建筑门窗耐火完整性要求解析

来源:中国建筑科学研究院 北京市门头沟区公安消防支队  作者:张喜臣 朱彦飞 郑恒 王洪涛  日期:2019-3-20
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    摘要:国家标准GB50016-2014《建筑设计防火规范》颁布实施,对建筑门窗提出了耐火完整性要求。为了规范行业内外对该要求的理解,减小认识上的分歧,本文首先对新规范的条款进行了解读分析,并根据分析结果,说明耐火建筑门窗不同于防火门窗的理由。同时,根据目前采用的测试方法存在的问题,也提出了更加科学合理的解决方案。最后,对目前争论最激烈的耐火建筑门窗验收问题,依据政策规定,提出了作者个人的认识和理解。
    关键字门窗、耐火完整性、标准、试验方法、验收

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  1、前言

  建筑技术的发展,从未松懈过对消防设计的重视。我国之前各个版本的建筑设计防火规范,都对建筑材料防火性能、防火分区、以及防火墙的设计布局,做出了具体规定。对于防火墙上需要设置通道的部位,也按具体的功能要求,设计有防火门防火窗、以及防火卷帘等。但是,近年来由于建筑高度的不断增加,导致高层建筑(词条“高层建筑”由行业大百科提供)对防火的要求也越来越高,现有的防火技术一定程度上无法满足要求。高层建筑火灾因火势的卷吸效应,在纵向上发展迅猛,对救援设备(词条“设备”由行业大百科提供)和人员的要求很高。同时,因建筑节能需要而广泛采用的外墙外保温系统,也对幕墙式建筑带来极大的火灾安全隐患。一旦外墙外保温材料被点燃,就会在其附存的狭窄空腔内借助抽烟助燃效应,对建筑外围护结构,包括建筑门窗产生毁灭性的破坏,进而影响到建筑物室内的安全。为了解决高层建筑发展和节能要求提高带来的消防安全问题,国家标准GB50016-2014《建筑设计防火规范》对建筑外墙上的建筑门窗,首次提出了耐火完整性要求。

  建筑作为建筑物重要的外围护结构,在实现建筑物美观、环保、节能、安全等诸多方面起到非常重要的作用。可以说,建筑物功能要求不断提升的过程,就是建筑门窗的发展过程。为了满足人们对建筑物舒适度、健康度和安全度指标日益提升的需求,建筑门窗在提高已有的各项性能要求的基础上,也在不断完善和发展新的性能要求。近年来,多起因建筑外门窗不具备防火性能而导致的灾难性火灾事故,引起了国家和社会对建筑门窗耐火性能的重视。建筑外门、外窗作为建筑物内部与外界大气连通的主要通道,其耐火完整性性能的优劣,直接影响着火灾发生后发展和蔓延的规模。

  但是,目前我国在建筑外门外窗耐火性能方面的政策性文件不是很完善,相关规范标准也不健全,导致在实际生产和经营活动中,不同部门对建筑门窗耐火完整性要求的理解不尽相同,出现很多的分歧。鉴于此,本文针对目前对建筑门窗耐火完整性要求争论的热点问题,分别从具备耐火完整性要求的建筑门窗的标准规范解释、与防火门窗的区别、检测技术和工程验收等方面,进行阐述和梳理,旨在解决目前行业内外普遍存在的困惑,为建筑门窗行业的正轨运行与有序发展提高参考。

  2、标准规范相关条文解析

  建筑门窗耐火完整性要求,首次由2015年5月1日实施的国家标准GB50016-2014《建筑设计防火规范》提出。为了响应规范的要求,随后实施的国家标准GB/T 31433-2015《建筑幕墙、门窗通用技术条件》中,规定了建筑门窗耐火完整性不应低于0.5 h[2],也自此将耐火完整性作为建筑门窗的一项基本性能,纳入到建筑门窗标准体系中。目前正在编制中的国家标准GB/T 8478-20XX《铝合金门窗》,也将耐火完整性作为铝合金门窗的一个基本性能,提出了具体要求。

  公安部消防局法规标准处副处长沈纹,对GB50016-2014《建筑设计防火规范》的出台背景、重要意义及主要内容进行了详细解读。他指出,新规范目的之一旨在解决国内超高层建筑发展越来越迅猛,高度越来越高,发生火灾时过度依靠外部救援的问题,着重加强了建筑自身防御火灾技术措施的规定。规范中,对建筑门窗提出了以下具体要求[1]:

  2.1规范第5.5.32条中,要求建筑高度大于54m的住宅建筑,在每户设置的避难间,其内门应采用乙级防火门,其外窗的耐火完整性不宜低于1.00h。

  此条编制的初衷,是设置一间安全条件更高的房间,并保证其在一定时间内,处于相对安全的环境中,为逃生和救援留出时间。基于这个考虑,设置在房间内墙中的乙级防火门,可以抵挡室内火的侵入,既可以满足耐火完整性要求,又具备一定的隔热能力。而室外侧发生火灾时,需要设置在外墙上的外窗具备抵御室外火侵入的能力,考虑到人员不必留在避难间内,故而只提出了耐火完整性要求,而未提出隔热性要求。基于以上分析,该处配置的建筑外窗,设计时应该考虑抵抗室外火的能力。

  2.2规范第6.2.5条指出,对于建筑外墙上、下层外窗之间设置防火玻璃墙的,其外窗的耐火完整性在高层建筑和多层建筑中分别不应低于1.00h和0.50h。

  目前,建筑中采用落地窗,或者上、下层之间不设置实体墙而用防火玻璃墙的现象比较普遍。即使设置的防火玻璃墙满足防火要求,如果配套使用的建筑外窗不具备耐火完整性,一旦发生火灾,无论室内侧还是室外侧,都会导致火灾突破外窗而在水平和竖直方向上蔓延。因此,此条规定的目的,是为了防止层间窜火,控制火势的发展和蔓延。该处配置的建筑外窗,耐火完整性设计时,既要考虑室外火的侵入,也要能够阻止室内火的突破。

  2.3 规范第6.7.7条要求,当建筑的外墙外保温系统采用燃烧性能为B1、B2级的保温材料时,除了采用B1级保温材料且建筑高度不大于24m的公共建筑或采用B1级保温材料且建筑高度不大于27m的住宅建筑外,建筑外墙上门、窗的耐火完整性不应低于0.50h。

  近些年,为了提高建筑物整体节能水平,建筑外墙外保温系统被大量广泛地使用。一旦高层建筑工程中采用的保温材料耐火等级不达标,就会为整个建筑的消防安全留下隐患。高层建筑火灾的主要特点是烟囱效应(词条“烟囱效应”由行业大百科提供)强,极易向上迅速蔓延,瞬间形成立体火灾,甚至跳跃式发展。同时,在建筑外部风力的作用下,在水平方向上也会瞬间蔓延到其他部位。考虑到建筑物室外侧纵向立体火灾的危害性,减少室外火发展和蔓延造成的损失,建筑外门外窗应能够抵挡室外火的侵入,保证受波及房间的安全。此外,规范中对建筑外门提出0.5 h的完整性要求,也证明该处提及的建筑门窗为普通门窗,因为我国不允许使用耐火完整性0.5 h的防火门产品。

  3、耐火建筑门窗与防火门窗的区别

  建筑外门窗,作为建筑物的重要组成部分,属于建筑外围护结构构件。建筑物为了实现最基本的通风和采光功能,在建筑外墙上设置建筑门窗。同时,为了健康舒适和安全耐久的需要,不断改善建筑门窗的其他性能,比如气密水密抗风压性能、反复启闭性能和节能性能等。目前,为了满足整体建筑的消防设计目标,又提出了耐火完整性要求,对建筑外窗的性能做了一次扩充和提升。毫无质疑地,耐火完整性要求的提出,应以不降低建筑外窗其他性能指标为前提。如果说为了关注安装在建筑外墙上门窗的耐火完整性,而忽略或降低建筑门窗其他性能指标的要求,则不符合新规范的编制初衷。

  具备耐火完整性的建筑外门窗,很多人认为就是没有隔热性能要求的防火门窗,这是完全不正确的认识。首先,两者的主要使用功能不同。非隔热型防火门窗重点强调的是其防火功能,而对其物理性能要求很少,或者不做要求。防火窗只要求气密性(词条“气密性”由行业大百科提供)能和抗风压性能,而防火门基本上没有要求。具有耐火完整性的建筑外门窗首先应保证的是其物理力学性能,例如适用性和节能性,而耐火完整性则属于建筑门窗众多安全性要求其中的一个指标。其次,两者的主要制作材料不同。虽然都需要使用防火玻璃,但是防火门窗通常选用熔点高的钢型材(词条“钢型材”由行业大百科提供)做为框架,也因此导致节能性能比较差,不适合做建筑外门窗使用。而建筑外门窗一般多选用断热铝合金型材PVC内衬型钢等节能效果好的材料作为框架。但因这些型材的熔点较低,故不能用于防火门窗。再有,两者的启闭控制方式有所不同。具备开启功能的防火窗,除了正常启闭操作外,要求额外配备窗扇启闭控制装置,以满足受火条件下的自动关闭功能;防火门通常额外配备防火闭门器或自动闭门装置。而建筑外窗只需安装手动操作的五金(词条“五金”由行业大百科提供)启闭装置,无须具备受火条件下门窗扇自动关闭的功能。

  以上分析可见,即使建筑外门窗需要具备耐火完整性要求,也不应该按非隔热型防火门窗对待,而应该归类为非消防类产品。其耐火完整性性能指标的设计思路、检测技术和验收方式,应该和建筑门窗应该具备的其他各项物理力学性能指标相互协调,综合考虑。

  4、检测技术的解析

  目前,我国建筑外门和外窗耐火完整性检测技术,按照GB50016-2014《建筑设计防火规范》的要求,分别采用的是GB/T 7633-2008 《门和卷帘的耐火试验方法》和GB/T 12513-2006《镶玻璃构件(词条“构件”由行业大百科提供)耐火试验方法》中规定的检测条件和判定规则[3][4]。这两个标准中规定的试验方法也分别是GB 12955-2008《防火门》和GB 16809-2008《防火窗》产品标准中用于衡量防火门、防火窗耐火性能的测试方法[5][6]。虽说防火门窗的耐火性能测试技术发展多年,如今应用到建筑外门外窗上,有很多规定条款需要论证,其中最关键的一项就是标准升温曲线的选择。

  我们知道,建筑火灾强度受很多因素控制,比如燃烧材料,通风条件,受火房间大小等等。因此,规定统一的受火条件的实质,是提供一个能合理代表火灾发生条件的标准试验环境,在该试验环境下,可以比较不同构件的耐火性能,并进行等级划分[7]。标准耐火试验环境不一定代表实际火灾发生的情况,也不一定表明建筑门窗在标准耐火试验条件下的耐火性能就是其在真实火灾中的耐火性能。

  现有的试验方法标准中,包括国内外标准[8][9][10][11][12],都是依据或参考BS 476-20:1987发展而来,选用室内侧火灾条件下的温度曲线,模拟富氧状态下受限空间发生的火灾环境。因此,依据该温度曲线进行的试验,考查的是室内侧建筑构件的耐火性能。但是,在实际情况下,遭受室外火侵袭的建筑门窗,因室外火灾存在大量的热量扩散现象,受火条件不如其在室内侧受火条件严酷。因此,设计为室外侧受火的建筑门窗耐火性能测试,应该给出较低水平的受火条件,采用室外火灾升温曲线评价其耐火性能。

  室内和室外火灾升温曲线分别由公式1[13]和公式2[14]给出,对应的温度曲线及对比见图1所示。

图1 室内和室外火升温曲线图

  根据图1中两条不同的升温曲线的比较可知,采用室内火和室外火测试条件下,建筑门窗需要承受的温度差别很大。在试验持续到30分钟时,室内火条件下的温度达到841℃,高于室外火条件下的温度约160℃;在试验持续到60分钟时,室外火温度已经稳定在680℃,而室内火温度则达到了945℃,两者之差约265℃。

  由于建筑门窗用框架型材的熔点通常较低,在耐火性能测试中,升温曲线的选择至关重要,也直接影响到耐火完整性测试结果。根据本文之前对国家标准GB 50016-2014《建筑设计防火规范》相关条款的分析,满足耐火完整性要求的建筑门窗,即有室内侧受火条件,也存在室外侧受火条件。因此,在耐火性能测试中,应该根据产品实际的设计要求,选择不同的升温曲线进行测试,以提供更加科学合理的测试环境,为建筑门窗具备的耐火完整性水平作出客观的评价。

  除了受火条件的选择外,如何对具有耐火完整性要求的建筑门窗整体性能作出综合的测试评价,也是一个需要考虑的问题。我们知道,普通的建筑门窗不做防火性能设计,而只关注物理力学性能指标的水平。如今,增加了耐火完整性要求的建筑门窗,除非放弃现有的各类框架材料,否则不进行框架结构(词条“框架结构”由行业大百科提供)改造,根本无法实现防火要求。而根据目前的研究发现,在对建筑门窗结构改造以实现耐火完整性指标的同时,不可避免地会牺牲部分的节能性能。因此,建筑门窗这两个重要的性能指标如何协调,也是在建筑门窗进行耐火测试技术研究中需要关注的问题。

  5、耐火建筑门窗的验收

  对具有耐火完整性建筑门窗的验收,是困扰目前众多门窗企业的一个环节。即使通过不懈努力开发出了满足国家标准GB 50016-2014《建筑设计防火规范》要求的门窗产品,选择怎样的检测机构检测,以及提供怎样的验收证明材料,目前整个行业,包括各个地方政府部门和协会,也都还没有一个共识。这样的局面,导致各地在实际工程验收中,存在非常混乱的局面,严重影响了耐火完整性建筑门窗的发展和推广。

  公安部消防产品合格评定中心《关于进一步推动消防产品强制性认证工作的通知》公消评[2015]31号文件中,转发国家质量监督检验检疫总局、公安部、国家认证认可监督管理委员会《关于部分消防产品实施强制性产品认证的公告》(2014年第12号公告)中,明确规定了实行强制性产品认证的消防产品目录中,包括隔热型防火门,隔热型防火窗,隔热型防火玻璃。在出厂销售和经营活动中使用时,须获得公安部消防产品合格评定中心颁发的强制性产品认证证书。而对于非强制性认证的消防产品,比如非隔热型防火门窗,则需要由公安部消防产品合格评定中心指定的检验机构进行型式认可或强制检验。

  但是,具有耐火完整性要求的建筑门窗,既不属于隔热型防火门窗,也不属于非隔热型防火门窗。耐火建筑门窗只是属于具有防火性能要求的建筑构件,而不属于消防产品。依据《建设工程消防监督管理规定》(公安部令第106号)第二十一条规定,消防产品和非消防产品在验收时,提供的资料是不同的。对于具有防火性能要求的建筑构件,建设单位申请消防验收时,应提供符合国家标准或者行业标准的证明文件、出厂合格证。其中,证明文件为法定认可的检验机构提供的产品型式检验报告。

  6、总结

  本文针对国家标准GB 50016-2014《建筑设计防火规范》中关于耐火建筑门窗的要求,针对行业内外关注的一些问题进行了解释和分析,总结如下:

  6.1 设置在避难间的建筑外窗,目的在于承受室外火的侵袭,而不是用于防止室内火的突破,因此在耐火性能设计和受火条件选择时,应该考虑室外侧受火的条件。

  6.2 设置在无实体墙的上下层的建筑外窗,是为了阻止火灾通过窗口部位层间窜袭,既包括室内火,也包括室外火。因此,该处设置的建筑外窗,设计时应考虑室内外双向耐火性能,并按不同受火面选择相应的受火条件进行测试。

  6.3 对于使用外墙外保温系统的高层建筑,当对建筑门窗的耐火能力有要求时,应该考虑建筑门窗抵抗室外火侵袭的能力和水平。同时,耐火性能测试中,应该选择室外火的受火条件。

  6.4 建筑门窗耐火完整性测试,不应该统一使用标准火灾升温曲线作为受火条件,而应根据设计要求选择不同的火灾升温曲线。

  6.5 具备耐火完整性的建筑门窗,是在其满足物理力学性能要求的前提下,又具备标准要求的耐火性能。因此,建筑门窗的耐火性能设计思路和测试技术,不能脱离对其他性能的考虑,尤其是彼此冲突的节能性能,而应该进行门窗整体性能的综合考虑。

  6.6耐火建筑门窗,属于具有防火性能的建筑构件,不属于消防产品。因此,其验收方式和性能检验,应符合具有防火性能要求的建筑构件的规定,而不应该依据消防产品的规定。

  参考文献

  [1]GB 50016-2014《建筑设计防火规范》

  [2]GB/T 31433-2015《建筑幕墙、门窗通用技术条件》

  [3]GB/T 7633-2008 《门和卷帘的耐火试验方法》

  [4]GB/T 12513-2006《镶玻璃构件耐火试验方法》

  [5]GB 12955-2008《防火门》

  [6]GB 16809-2008《防火窗》

  [7]GB/T 9978.3-2008《建筑构件耐火试验方法 第3部分:试验方法和试验数据应用注释》

  [8]BS EN 1363-1-1999‘Fire resistance tests Part1 General requirements’

  [9]ISO 834-1-1999‘Fire resistance test Elements of building construction Part 1 General requirements’

  [10]AS 1530.4-2005‘Methods for fire tests on building materials, components and structures Part 4 Fire-resistance test of elements of construction’

  [11]ASTM-E119-00‘Standard test methods for fire tests of building construction and materials’

  [12]GB/T 9978.1-2008《建筑构件耐火试验方法 第1部分:通用要求》

  [13]BS 476-20:1987‘Fire test on building materials and structures-part 20:Method for determination of the fire resistance of elements of construction-general principles’

  [14]GB/T 26784-2011《建筑构件耐火试验可供选择和附加的试验程序》

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专家介绍

 王洪涛

建筑门窗配套件委员会专家组

工作单位:中国建筑科学研究院建筑物理研究所

技术职称:高工

专业:  工作简历及主要作品或业绩:   具有本学科扎实的理论基础、熟悉建筑幕墙外窗的应用技术,主持研发了多项建筑外窗幕墙检测技术、设备。其中建筑外窗现场检测设备在建筑门窗行业引起极大反响,已经在国内大量推广使用。承担多项国家大型工程的幕墙门窗检测及工程技术论证。为国内省市及地方检测单位提供技术支持,建立检测设备。担任全国建筑幕墙门窗标准化技术委员会秘书长,负责幕墙门窗行业国家标准。主持及参加多项国家科技支撑重点项目及部、院级科研项目。具备实验室认可/检查机构技术评审员资格。

专长:建筑门窗幕墙检测及研究

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