片防火玻璃又可以分为夹丝(网)单片防火玻璃、单片高强度防火玻璃、特种成分防火玻璃和单片镀膜防火玻璃等类型。单片高强度防火玻璃在老化性能、可见光透射率、强度、深度加工性能、安装难易、安全性能等方面均优于复合防火玻璃,较适宜在大型商业建筑中使用。

　　 单片高强度防火玻璃主要有高强度单片铯钾防火玻璃(以下均用“防火玻璃”代替“高强度单片铯钾防火玻璃”),它是采用物理与化学方法对普通玻璃进行处理,提高玻璃表面的压应力,改善玻璃的抗热冲击性能,达到阻止火焰穿透和火灾传播的目的,但其缺点是不具备隔热性、防热辐射性,只能达到C类防火玻璃的耐火性能。

　　 钢化玻璃是一种预应力玻璃,为提高玻璃的强度,通常使用化学或物理的方法,在平板玻璃表面形成压应力,玻璃承受外力时首先抵消表层压应力,从而提高了承载能力,增强玻璃自身的抗风压性、耐候性、冲击性等。钢化玻璃主要有两个优点,一是强度较之普通玻璃提高数倍;二是使用安全,承载能力增大,改善了普通玻璃的易碎性质,即使破坏也呈无锐角的小碎片,对人体的伤害极大降低。

　　 防火玻璃其实也是一种钢化玻璃,与普通钢化玻璃相比,它采用了物理与化学相结合的方法及更高的工艺要求,在保持其优点的基础上,进一步提高了玻璃的表面压应力。理论和实践都证明,表面压应力越大,强度就越大,抵抗热应力的能力也越大,防火能力也越强。钢化玻璃的表面压应力一般为70~180 MPa,达不到防火玻璃的耐火性能所要求的大于300 MPa的表面压应力。换个角度说,钢化玻璃只是一种安全玻璃,但在高温作用下,没有及时冷却保护的钢化玻璃会破碎,不能阻止火焰的穿透和火灾的传播,不具备防火玻璃的性能,而高强度单片铯钾防火玻璃在1 000℃高温下耐火时间为84~184min;相关试验表明^[9],对于设置自动喷水冷却系统的钢化玻璃隔断,在冷却系统滞后2 min启动后,对受火源热作用局部温度达到200℃以上、并产生一定变形的钢化玻璃进行喷水保护,造成玻璃表面与冷却水之间温差较大,从而迅速冷脆炸裂,失去完整性,不能满足耐火完整性要求。防火玻璃同样存在火灾时遭受高温影响遇水会爆裂的缺陷,但其表面压应力较大,强度就较大,抵抗热应力的能力也较大。钢化玻璃在日常的温差变化大时有自爆的可能性,因此工程设计中,为保证防火分隔的安全,不宜用单片的钢化玻璃来替代防火玻璃。

　　 作为建筑工程中不同位置的防火分隔,需要满足消防规范所要求的相应的耐火极限。虽新版防火玻璃的国家标准规定了5个等级的耐火极限,最大为3.0h,从名义上已能满足现有消防规范对耐火极限所规定的最高标准,但按照防火玻璃耐火性能的检测要求^[10],试样受火尺寸应选择实际工程使用的最大尺寸,试验时所使用的固定框架和安装方式应与实际工程配套使用的相同;同时防火玻璃耐火极限的测试结果依尺寸的不同而异,在相同的检测标准下,大尺寸防火玻璃的耐火完整性时间要远低于小尺寸的耐火完整性^[11]。目前工程的设计阶段,受多种条件的制约,如不能完全确定建筑内用作防火分隔防火玻璃的最大尺寸、选用的材料等,不具备确认建筑内所采用的防火玻璃耐火性能的条件,需要采用有效的措施,以确保所用于建筑内不同位置的防火玻璃符合消防规范所要求的耐火极限。

　　 大型商业建筑中普遍使用的单片高强度防火玻璃仅满足C类防火玻璃耐火完整性要求,不具备隔热、防热辐射功能,火灾时会使其背火面区域内可燃物引燃、逃生或救援人员遭受高温热量的侵害和热辐射的灼伤,同样有必要采取措施来阻止火灾时热的传递与辐射。

　　 相关的消防性能化设计及试验研究均表明^[12,13],在水的冷却作用下,可以吸收热辐射并带走大量的热量、降低防火玻璃表面温度、调节防火玻璃表面温差、延长防火玻璃达到软化状态的时间。在某商业建筑的设计中,消防研究单位对C类防火玻璃进行了在喷水保护下的3h耐火性能试验^[6],试验结果显示,防火玻璃上所有测温点均不超过140 ℃,玻璃未出现穿孔、崩裂等破坏现象。喷水冷却保护作为防火玻璃用作防火分隔必要的有效辅助手段,达到了隔热、防热辐射、耐火极限内耐火完整性要求的目的。

　　 对于防火玻璃的喷水冷却,可以采用开式系统或闭式系统,开式系统即采用水幕喷头的防护冷却水幕系统,闭式系统即采用闭式洒水喷头的湿式自动喷水冷却系统。对于每套独立的防护冷却水幕系统,如果保护距离较长,靠近防火玻璃的着火点距首端或末端较远,虽火灾不至于沿着整个保护距离蔓延,但在火灾报警信号的作用下,防护冷却水幕系统会全部动作,对防护区内防火分隔周围非着火区域的物品造成浸泡危害、水渍损失。另外开式系统管道充水存在一定的喷水延时,不能在火灾初期弥补单片高强度防火玻璃不具备隔热、防热辐射功能的不足。对于开式系统的上述缺陷,闭式系统可以避免,在正常工作状态下,闭式系统的喷头只在着火处打开,同时相关试验表明^[9],闭式系统的喷头可在100s内启动对玻璃进行冷却保护,控制玻璃温度升高,保证玻璃的完整性。因此对于防火玻璃的冷却系统宜优先选用闭式的湿式自动喷水系统。

　　 防火玻璃冷却系统的持续喷水时间应不小于消防规范所要求的耐火时间。对于持续喷水时间,有观点认为,如防火玻璃有一定的耐火时间,其冷却系统的作用时间可以用规范所要求的耐火时间扣除其本身的耐火时间来计算。参照国内主要消防规范对防火卷帘冷却系统的要求^[14,15],此观点不符合 “其火灾延续时间不应小于3.0h”的规定,规定中的火灾延续时间与防火卷帘作为防火分区分隔所需要的耐火时间相一致,并未考虑普通防火卷帘本身的耐火时间。此外,对于经受一定耐火时间的防火玻璃进行喷水保护,造成玻璃表面与冷却水之间温差较大,从而迅速冷脆炸裂,失去完整性,不能满足耐火完整性的要求。

　　 对于防火玻璃冷却系统与建筑本身的自动喷水灭火系统是合用供水系统还是相互独立,主要取决于两者所需要的持续喷水时间,在喷水时间一致的前提下,可以合用供水系统,系统的流量为相互叠加,报警阀各自独立;在不一致的条件下,应设置各自独立的供水系统,不然系统的供水时间需按较大值取值,总的供水量相应增加,加大了消防水池的有效容积。

　　 对于自动喷水冷却系统所保护的防火玻璃的高度,UL认证的窗玻璃喷头保护的最大高度为3.96m,国内的实体火灾试验所采用的最大高度为4m,取得了较好的试验效果^[18]。在目前暂没有新的试验数据前,实际工程设计中采用的防火玻璃的高度不宜超过4m,并符合相应耐火极限的产品要求;同时由于防火玻璃的耐火性能与其平面尺寸、固定框架的结构及安装方式有较大的关联性,其设计高度及固定框架是否符合要求需得到实际耐火性能试验的确认。

　　 在火灾初期,防火玻璃与防火卷帘都具有一定的耐火完整性,对于防火玻璃的冷却系统来说,主要的作用是吸收火灾时的热量,喷水强度可以采用防火卷帘防护冷却水幕系统的设计参数,对于高度不超过4m的玻璃构件,喷水强度不小于0.5L/(s·m),最不利点喷头的压力在计算的基础上不小于0.1 MPa。试验表明^[6,15],在采用合适喷头的情况下,上述数据能满足防火玻璃3h的耐火极限。

　　 对于闭式自动喷水冷却系统的流量,存在一定的争议,主要是在规定的火灾延续时间内,喷头动作的数量随着火势的增大而增加,但具体的数据不能确定。对于自动喷水灭火系统,规范有作用面积的规定,而对防火卷帘、防火玻璃的自动喷水冷却系统缺乏相关规定,如与作用面积相类似的作用长度的规定。虽然美国 《自动喷水灭火系统安装标准 》(NFPA-13,2007年版)第11.2.3.4.2条规定^[2],当系统的保护范围为单排喷头时,设计面积应包括配水支管上最多7个喷头。7个喷头的数量对于国内消防规范所规定的不同条件下面积为2 000~5 000m²的防火分区来说显然偏小。在实际工程中通常采用偏安全的计算方法,以各防火分区内所需保护长度的最大值及喷水强度来确定系统流量。如同一防火分区的防火玻璃两侧可燃物较多,均需布置冷却喷头,其计算长度应为2倍的实际长度,如属于不同防火分区的防火玻璃两侧均布置冷却喷头,考虑到在冷却阻止热量传递的情况下,两侧喷头不会同时动作,计算长度应为实际长度,仅需计算一侧的用水量。

　　 试验表明^[16],边墙式喷头、窗玻璃喷头、高压细水雾喷头均能实现对玻璃的喷水冷却保护,窗玻璃喷头的保护效果最好,形成的水帘面均匀且能完全覆盖整块玻璃;边墙型喷头保护下玻璃的上边缘左右两侧角落存在一定区域的保护盲区。对于高压细水雾喷头,有文献指出^[17],高压细水雾系统在高效的冷却效果和三维空间的喷雾方式上有较大的优势,对于防火玻璃是一种理想的保护措施。在实际试验中^[16],由于高压细水雾的雾化作用较大,试验过程中房间内很快充满雾滴,室内能见度下降较快,对于火灾情况下的人员疏散会造成较为不利的影响。因此对于自动喷水冷却系统的喷头宜优先选用窗玻璃喷头,此喷头特殊设计的喷头溅水板,使布水曲线较标准喷头更平缓,可以最大限度地将水喷向防火玻璃,形成完全均匀的水膜,使防火玻璃得到冷却降温,同时此喷头配备直径3 mm的玻璃泡作为感温元件,动作温度为68 ℃,具有快速响应的热敏能力,可以避免因冷却系统的延时启动防火玻璃冷脆炸裂的情况。

　　 对于窗玻璃喷头的竖向布置,参照边墙型喷头的安装要求^[1],喷头应安装在吊顶下方,溅水盘与吊顶的距离不小于150 mm,不大于300 mm,且不低于玻璃上檐;在平面布置上,参照防火卷帘冷却系统喷头的安装要求^[15]及 《自动喷水灭火系统安装标准》(NFPA-13,2007年版)的规定,喷头间距可控制在2.0~2.4 m,喷头至防火玻璃的距离控制在0.3~0.5m范围内。在玻璃两侧有火灾同时起火时,应在玻璃两侧设置窗玻璃喷头,若仅有一侧可能发生火灾,则仅在这一侧设置喷头。

　　 大型商业建筑设计中用作建筑内防火分隔的单片高强度防火玻璃有必要设置冷却系统,此系统宜优先选用闭式的湿式自动喷水冷却系统,持续喷水时间不小于作为防火构件所对应的规范要求的耐火时间,同时对于防火玻璃的冷却系统与建筑本身的自动喷水灭火系统是合用供水系统还是相互独立,主要取决于两者所需要的持续喷水时间。

　　 湿式自动喷水冷却系统所保护的防火玻璃的最大高度不宜超过4m,最终所确定的设计高度、固定框架的结构与安装方式均须得到实际耐火性能试验的确认;系统的喷水强度不应小于0.5L/(s·m),喷头的压力不应小于0.1 MPa,系统的流量以所需保护的防火玻璃的计算长度来确定,系统内的喷头宜优先选用窗玻璃喷头,平面布置时喷头的间距可控制在2.0~2.4 m,喷头至防火玻璃的距离控制在0.3~0.5m范围内。

　　 防火玻璃用作防火分隔在公共建筑中的应用会越来越普遍,目前没有相关的设计规范作为设计依据,需要通过消防性能化设计来进行论证,建议有关部门参考目前已建成的相关项目的运行经验及试验结论,在修订相关的消防规范时增加有关防火玻璃自动喷水冷却系统的内容。