七. 試驗觀察和分析
室內燃燒器點燃后2分鐘，從室外看，有煙霧開始從
窗間墻幕墻下部出現。應該是
玻璃嵌條
EPDM橡膠條和玻璃下的EPDM橡
膠墊塊引起的；
2分35秒：間斷有火焰從開口處伸出來。室內壓力高于室外壓力；
2分50秒：開口處上部
橫梁開始
彎曲，此時室內燃燒室溫度到達400°C左右。
鋁合金材料在溫度達到250°C ~ 300°C時
承載能力開始下降，（
碳鋼在溫度達到375°C 左右承載能力開始下降）。此處橫梁通過二塊EPDM
橡膠墊塊承受6.4mm厚單層玻璃重量；
3分40秒：二樓觀察室中水平
防火帶表面中部出現少量煙霧。可能是從
防火棉和防煙材料中散發出來的；
5分鐘：室外燃燒器點燃；
6分鐘：室內燃燒器所產生的熱氣流在室內壓力的作用下，從開口處以較高的速度從室內沖出來，使得室外燃燒器的火焰偏離幕墻面。幾分鐘后，當溫差和壓力趨于平衡時，室外燃燒器的火焰基本回復正常，稍稍外偏；
8分20秒：開口處上部橫梁中間的
硅膠開始
燃燒；
9分鐘：單片玻璃內側發現有冷凝水下淌；
11分40秒：在開口附近的火焰高度超過開口處上部橫梁大約300mm左右；
14分25秒：開口處上部橫梁的
鋁合金開始
熔化，并滴落下來，鋁合金的熔化溫度是660°C；
14分50秒：在開口附近的火焰高度已超過開口處上部橫梁大約600mm左右；
16分鐘：火焰高度已達到單片玻璃的頂部；
18分10秒：在水平方向，火焰向外延伸到離外墻面大約450mm左右；
21分鐘：開口處上部橫梁的鋁合金大約有500mm長已熔化掉了；
28分45秒：由于最中部鋁合金
立柱（防火棉以下部分）已熔化，下面一根
保溫棉橫保持架的連接失效，造成此保持架懸空掛在那里，失去作為保持架的作用；
30分鐘：在二樓觀察室中發現幕墻發生
變形，中部水平方向朝外變形了3mm；
46分鐘：在二樓觀察室中水平防火帶表面中部出現連續不斷的煙霧；
52分鐘：6.4mm厚單層玻璃開始軟化并向外拱起，玻璃的熔化溫度是821°C；作為背板的
鍍鋅鋼板和防火保溫棉看起來完好；
62分鐘~ 72分鐘：6.4mm厚單層玻璃繼續軟化、下垂、熔化并滴落下來；
75分鐘：在二樓觀察室中觀察幕墻中部水平方向朝外變形沒有增加；
120分鐘：燃燒器熄火。
熄火以后觀察和分析：
1) 120分鐘內燃燒沒有蔓延到上一層。
2) 防火棉看起來完好無損，在水平防火帶防火棉的下部與
鍍鋅鋼板背板的交界處，發現一條約12mm寬的縫隙，縫隙的走向沿著背板變形的形狀。從背板傳遞過來的大量熱量燒烤防火棉側面接觸面，經壓縮后的防火棉其擴張性能可能受到影響。 防火棉底部經長時間的高溫燃燒已變硬和發脆。正是由于防火棉以33 %壓縮率填充，縫隙沒能貫穿100mm高的防火棉，阻擋了火焰向上蔓延。
3) 在防火棉上方覆蓋的這層防煙層，大部分仍保持了其柔
韌性，說明防火棉上側的溫度值大部分在防煙層工作溫度范圍內。在靠近背板附近因受到高溫影響有部分已脫裂開，形成煙霧上升通道（圖12）。由于這層防煙層伸縮性為50%，基本上保證了與周圍材料的有效
密封。
4) 鍍鋅鋼板背板在燃燒中被燒得通紅，背板的受熱不勻造成一定程度的
翹曲，但其翹曲程度明顯受到背板
加強筋的制約。由于這個加強筋不僅僅
固定在立柱上，還直接固定在背板上，使得防火棉附近的背板變形量保持在最小。（圖11，圖13）
5) 開口處上部的鋁合金橫梁基本上都熔化掉了，最中部的鋁合金立柱（在水平防火棉以下部分）也熔化掉了，其他地方的鋁合金結構基本保持完整（圖14）。固定在這些已受損鋁合金結構上的部件，如背板、防火保溫棉、玻璃等，其穩固性和功能性會受到影響。
6)
窗間墻部分的75mm厚半硬式防火保溫棉在背板加強筋以上部分基本上完整。由于下面一根保溫棉橫保持架的一端連接失效，防火保溫棉產生傾斜，下方的防火保溫棉直接暴露在火中燃燒，部分被燒脫下來，使得背板下方正反二面都受到火焰的攻擊。
7) 在2小時燃燒中，上層
中空玻璃完好無損，下層單層玻璃部分熔化，未產生
破裂現象。注意到為什么開口處上部橫梁都熔化掉了，但單層玻璃不掉下來呢？這是一個半隱框系統，玻璃四周全部用結構硅膠，由于定位玻璃的EPDM橡膠塊已失效，所以應該是結構硅膠在起作用。 結構硅膠在高溫下到底起多大作用？這個問題有待研究，在這個試驗中至少還能保持住單層玻璃2個小時。窗間墻玻璃的破碎和
脫落對幕墻防火系統雖然不是太重要，但是也起到一些正面作用，它保護了后面的防火保溫棉不直接遭受火焰的攻擊，這個防火保溫棉保持時間越長，對室外側火焰的防火就越好。
我們將這次試驗同不久前的另一次相似試驗相對比，總體結果相當相似，也是以成功告終。但前一次試驗玻璃的運氣不如這次好，在27分鐘時，上層樓面其中一塊
中空玻璃的外片破裂；在72分鐘時，上層另一塊中空玻璃的外片破裂。幸運的是，這二塊中空玻璃的內片自始至終沒有破碎。究其原因，我們推測第一塊外片玻璃破裂得早與玻璃邊緣缺陷有關。要知道，這些玻璃是玻璃公司在流水線上以標準生產程序
切割和磨邊的，按要求，磨邊量為1.5mm（圖15），有誤差和缺陷是難免的。
8) 從二樓觀察室中發現，密封硅膠呈黑色，外表看起來還不錯，部分硅膠與
連接件已分開了（圖16）。一樓燃燒室內部背板周圍的密封硅膠均已燒成白色的焦狀物。(圖17）
9) 本試驗中，在燃燒室的幕墻部分，沒有采取任何
隔熱等措施以延緩熱量從幕墻系統內部向上層傳遞。事實上，上層樓面幕墻內側
金屬表面的溫度已超過500度，超過了表面
噴漆的工作溫度范圍，可能會產生化學物質的分解。同時也有相當數量的氣體和煙霧進入上層樓面，足以使人能在數分鐘內昏倒，達不到能維持生命的水平。
八. 幕墻防火設計要點
通過對防火試驗的研究，以及近幾年幕墻設計中對防火要求、
防火材料和防火系統不斷的探索和實踐，我們基本上掌握了幕墻建筑周邊水平防火帶和幕墻系統防火構造的設計要領。當然隨著防火要求、防火材料性能的不斷提高，還需要作進一步的研究。本文中對幕墻構造的描述主要基于
單元式幕墻系統，其它幕墻系統可以參考它的設計原則和思路作相似的安排。由于單元式幕墻制作和安裝質量易于控制，在防火方面，它與
框架式幕墻相比優勢是明顯的。
建筑幕墻防火設計的原則是有效、可靠、制作安裝方便，并且不增加太多成本。優秀的單元式幕墻系統完全可以達到這些要求。建筑師和土建結構師應該了解和懂得如何利用幕墻防火構造來滿足建筑物周邊防火要求。這里，一個土建結構細節值得提一下。在北美絕大部分建筑物幕墻
預埋件安排在樓層表面部分，而國內大部分安排在梁或
樓板的側面。先不說前者對幕墻安裝、調節、定位等帶來很多好處與方便。從防火角度看，幕墻與主結構的承載連接件安排在靠近樓面位置，便于防火棉和防煙層的施工，有利于防火棉更有效地保護這個連接件，使它不過早失效。
建筑物燃燒產生的溫度高低，與燃燒材料、通風狀態等有關，研究資料表明，溫度的峰值可達到1200°C。幕墻系統本身并沒有很多易燃性材料，但大部分材料抗燃燒性都不強。幕墻常用
金屬材料的
熔點溫度見表3，常用非金屬材料的關鍵溫度點見表4。
注：表中數據為大致范圍，謹供參考；部分數據來自Plast-O-Matic: Plastic body materials.
*工作溫度上限與所要求的暴露時間有關。
**450°C出自于Handbook of Physical and Mechanical Testing of Paper and Paperboard Volume 2; Edited by Richard Mark。國內消防資料為130°C。
***407°C出自于German marine insurers.國內消防資料為150°C。
圖18 是典型的單元式幕墻防火構造，下面我們來詳細分析幕墻防火設計要點。
1) 玻璃：從防火試驗結果可以認識到，上層可視玻璃的完整性對防止火焰上竄很重要，而窗間墻非可視玻璃容易破碎和熔化，對整個防火體系的影響并不大，盡管形式上它跨越了二個防火分區。
從上節 [試驗觀察和分析] 中談到，玻璃生產過程中切割和磨邊對玻璃破碎的影響。為延緩和防止上層可視玻璃破碎，必須要考慮防止玻璃溫升過快、過高的措施，橫料下的防火保溫棉3）就是起這個作用。
目前隨著對節能要求的提高，越來越多的窗間墻非可視部分采用中空玻璃，這對延緩玻璃破碎是有利的。
2) 單元式幕墻水平插口：這里是上下二個單元的結合點，單元式構造的特點使上下二個單元金屬不直接接觸，延緩了上面單元的溫升，降低了窗臺板溫度升高速度。這一點比框架式幕墻系統要優越。
3) 橫料下防火保溫棉：這里的防火保溫棉厚度根據建筑物和幕墻系統具體情況具體設計，能夠保證50mm以上最好，至少要有25mm（圖19）。
4) 防火保溫棉：工程上我們常用保溫棉、防火棉、防火保溫棉等名詞，這樣的表達是以材料用途和功能來劃分的，與材料本身的組成和成分無關。在幕墻工程中有時這三者采用的是相同材料。例如防火墻外側保溫棉，可以用
巖棉或
玻璃棉；無
混凝土窗間墻的幕墻，中間的保溫棉須起到防火作用，可選用巖棉、
礦渣棉，稱之為防火保溫棉；防火棉同樣采用巖棉和礦渣棉，只不過使用中并不關心其保溫功能而已。
不少人在談到巖棉、
礦棉等材料時，到底有什么關系不是很清楚。比較權威的機構—北美保溫棉制造協會（NAIMA）是這樣定義的：巖棉（Rock Wool）和礦渣棉（Slag Wool）基本上是用相同的原材料，相同的生產過程制成的，不同的是其原材料組成成分的比例不同。一般而言，巖棉中至少有70% ~75%是天然
巖石，如玄武巖（Basalt）或輝綠巖（Diabase），剩下的是礦渣（鐵礦石礦渣）；而礦渣棉中采用70%左右礦渣，其它的是天然巖石。它們都是采用高溫熔爐吹絲加壓法制作而成。中間可以采用
粘合劑，也可以不用粘合劑，依產品而定。粘合劑有無機、有機二種，有機粘合劑無論在防火、防霉、防菌方面都不如無機粘合劑。粘合劑一般在溫度超過250°C時氣化失效，但并不影響巖棉和礦渣棉制品的完整性，這歸功于材料的
內聚性和其特殊的層狀構造。只要此時沒有任何載荷使它變形，它就不會脫落。
以相同生產過程制成的巖棉和礦渣棉制品，它們所具有的各方面性能是非常相似的。
ISO 9229 (Thermal Insulation) 和GB4132 《
絕熱材料名詞術語》中，礦棉（Mineral Wool）包括巖棉、礦渣棉、玻璃棉等。由于玻璃棉熔點過低，目前許多國家不鼓勵或禁止幕墻上使用玻璃棉。
目前市場上用于幕墻最物美價廉的防火保溫棉，當屬采用玄武巖和礦渣制成的巖棉和礦渣棉。這些制品加工成不同的
密度，最常用的有密度為64 Kg/m3，這也是不少工程的最低要求。幕墻公司會采用價格低、密度低的防火保溫棉，盡管產品包裝標志有
傳熱阻R值或
傳熱系數K值，而業主和建筑師往往擔心低密度保溫棉的保溫性能，要求采用密度更高的保溫棉，如96 Kg/m3 、128 Kg/m3等。加拿大學者在《礦棉保溫棉的
對流熱損失》研究中指出，這種擔心是沒必要的，甚至在-35°C低溫，低密度保溫棉也沒有發現對流熱損失。
采用無機粘合劑的巖棉和礦渣棉具有良好的防火、
防銹、防霉、防菌、不吸水和
排水性強等功能。它們在受潮以后保溫性能有所下降，但是由于其非常低的吸濕率（<0.1%），當水分揮發以后，保溫性能又能復原。并且這種循環過程一般不會破壞保溫棉的完整性。保溫棉中沒有有機物質，就不易生霉和生菌。現代工程中絕大部分將保溫棉直接暴露在窗間墻玻璃內側與室外相通的環境中，很少用貼箔保溫棉（主要是價格問題），就是由于上述優點。
保溫棉切割和安裝質量控制很重要。保溫棉四周間隙過大，保溫棉之間對接不緊密，保溫棉切割角度偏差太大，都直接影響到幕墻整體保溫性能。實驗數據表明，保溫棉中空隙占3%，
熱阻減小2%-5%；空隙占6%，熱阻減小20%-36%[20]。
保溫棉厚度根據環境、規范要求通過傳熱分析計算而定。保溫棉厚度越大，保溫性能和防火性能越好。例如在美國加拿大邊境地區，保溫棉厚度一般在100mm-150mm之間。
防火保溫棉的可靠固定是防火關鍵之一。火災時，鋁合金骨架被熔化，玻璃熔化或破裂，如果防火保溫棉能經受住室外側火勢的攻擊而不塌落下來，就能保護幕墻與主結構的
承載連接件免受高溫的影響，就能保護上層的鋁合金和玻璃。
防火保溫棉必須采用機械式固定方式牢牢地固定在鍍鋅鋼板背板上。圖20中，防火保溫棉先用膠水粘在背板上，再用鍍鋅鋼板保持架壓在防火保溫棉的表面，保持架二頭用
不銹鋼螺釘固定在立柱上，保持架間距大約在400mm-600mm之間，距離邊框不超過250mm。采用膠水的目的是防止在負壓下防火保溫棉對保持架施加太大的壓力。圖21，圖22采用的是
焊接釘，釘子間距為300mm，距離邊框不超過150mm。它是一種非常有效的固定方式，只是要注意選用適當厚度的背板。不允許采用圖23 粘結釘固定方式，粘結釘隨著時間粘性失效，可能大大影響保溫性能，火災中可能整片很快脫落。
安裝完防火保溫棉，要用吸塵器將保溫棉碎屑吸干凈，以免堵塞通氣孔和排水孔。保證防火保溫棉與玻璃之間至少有25mm以上的空間用于保溫通氣之用。
5) 單元式立柱
接縫防煙封堵：在結構樓面以上部分，可以采用
密封膠將這個接縫封住，減少幕墻內部的煙霧進入上層樓面（圖29）。
6) 承載連接件：將幕墻系統連接到主結構上，是主要承載
構件。無論它的材料是
鋼材還是鋁合金，隨著溫度的升高，在遠遠低于材料的熔點溫度下，其承載能力已大大降低。所以保護承載連接件的承載能力是防火的主要措施之一。
7) 防煙層（Smoke Seal 或Smoke Barrier）: 在國內常被稱作防火防煙層，用于協助控制熱氣和煙霧（冷煙和熱煙）的滲透，實際上它的主要功能就是防煙。熱煙（或熱氣）的溫度還不能太高，否則可能使這個防煙層失去
彈性和
粘結性。
防煙材料要求具備二個基本功能。一是它應該具有較好的彈性，即它能夠吸收所填充空間的變位；二是它對金屬、鋁合金內
表面噴涂涂料、混凝土等具有非常好的粘結性能。
防煙層必須布置在背火面。因為它的工作溫度范圍一般不超過160°C。
在煙霧滲透方面，由（無貼箔）巖棉或礦渣棉組成的防火帶，其防煙功能是不怎么理想的，甚至有的專家稱它是不防煙的。
目前常用的防煙材料有二種：貼箔巖棉或礦渣棉；丙烯類涂料或硅類涂料。圖24為采用防煙涂料的工程實況。這里，根據一些公開的數據我們粗略比較一下這二種產品。有實驗數據稱，無貼箔防火棉比有貼箔防火棉組成的防煙層（貼箔面與周邊留3mm空隙，用防火膠填充），煙霧穿透量要高出304倍[21]。根據ASTM E96和 ASTM F-1249 標準測試方法，大部分貼箔防火棉的煙霧穿透量Perms=0.02[22]，則無貼箔防火棉的Perms=6.08；當采用防煙涂料時，它的Perms=0.3[23]，（涂料厚度是2mm），即防煙涂料的防煙性能比無貼箔防火棉要高20倍。Perms的單位是Grains/ (hr.×ft2 × inch-Hg), 國際單位是g/ (hr.× m2 × mm-Hg)：Grains: 美國用作重量單位；hr.:小時；ft:英尺；inch-Hg：英尺水銀柱高；g: 克；mm-Hg：mm水銀柱高。當Perms<1時認為具有較好的防煙效果。
