1 前言
建筑防火是建筑安全设计中一个十分重要的项目,建筑防火分区的要求往往使建筑师在建筑美学与建筑防火上进退两难,然而玻璃作为现代建筑的时尚,它所具有的通透性和华丽的效果,使得防火玻璃成为现代建筑师们乐于追逐的目标,用防火玻璃作为防火分隔材料的优势不仅在于提升了建筑美感和采光效果,而且要比传统的墙体轻,可提高建筑物的有效使用面积,便于施工。GB15763.1 《建筑用安全玻璃防火玻璃》标准颁布实施以来, 单片防火玻璃逐渐被人们认识和接受,与此同时, 系统防火的理念逐步得到树立, 防火玻璃系统技术得到发展, 并已成功应用于国内大型公共建筑幕墙、防火分区、室外幕墙及门窗等建筑部位。
2 防火玻璃系统技术
从技术角度讲,在发达国家,玻璃防火被看作为一个系统,要求防火玻璃与框架系统都具有防火功能。我国则存在认识上的误区,往往只注重玻璃本身的防火,这也导致我国防火玻璃整体配套水平与发达国家存在一定差距。性能再优异的防火玻璃,如果没有与之相匹配的防火框架和防火密封材料（词条“密封材料”由行业大百科提供）, 就不是完整的防火玻璃系统;反之亦然, 它们之间相辅相成。GB 15763.1一2001《建筑用安全玻璃防火玻璃》第l号修改单就明确规定防火玻璃测试时试样应镶在与实际工程配套使用的框架系统内,即是强调了不同防火玻璃系统间的耐火性能差异性,这也间接催生了防火玻璃系统技术在我国的发展和逐步走向成熟。
2.1防火玻璃的防火特性及应用现状
按耐火性能,防火玻璃可分为隔热型防火玻璃和非隔热型防火玻璃。隔热型防火玻璃是耐火性能同时满足耐火完整性和耐火隔热性(标准耐火试验中如背火面平均温度超过初始温度140 ℃或背火面最高温度超过该点初始温度180 ℃,则认为试件失去隔热性)的防火玻璃,即A 类防火玻璃`非隔热型防火玻璃是耐火性能仅能满足耐火完整性要求的防火玻璃,即C 类防火玻璃。
根据GB15763.1一2009( 建筑用安全玻璃第l部分:防火玻璃》的规定, A类、C类防火玻璃的耐火极限分为0.5h、1.0h、1.5h、2.0h、3.0h五个等级。防火玻璃在进行耐火性能试验时应采用明火加热,使试件受到与实际火灾相似的火焰作用。试验炉炉内温度随时间而变化,其变化规律应满足函数关系：
T-T0= 345 lg(8t+1)
式中：
T—升温到t时刻的平均炉温，℃;
T0—炉内的初始温度,应在5 ℃-40 ℃范围之内;
t—试验所经历的时间，min 。
需要指出的是, 当防火玻璃用于挡烟垂壁时, 主要受热烟气影响, 其耐火性能要求与标准耐火试验有一定区别, 一般要求按GB/T9978一2008《建筑构件耐火试验方法》规定的升温条件升温至620℃, 并在620 ℃±20℃温度条件下保持30min时,防火玻璃挡烟垂壁应保持完整性不破坏。
按结构, 防火玻璃可分为复合防火玻璃和单片防火玻璃。目前国内单片防火玻璃主要有两种技术路线：采用综合增强处理的高强度单片防火玻璃和特种防火玻璃(以硼硅酸盐防火玻璃为主) 。复合防火玻璃是在两片玻璃之间凝聚一种透明而具有阻燃性能的凝胶（词条“凝胶”由行业大百科提供）,这种凝胶遇到高温时发生吸热分解反应,变为不透明,有阻隔火焰的作用。复合防火玻璃的生产方法分为夹层法和灌浆法两种,其优点是隔热,缺点是不能直接用于外墙,难于深加工,长期紫外线照射下易起泡、发黄甚至失透。与复合防火玻璃相比,单片防火玻璃的优点是耐候性好、强度高、易于深加工及安装便捷等,但不隔热。单片防火玻璃和复合防火玻璃因性能上的差异在建筑应用上属互补关系。
硼硅酸盐玻璃具有良好的化学稳定性,较高的软化点（词条“软化点”由行业大百科提供）(约850℃左右) ,较低的热膨胀系数,可用作耐热和防火玻璃,使用这种玻璃作为防火玻璃一般厚度为6mm-8mm为宜,在国外一些发达国家中使用较为广泛。但硼硅酸盐防火玻璃由于熔制温度很高、成形温度高、熔制时硼挥发、易产生硼硅分相等问题以及熔窑耐火材料侵蚀速度快等技术难点,技术门槛及成本非常高。
除硼硅酸盐防火玻璃外,特种防火玻璃还包括铝硅酸盐防火玻璃、微晶防火玻璃及软化温度高于800 ℃以上的钠钙料优质浮法玻璃（词条“浮法玻璃”由行业大百科提供）等。其共同特点是:玻璃软化点较高,一般均在80℃以上,热膨胀系数（词条“膨胀系数”由行业大百科提供）低,在强火焰下一般不会因高温而炸裂或变形,尤其是微晶防火玻璃,除具有上述特点外,还具有机械强度高、抗折、抗压强度高及良好的化学稳定性和物理力学性能（词条“力学性能”由行业大百科提供）。但特种材料的防火玻璃(硼、铝硅酸盐防火玻璃,微晶防火玻璃)价格较高,市场较难接受, 目前我国单片防火玻璃技术基本采用平板玻璃物理或化学增强技术来提高玻璃的强度,使玻璃能够承受急热(或急冷)时产生的应力,从而具有防火的功能。
高强度单片防火玻璃的耐火机理是通过提高钠钙硅玻璃强度,来抗衡热应力进而避免玻璃表面微裂纹扩展造成的破裂。火灾时玻璃受热膨胀,玻璃整体发生弯曲变形,玻璃受火面的微裂纹受到热应力作用, 逐渐扩展造成玻璃破裂;单片防火玻璃强度极高, 比普通钢化玻璃有更大的预应力,改善了玻璃的抗热应力性能,当玻璃受热膨胀,其表面的高预应力就会抵消产生的热应力, 使微裂纹不再扩展致玻璃破裂,从而保证在火焰冲击下或高温下的耐火性能。当玻璃整体受到的热量大于背火面散失的热量时,玻璃整体温度逐渐升高,沿高度方向,从受火面开始逐渐进人软化区,直到玻璃背火面的粘度不足以支撑玻璃本身的重量时,玻璃整体(或局部)坍塌而失去完整性。
尽管与传统的防火玻璃(如灌浆、复合防火玻璃)相比、单片防火玻璃有其无可比拟的优越性, 但在发生火灾时, 由于单片防火玻璃不隔热, 其热辐射对防火分区外的可燃、易燃物以及人的安全通过会产生影响,如何使单片防火玻璃在具备通透的外观、保证良好耐火性能的同时具备隔热性成为设计师关注的焦点。研究表明,通过对单片防火玻璃隔断施加自动喷淋保护系统可以解决单片防火玻璃隔热问题。通过在防火玻璃隔断（词条“隔断”由行业大百科提供）上部边缘位置设置自动水喷淋系统,当火灾发生后玻璃背火面空气温度达到喷淋喷头动作温度时,背火面自动喷淋系统启动,玻璃背火面形成持续水幕,带走了因热传递而使玻璃吸收的热量,使防火玻璃即使在很高的火灾荷载下也能维持较低的温度。有关的试验表明,在自动喷淋保护下,单片防火玻璃系统的隔热性能得到明显改善,热辐射（词条“辐射”由行业大百科提供）被有效阻隔, 玻璃耐火时间大大延长, 而背火面温度在40 ℃以下,可完全替代防火卷帘。
当防火玻璃框架系统无隔热性要求时,可选用C类防火玻璃。当防火玻璃框架系统有隔热性要求时,可选用A类防火玻璃（词条“A类防火玻璃”由行业大百科提供）或C类防火玻璃加水喷淋保护。
2. 2防火玻璃框架系统
防火玻璃框架系统主要由防火玻璃、耐火框架和防火密封材料组成,在一定时间内满足耐火完整性或隔热性要求的非承重系统,包括防火玻璃幕墙、防火玻璃门（词条“玻璃门”由行业大百科提供）窗、防火玻璃非承重隔墙、防火玻璃挡烟垂壁等。不同的框架系统对防火玻璃的耐火性能有不同影响。纯铝材料强度低,不能承受荷载。在纯铝中加人一定量的Mg，Mn，Si等元素后,可制成强度高的铝合金。铝合金（词条“合金”由行业大百科提供）框结构属非燃烧体,在火灾荷载作用下,随着温度的升高其强度逐渐下降,当温度超过250℃时,其强度急剧下降到原来的二分之一，370 ℃左右抗拉强度（词条“抗拉强度”由行业大百科提供）几乎全部损失,且铝合金的熔点低(600℃-700 ℃) ,在火灾荷载的作用下,框架系统会很快熔融、垮塌,进而导致火灾蔓延。因此铝型材不能用作抗火结构,只适宜用于30 min以下耐火等级要求的防火隔断、门窗，30min以上的耐火等级通常选用具有抗高温氧化性能的耐热钢型材,钢型材作为一种“轻质高强”的建筑材料（词条“建筑材料”由行业大百科提供）,是理想的抗火结构。防火玻璃钢框架为非承重结构,与主体承重钢结构有较大差别, 实践证明它在表面无防火涂料（词条“防火涂料”由行业大百科提供）保护的情况下仍可耐火180min及1200℃高温下略有变形但保持完整。而作为承重钢结构在火灾时,由于高温作用,强度损失很快,需要在表面加上混凝土或防火涂料等保护。
理想的框架设计是实现防火玻璃系统耐火性能的关键,而在设计中合理地选择防火密封材料是防火系统的保证。据有关资料统计,在火灾中因受烟雾中毒、窒息而死亡的人占有较高的比例, 因此在防火系统中,密封是非常重要的环节。防火玻璃在安装时, 除了钢框架结构, 还需要耐火垫块、防火膨胀密封条、防火密封胶、门窗密封件等系列辅助材料, 这类材料应采用不燃或难燃材料,其燃烧性能应符合现行国家标准GB50222一2001《建筑内部装修设计防火规范》、GBJ16一87 《建筑设计防火规范》和GB50045一2005《高层民用建筑设计防火规范》的规定。耐火垫块可采用硅酸钙基或硅酸铝基的不燃材料,安装在防火玻璃的底边钢框架内,起到隔开玻璃和钢构件（词条“构件”由行业大百科提供）、支撑玻璃的作用,并防止钢构件导热快、使玻璃边部局部过热而炸裂的情况出现。防火膨胀密封条一般是基于可膨胀石墨的膨胀机理, 着火时约200℃左右可迅速进行三维膨胀,形成稳定的隔热阻火层,起到防火防烟的作用;防火密封胶一般为单组分中性硅酮胶,主要用于接缝密封,并美化外观。在标准耐火试验中,如果背火面防火胶着火,会直接导致测试失败。安装方面,防火玻璃与框架不得直接接触,玻璃四周与框架凹槽底部应保持一定的空隙,每块玻璃下部应至少放置两块弹性定位耐火垫块,垫块应能承受该分格玻璃的自重荷载。
上海中心大厦，位于浦东的陆家嘴功能区，占地3万多平方米，所处地块东至东泰路，南依银城南路，北靠花园石桥路，西临银城中路，为上海陆家嘴摩天大楼建设计划最后的压轴工程。其建筑设计方案由美国Gensler建
2. 2.1防火玻璃幕墙及隔墙
玻璃幕墙的通透性增加了火灾蔓延的途径,火灾时火和烟会沿着幕墙外壁及内侧向邻近的楼层蔓延,具有火势蔓延快、烟气流动迅速、疏散扑救困难等特点。防火玻璃幕墙的设计及耐火要求,应遵循GB12513一2006《镶玻璃构件耐火试验方法》、GB15763.1一2009《建筑用安全玻璃第I 部分:防火玻璃》、GA97一1995 《防火玻璃非承重隔墙通用技术条件》等有关规定, 幕墙结构必须与防火玻璃具有同样的耐火性能,同时具有良好的防烟密封性能。防火玻璃幕墙结构上应采用明框形式,不应采用全隐框形式。其防火设计应在不影响其通透性及观赏性的基础上进行,尽量采用防火玻璃及耐火钢框(或钢铝组合框架) 。高精度钢型材有高质量外观及质感, 可独立构成防火玻璃幕墙;钢铝组合防火玻璃幕墙则由防火玻璃(幕墙面板) 、冷弯镀锌钢型材(抗火骨架) 、铝合金型材（词条“铝合金型材”由行业大百科提供）(装饰面材)及配件组成(见图1 、图2) , 兼有铝合金玻璃幕墙安装简捷与钢材的耐高温性能、高强度优点,是防火幕墙最优组合。
防火玻璃隔墙与防火玻璃幕墙的结构类似，但无竖框防火玻璃隔墙的防火玻璃之间应采用金属点构件,缝隙须采用耐火材料或防火胶等进行处理并满足相应的耐火性能要求。
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