單波，蘇曉順，劉會(huì)華，王海軍

（建科環(huán)能科技有限公司，北京 100013）

1 前言

當(dāng)今，建筑幕墻以其獨(dú)特的魅力應(yīng)用于各類建筑的內(nèi)墻、外墻，高層或超高層建筑，其良好的防火效果、隔熱效果尤其重要。在節(jié)能減排的國(guó)家大戰(zhàn)略下，如何使節(jié)能幕墻門(mén)窗具備耐火性能，延遲火災(zāi)對(duì)建筑室內(nèi)的破壞，方便消防救援，是目前高層建筑防火技術(shù)研究中必須面對(duì)的一個(gè)現(xiàn)實(shí)。2022 年3 月關(guān)于建筑幕墻防火性能的推薦性國(guó)標(biāo)發(fā)布，耐火完整性、隔熱性等耐火性能的檢測(cè)也有了參照標(biāo)準(zhǔn)，幕墻耐火性能的檢測(cè)進(jìn)入了新的階段。

幕墻種類較多，體積較大，因此檢測(cè)幕墻耐火性能的設(shè)備體積較大，市場(chǎng)上成型產(chǎn)品較少。多集中在門(mén)窗、建筑構(gòu)件耐火試驗(yàn)爐的研制和應(yīng)用方面。如加拿大國(guó)家研究院的一種中型耐火試驗(yàn)爐整體結(jié)構(gòu)的介紹，其最大試件面積不足3m2。李萍論文中介紹的垂直建筑構(gòu)件耐火爐可測(cè)長(zhǎng)2.5m×高3m 試件，采用了控制模塊和組態(tài)軟件，自動(dòng)化水平逐步較高。而某機(jī)構(gòu)計(jì)劃開(kāi)發(fā)耐火爐組合爐膛也由于實(shí)現(xiàn)困難，最終選擇了兩組固定爐膛，其中垂直耐火爐可測(cè)長(zhǎng)2.5m×高3m 的試件。綜上所述，國(guó)內(nèi)外門(mén)窗、建筑構(gòu)件耐火試驗(yàn)爐參考資料相對(duì)較多，對(duì)幕墻耐火爐的開(kāi)發(fā)有一定的借鑒作用，特別是王帆的論文中的多功能組合爐膛的想法，為大型幕墻測(cè)試洞口太大，小尺寸幕墻檢測(cè)時(shí)如何減少過(guò)多封堵材料提供了新的思路。為了達(dá)到更好的測(cè)試建筑幕墻耐火完整性、幕墻耐火隔熱性、層間防火封堵系統(tǒng)等，也為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑幕墻防火性能分級(jí)及試驗(yàn)方法》提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和驗(yàn)證方法，故參考《GBT 9978.1-2008 建筑構(gòu)件耐火試驗(yàn)方法第1 部分：通用要求》和相關(guān)資料，設(shè)計(jì)制作了幕墻耐火試驗(yàn)爐檢測(cè)設(shè)備。

幕墻耐火試驗(yàn)爐可以提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的室內(nèi)或室外的火災(zāi)溫度場(chǎng),可以檢測(cè)建筑幕墻的耐火完整性、耐火隔熱性，同時(shí)移動(dòng)式升降爐頂不僅可以調(diào)整爐體洞口高低，減少不同尺寸的幕墻封堵，還可以作為樓層間隔安裝層間防火封堵系統(tǒng)以測(cè)試其封堵效果，這是其他檢測(cè)設(shè)備不易實(shí)現(xiàn)的。幕墻（構(gòu)件）耐火試驗(yàn)爐包括爐體結(jié)構(gòu)、供排氣系統(tǒng)、控制系統(tǒng)，報(bào)警監(jiān)視系統(tǒng)、軟件等。同時(shí)，在試驗(yàn)構(gòu)件中布置測(cè)溫?zé)犭娕?可用于研究構(gòu)件內(nèi)部溫度場(chǎng)的發(fā)展過(guò)程以及構(gòu)件在高溫下的承載能力, 驗(yàn)證在高溫下幕墻整體的耐火性或?qū)娱g防火封堵系統(tǒng)的性能，利用數(shù)值模擬和實(shí)體試驗(yàn)相結(jié)合，從而為建筑幕墻抗火災(zāi)設(shè)計(jì)及火災(zāi)后結(jié)構(gòu)的損傷評(píng)估與修復(fù)加固提供科學(xué)依據(jù)。

2 設(shè)備研發(fā)

2.1 幕墻耐火爐檢測(cè)設(shè)備的組成

2.1.1 爐體結(jié)構(gòu)

幕墻耐火試驗(yàn)爐體為垂直立式（見(jiàn)圖1），由于一塊完整單元體幕墻上橫梁與下橫梁間的垂直距離以4.5m或者6m 較為常見(jiàn)，在考慮其它因素，幕墻耐火爐試驗(yàn)洞口長(zhǎng)×寬設(shè)計(jì)為5m×8m（可調(diào)），洞深1.25m，是國(guó)內(nèi)較大的幕墻耐火試驗(yàn)爐。幕墻耐火試驗(yàn)爐地基整體下沉，地基承載力特征值按140kPa 進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用素灰夯填，壓實(shí)系數(shù)≥0.97，基礎(chǔ)荷載共計(jì)90t，爐體洞口前預(yù)埋20mm 厚，300mm 寬鋼板，承載幕墻試件。

圖1 試驗(yàn)爐主體示意圖

耐火試驗(yàn)爐框架采用槽鋼和工字鋼焊接制作，外圍設(shè)置兩層檢修平臺(tái)，后側(cè)設(shè)置了通道門(mén)，人可以進(jìn)入對(duì)試件進(jìn)行操作。爐體采用五層結(jié)構(gòu)，從外到內(nèi)分別為鋼結(jié)構(gòu)框架、防火磚、耐火高溫石棉、耐火磚、耐火陶瓷纖維氈（耐火1300℃）。

耐火試驗(yàn)爐頂采用活動(dòng)平臺(tái)方式，平臺(tái)鋼構(gòu)件上添加隔熱棉，增加了平臺(tái)的實(shí)用性及可維護(hù)性。移動(dòng)平臺(tái)采用左右兩端4 根鋼絞線吊裝的型式，通過(guò)鋼絞線和定滑輪在卷?yè)P(yáng)機(jī)的牽引下完成高度的升降，在樓板前端設(shè)置與試驗(yàn)爐連接和固定的裝置，方便固定模擬樓板（見(jiàn)圖1 ～4）。移動(dòng)爐頂平臺(tái)一方面作為耐火爐的頂層，可以按照幕墻試件的高度調(diào)整高度合理密封；另一方面，也可以作為模擬樓板添加層間防火封堵系統(tǒng)保持頂部密封，為測(cè)試幕墻的層間防火封堵提供了檢測(cè)條件，是一種創(chuàng)新。

2.1.2 供排氣系統(tǒng)

（1）燃?xì)夤狻Ｄ粔δ突鹪囼?yàn)爐供氣系統(tǒng)采用液化氣供氣，分置兩個(gè)房間（見(jiàn)圖2），一間為供氣室，一間為氣化室。室內(nèi)地面用不發(fā)火水泥砂漿抹平壓光，房間內(nèi)配防爆排煙風(fēng)扇和防爆照明，符合防火防爆要求。

供氣室采用50kg 灌裝石油液化氣，共16 瓶分兩組每組8 瓶。試驗(yàn)時(shí)，當(dāng)一組液化氣壓力低于設(shè)定值時(shí)，液相切換閥會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)換到另一組灌裝液化（見(jiàn)圖2 左），這樣可防止試驗(yàn)中燃?xì)馔蝗缓谋M，使試驗(yàn)中斷。

（1）對(duì)于分布式電源而言，其實(shí)際發(fā)電電量具有一定的不確定性，因此大電網(wǎng)仍舊是不可或缺的存在，所以，從某種角度分析，該種模式的運(yùn)用無(wú)法明顯減少電網(wǎng)的相關(guān)費(fèi)用，如建設(shè)費(fèi)用、維修費(fèi)用以及改造費(fèi)用等。

氣化室內(nèi)的氣化爐是通過(guò)燃?xì)饪刂撇糠謱⒁合嗟囊夯蜌廪D(zhuǎn)化成低壓的氣相石油氣，便于在燃燒中與空氣混合被點(diǎn)著。氣化室內(nèi)采用300kg 與100kg 雙汽化爐模式，適用不同燃燒情況下的供氣要求。

（2）空氣供氣?？諝夤庀到y(tǒng)采用30kW 離心風(fēng)機(jī)提供助燃?xì)怏w，最大流量9000m3/h，風(fēng)機(jī)通過(guò)頂部送風(fēng)口分送兩側(cè)管道的15 個(gè)點(diǎn)火嘴，每側(cè)各有一個(gè)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)流量和壓力，當(dāng)總壓力大于1kPa 達(dá)到點(diǎn)火要求后，每個(gè)點(diǎn)火嘴的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥再分別調(diào)節(jié)各自供氣量大小，使火焰能迅速點(diǎn)燃，并控制火焰大小。

（3）排煙冷卻系統(tǒng)。排煙冷卻系統(tǒng)包含兩部分，一部分為幕墻耐火試驗(yàn)爐頂部的高溫吸煙罩吸入的外部煙塵，另一部分為爐后側(cè)下部及中部設(shè)置的管道排出的爐內(nèi)煙塵。試驗(yàn)爐底部設(shè)置6 個(gè)間距0.8m 的排煙管道（圖1 右），爐內(nèi)高熱量的煙氣經(jīng)過(guò)排煙管道后，將爐體內(nèi)的煙氣排出，在橫向管道外側(cè)采用的噴淋方式（見(jiàn)圖1～9）進(jìn)行外部一級(jí)降溫冷卻。頂部集煙罩（圖1 ～3）收集的煙氣通過(guò)可伸縮管路和經(jīng)過(guò)一級(jí)降溫的爐內(nèi)煙氣通往主排煙管路，主排煙管道通過(guò)豎直管道風(fēng)量調(diào)節(jié)板（見(jiàn)圖1 ～7）調(diào)節(jié)冷卻風(fēng)量進(jìn)風(fēng)大小，可以使進(jìn)入風(fēng)機(jī)的混合風(fēng)進(jìn)行二級(jí)冷卻使溫度再次降低，以使空氣溫度控制在200℃以下。爐體中部增加4 個(gè)可開(kāi)合式排煙管道（見(jiàn)圖1 右），如做大型幕墻時(shí)可打開(kāi)，加快煙氣的排放，并對(duì)爐內(nèi)的壓力控制起到調(diào)節(jié)作用。

（4）凈化系統(tǒng)。幕墻耐火試驗(yàn)爐收集的煙塵經(jīng)過(guò)降溫后需要進(jìn)入凈化系統(tǒng)除塵凈化。煙塵依次進(jìn)入旋風(fēng)降溫箱（圖3），配有鋁制水冷散熱器及溫感探頭的折流降溫箱、過(guò)濾器、低溫等離子煙塵設(shè)備，然后離心風(fēng)機(jī)排除凈化后的煙氣。經(jīng)對(duì)有組織廢氣和無(wú)組織廢氣檢測(cè)，滿足排放標(biāo)準(zhǔn)。

圖3 煙氣凈化處理設(shè)施

2.1.3 控制系統(tǒng)

（1）溫度采集及控制。溫度測(cè)量采用鎳鉻-鎳硅（k）熱電偶，合計(jì)48 只。其中爐內(nèi)21 只溫度探頭，探頭為活動(dòng)式，當(dāng)一定平臺(tái)上下活動(dòng)時(shí)，探頭可后撤隱藏。其他溫度測(cè)點(diǎn)多貼片式探頭，采用直徑為0.5mm 熱電偶，熔焊在厚0.2mm、直徑為12mm 的圓形銅片上，符合GB/T16839.1 規(guī)定。

試驗(yàn)爐內(nèi)火荷載的溫度升溫曲線分為室外溫度曲線和室內(nèi)溫度曲線（圖4），幕墻試件可以根據(jù)試驗(yàn)需求做相應(yīng)的耐火試驗(yàn)。室內(nèi)溫度曲線按照公式T=345lg(8t+1)+T0（T0 為試驗(yàn)初始溫度，此處采用20℃）控制爐內(nèi)的平均溫度。室外溫度曲線按照T=660（1-0.687e（-0.32t）-0.313e（-3.8t）+T0 控制試驗(yàn)爐內(nèi)溫度，37 分鐘后，爐內(nèi)溫度穩(wěn)定在680℃。

（2）壓力采集及控制。爐內(nèi)壓力測(cè)量需用7 個(gè)壓力傳感器，測(cè)量范圍-100 ～100Pa。位置布置在耐火爐內(nèi)后部中間偏左500mm、從底到頂每隔1m 一個(gè)。測(cè)壓探頭為T(mén) 形耐高溫不銹鋼管，從爐內(nèi)穿過(guò)爐墻到達(dá)爐外，壓力信號(hào)反饋給PLC，由出風(fēng)管路兩側(cè)的調(diào)節(jié)封板和排煙風(fēng)機(jī)的排風(fēng)量大小來(lái)調(diào)節(jié)壓力值。在試驗(yàn)開(kāi)始5min后，爐內(nèi)壓力達(dá)到15±5Pa 的正壓，10min 后，達(dá)到17±3Pa。

（3）點(diǎn)火控制。液化石油氣通過(guò)氣化爐氣化后經(jīng)過(guò)兩次減壓調(diào)節(jié)使壓力穩(wěn)定在12kPa，燃?xì)舛税错樞蚪?jīng)過(guò)球閥、電磁閥、空燃比例閥、不銹鋼軟管連接到點(diǎn)火嘴的燃?xì)舛巳肟?，點(diǎn)火嘴采用有焰燒嘴，工作壓力為5～15kP。

助燃?xì)怏w由變頻器控制風(fēng)機(jī)給點(diǎn)火嘴供氣，空氣壓力大于到1KP，助燃?xì)怏w分別經(jīng)過(guò)手動(dòng)蝶閥、電動(dòng)蝶閥（自動(dòng)控制進(jìn)氣量），空氣軟管連接到點(diǎn)火嘴的空氣端入口。自動(dòng)點(diǎn)火控制器通過(guò)PLC 控制進(jìn)行點(diǎn)火，燃燒器自動(dòng)調(diào)節(jié)空氣和燃?xì)獾谋壤?，使燃?xì)饽艹浞秩紵_(dá)到點(diǎn)火效果，通過(guò)調(diào)節(jié)供氣量的大小控制點(diǎn)火嘴熱量的輸出。

（4）軟件系統(tǒng)。耐火試驗(yàn)爐的監(jiān)控點(diǎn)位接近400 個(gè)，包括溫度點(diǎn)、壓力點(diǎn)、點(diǎn)火控制點(diǎn)和各種反饋點(diǎn)，控制系統(tǒng)由臺(tái)達(dá)PLC 的AS228T-A 雙主機(jī)共同協(xié)作完成（見(jiàn)圖5）。AS228T-A 主機(jī)1 與組態(tài)軟件配合使用，采集溫度、壓力、點(diǎn)火控制器、風(fēng)機(jī)、冷卻水泵等各部件工作狀態(tài)的反饋信號(hào)，并控制各部件的開(kāi)啟。AS228T-A 主機(jī)2 控制各部件的模擬量輸入輸出，如點(diǎn)火嘴供氣量的大小，風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速等。

圖5 系統(tǒng)硬件配置圖

軟件的監(jiān)控界面采用WINDOWS10 操作系統(tǒng)、人機(jī)界面利用杰控軟件開(kāi)發(fā)，可以收到PLC 和其它部件的各種信息并進(jìn)行反饋，控制設(shè)備運(yùn)行。圖7 是試驗(yàn)運(yùn)行中監(jiān)控主界面，左面上部是基本信息，左面中部為溫度壓力顯示區(qū)域，右部為圖形曲線顯示界面，室內(nèi)曲線和室外曲線可以自由切換。測(cè)試期間實(shí)時(shí)顯示測(cè)量結(jié)果并動(dòng)態(tài)地繪出完美曲線，數(shù)據(jù)可以永久保存、調(diào)閱和打印輸出，可直接打印報(bào)表。

2.1.4 報(bào)警系統(tǒng)

（1）控制報(bào)警系統(tǒng)?？刂贫藞?bào)警系統(tǒng)主要是點(diǎn)火前各項(xiàng)準(zhǔn)備條件和運(yùn)行中出現(xiàn)的一些情況。點(diǎn)火前需滿足工作條件，如助燃風(fēng)機(jī)、恒壓風(fēng)機(jī)、點(diǎn)火器的供電；液化氣高低壓、助燃?xì)怏w供氣壓力等；燃?xì)鈭?bào)警、汽化爐等工作狀態(tài)、溫度傳感器、壓力傳感器是否正常等，各部件正常，綠燈亮起，可以進(jìn)入點(diǎn)火試驗(yàn)，如不正常需查驗(yàn)。點(diǎn)火后如爐內(nèi)各溫度點(diǎn)溫差過(guò)高，壓力過(guò)大，點(diǎn)火嘴沒(méi)有火焰，排煙口溫度過(guò)高等。出現(xiàn)報(bào)警信息后，需觀察設(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行處理。

（2）燃?xì)鈭?bào)警系統(tǒng)。燃?xì)鈭?bào)警設(shè)備采用CA-2100D濃度報(bào)警主機(jī)和6 個(gè)CA-217A 濃度報(bào)警探頭，在液化氣室和氣化室內(nèi)共配有3 臺(tái)防爆風(fēng)機(jī)，并配有防爆照明系統(tǒng)。由于燃?xì)饷芏缺瓤諝獯?，所以可燃?xì)怏w探測(cè)器都是距離地面10cm 處安裝，其中液化氣室裝有2 個(gè)，氣化室裝有2 個(gè)，垂直爐燃?xì)夤苈废路阶笥腋饔? 個(gè)。一旦液化氣泄漏濃度超標(biāo)，報(bào)警鳳鳴想起、防爆風(fēng)機(jī)啟動(dòng)機(jī)將泄漏的液化氣排放到室外，并自動(dòng)切斷供氣電磁閥。報(bào)警問(wèn)題解決后，點(diǎn)擊復(fù)位報(bào)警停止。

（3）視頻監(jiān)控系統(tǒng)。監(jiān)控室可直視且距試驗(yàn)爐直線距離宜大于20m，設(shè)備四周配有24 小時(shí)攝像設(shè)備，可通過(guò)手機(jī)時(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。設(shè)備監(jiān)視系統(tǒng)由5 個(gè)攝像頭、錄像機(jī)和監(jiān)視器等組成，其中3 個(gè)高空球機(jī)變焦攝像頭可大范圍觀察廠房情況，2 臺(tái)變焦定向攝像頭放在對(duì)準(zhǔn)耐火爐的方向，可以時(shí)時(shí)監(jiān)控，并可以通過(guò)軟件在有網(wǎng)絡(luò)的任何地方對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)視現(xiàn)場(chǎng)情況。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.1 幕墻耐火試驗(yàn)

幕墻試件的耐火完整性、耐火隔熱性的檢測(cè)基于試件耐火時(shí)間的長(zhǎng)短作為分級(jí)判定(見(jiàn)表1)。

表1 防火性能分級(jí)表

圖6 是某次試件試驗(yàn)前后對(duì)比圖，左側(cè)為試驗(yàn)前安裝的幕墻試件，右側(cè)為65 分鐘后試件。在試驗(yàn)爐運(yùn)行3 min15s 時(shí)，左側(cè)內(nèi)側(cè)第一片玻璃破碎脫落；運(yùn)行3min 22s 時(shí)，膠片發(fā)生反應(yīng)；3min40s，右側(cè)內(nèi)側(cè)第一片玻璃破碎脫落；30min 和60min 在外層為破裂，65min 試驗(yàn)停止。由于在60min 內(nèi)，試件外測(cè)試棉墊未被點(diǎn)燃，幕墻未出現(xiàn)縫隙，背火面未出現(xiàn)火焰，按照表1 的中的性能分級(jí)表可以看出，這個(gè)幕墻試件耐火完整性超過(guò)60min，滿足2 級(jí)要求。圖6（下）是背火面溫度曲線圖，幕墻玻璃上布置了一些溫度點(diǎn)，60min 時(shí)背火面平均溫度溫升為95.7℃，最高溫度溫升為98.5℃，符合隔熱要求，所以耐火隔熱性合格。

圖6 耐火完整性、耐火隔熱性試驗(yàn)前后對(duì)比圖及背火面溫度曲線圖

3.2 幕墻封堵試驗(yàn)

幕墻耐火爐設(shè)備還可以檢測(cè)層間封堵系統(tǒng)的試驗(yàn)（圖7）。試驗(yàn)爐頂通過(guò)上下調(diào)整可作為建筑層間樓板與幕墻之間填充具備密封和伸縮功能防止豎直方向火災(zāi)蔓延的封堵密封系統(tǒng)，選擇相應(yīng)封堵材料，做好兩側(cè)（圖7左）和層間封堵系統(tǒng)。防火封堵構(gòu)造采用室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線進(jìn)行試驗(yàn)。圖7 右側(cè)曲線為試驗(yàn)正在運(yùn)行中的溫度曲線，試驗(yàn)最終運(yùn)行到120min 后，防火封堵系統(tǒng)的封堵效果依然良好，該樣品所檢項(xiàng)目的檢測(cè)結(jié)果符合GB/T 41336-2022 的第4 級(jí)(i)的技術(shù)指標(biāo)要求。試驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)備具有檢測(cè)層間封堵系統(tǒng)的能力。

圖7 幕墻封堵性試驗(yàn)

4 結(jié)語(yǔ)

（1）開(kāi)發(fā)了一種檢測(cè)設(shè)備，可以檢測(cè)建筑幕墻的耐火性能；（2）幕墻檢測(cè)設(shè)備具有洞口調(diào)節(jié)能力，減少封堵材料，節(jié)能減排，同時(shí)調(diào)節(jié)的爐頂可以作為模擬樓板，安裝層間防火封堵系統(tǒng)，測(cè)試其封堵效果；（3）通過(guò)對(duì)幕墻的耐火性能的檢測(cè)，可以不斷改進(jìn)和提高更合適的防火材料和防火結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，為提高幕墻耐火完整性提供了科學(xué)合理的技術(shù)支持，也為建筑消防安全提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)保障。

隨著人們對(duì)火災(zāi)防范意識(shí)的增強(qiáng)，幕墻防火相關(guān)的檢測(cè)必定越來(lái)越嚴(yán)格，越來(lái)越普及。本設(shè)備的開(kāi)發(fā)將為國(guó)家的建筑安全貢獻(xiàn)一份力量。