一种针对建筑外墙防火结构及其性能的模拟实验装置

摘要

本发明涉及一种针对建筑外墙防火结构及其性能的模拟实验装置，解决了尚无针对建筑外墙防火构件模拟实验装置的缺陷。本发明中左支架和右支架分别位于窗口两侧且水平对应，左支架和右支架上安装有水平挡板；模拟主墙上位于水平挡板的左侧安装有左竖直挡板且左竖直挡板与模拟主墙构成转动配合，模拟主墙上位于水平挡板的右侧安装有右竖直挡板且右竖直挡板与模拟主墙构成转动配合。本发明不仅能够实现建筑外墙防火结构如水平挡板、竖向挡板以及防火隔离带对外立面火行为的防火性能和影响机制研究，还能用于对建筑外墙保温材料的防火性能研究和多种复杂建筑外墙防火结构条件下的防火性能研究。

说明书

技术领域

本发明涉及建筑外墙防火测试技术领域，具体来说是一种针对建筑外墙防火结构及其性能的模拟实验装置。

背景技术

随着我国社会经济快速发展和城镇化进程不断深入，（超）高层建筑日益增多。我国内地目前共有近20万座高层建筑，其中超高层建筑有近3000多座，与高层建筑快速发展相依相伴的是其带来的严重的火灾安全问题。

外墙有机保温材料的使用可以在一定程度上减少能源消耗，而且给居民提供一个相对舒适的生活环境，但是大量可燃外墙保温材料的使用也带来了重大的火灾安全隐患，带来的灾难更是不可估量。目前，可燃和易燃外墙保温材料的大量使用，使得由建筑外立面火蔓延造成的重特大火灾事故频繁发生；其次，高层建筑发生火灾，建筑内部竖向间火焰和烟气蔓延非常迅速，还会通过建筑外部可燃外立面燃烧形成内-外-内相互蔓延的大规模立体火灾，扑救难度大。

高层建筑火灾在致灾机理与行为方面具有很多新的特点，在防控方面有诸多技术难题亟待解决。首先，外墙保温材料被广泛应用于高层建筑，成为降低建筑能耗的重要途径之一。常用的外墙有机保温材料，如聚苯乙烯和硬泡聚氨酯外墙保温材料等，虽然具有优越的保温节能性能，但是这些保温材料可燃，火蔓延速度迅速，同时又大量有毒有害烟气，造成重大的安全隐患。再者，复杂的建筑结构及边界条件会带来特殊的火灾演化行为。高层建筑的结构与边界条件复杂，管网纵横交错，楼梯井、电梯井、管道井等竖向通道内形成的烟囱效应、活塞风等显著影响高层建筑内部的火蔓延及烟气输运过程，是造成群死群伤重大事故的重要原因。当室内火灾导致玻璃幕墙破裂时，将形成外立面开口火溢流，火灾给高层建筑的结构安全带来严重威胁。最后，火灾也给高层建筑的结构安全带来严重的威胁。玻璃幕墙结构、钢结构和大面积灯箱广告牌已成为高层建筑等现代综合建筑的重要结构形式，这些结构本身的力学荷载分布就非常复杂，其关键构件和节点在火灾非均匀强变热流的作用下，很容易膨胀失效并导致建筑结构的局部或整体坍塌，形成重大的火灾次生灾害，造成灾难性后果。

目前我国《建筑设计防火规范》（GB50016-2006）和《高层民用建筑设计防火规范》（GB50045-95 2005）都是没有针对预防外墙保温材料引发的火灾而制定先关条文，规定中都没有提出针对建筑外墙防火结构的设计的具体内容，即便是最新的《建筑设计防火规范》（GB50016-2014）也仅仅对民用建筑外墙保温以及其装饰时采用的保温材料的燃烧性能提出要求，对建筑外墙防火结构没有详细规定。2012年2月10日，住建部就《关于贯彻落实国务院关于加强和改进消防工作的意见的通知》对外墙保温材料要求：“加强新建建筑监管，要严格执行《民用建筑外墙保温系统及外墙装饰防火暂行规定》中关于保温材料燃烧性能的规定，特别是采用B1和B2级保温材料时，应按照规定设置防火隔离带。” 外墙保温隔离带与保温材料配比单元，只有公安部、住房和城乡建设部2009年46号文件要求。从大尺寸窗口火实验可知此标准不利于火灾防控。对已经具有外墙外保温系统的建筑很难按照现行法规重新安装，相应的通知、法律规范并未明确其使用要求。

此外，建筑物外墙固有的外部结构，例如阳台、窗槛墙、挑檐等类似的水平挡板结构和竖直挡板结构，自身具有一定的宽度和长度，该类建筑结构在一定程度上对外墙保温系统火行为有一定的影响和相应的防火效果。可是相应结构的防火行为没有具体的研究和相应的火灾实验，缺少这些方面的数据支撑和实验验证。因此，有必要针对不同类型建筑外墙的外部结构开展加强建筑防火构造的基础研究和在建筑外部结构基础上对外保温火行为的影响研究，获取相关的数据支撑，为高层建筑外立面保温系统的防火设计提供有益的指导和借鉴，也为高层建筑火灾扑救和结构设计等条纹规范提供有力的理论指导和技术支撑。

由于火灾现象的复杂性和不确定性，需要通过引入相似理论的思想，将实际复杂的多因素耦合作用下的火灾过程简化为影响因子单一、条件可控的小尺寸实验研究，从而简化实际火灾中的复杂性，降低实验成本，操作性简单，提高实验可重复性。因此，建筑外墙防火结构、防火性能模拟实验装置需要以中小尺寸实验为基础，突出防火隔离带、水平挡板、竖直挡板等构件的防火性能以及对外保温系统火行为的模拟实验和研究。

现有技术中虽有部分文件提出了类似研究设计，但均无法满足建筑外墙防火结构、防火性能模拟实验需要。如专利申请号为200910184963.0的专利文件，公开了一种城市建筑外壁面火灾模拟实验装置，其通过斜坡板的设计，重点研究室内溢流火对建筑物外壁面的影响，以及毗邻坡地受限情况下的火行为的实验和研究设备，研究的重点在于建筑物外部的斜面对建筑物的影响，无法用于模拟建筑物本身的防火隔离带、水平挡板、竖直挡板等防火结构。

专利申请号为20101058927.9也公开了一种建筑物外墙保温系统火灾实验装置，该装置研究建筑物外墙保温材料自身的火灾蔓延规律和火蔓延抑制措施，研究重点在于建筑物外墙结构影响下火灾蔓延的动态和规律，而非防火结构性能的研究，因此同样无法进行防火结构的模拟实验。

如何开发出一种利用中小尺寸研究建筑外墙防火构件的模拟实验装置已经成为急需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中尚无针对建筑外墙防火构件模拟实验装置的缺陷，提供一种针对建筑外墙防火结构及其性能的模拟实验装置来解决上述问题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种针对建筑外墙防火结构及其性能的模拟实验装置，包括燃烧室组件和模拟主墙，模拟主墙的中下部开有窗口, 燃烧室组件固定安装在模拟主墙上且位于窗口处；燃烧室组件包括支架，支架中部放置有电子天平，电子天平上放置有支架底盘，支架上部固定安装有燃烧小室，燃烧小室的侧部设有正门，正门上设有开口，燃烧器底盘下方安装有燃烧器支架，燃烧器底盘位于燃烧小室内且通过燃烧器支架贯穿燃烧小室的底部放置在支架底盘的上方，燃烧器支架、支架底盘和电子天平三者在一起的垂直高度大于电子天平至燃烧小室的垂直高度；燃烧小室的开口与模拟主墙位于同一竖直平面上，

所述的模拟主墙上位于开口的上方分别设有左支架和右支架，左支架和右支架分别位于窗口两侧且水平对应，左支架和右支架上安装有水平挡板；模拟主墙上位于水平挡板的左侧安装有左竖直挡板且左竖直挡板与模拟主墙构成转动配合，模拟主墙上位于水平挡板的右侧安装有右竖直挡板且右竖直挡板与模拟主墙构成转动配合。

所述的模拟主墙上位于左竖直挡板和右竖直挡板之间安装有样品卡槽。

所述的燃烧小室的上部设有顶部小孔，燃烧小室的侧部设有侧向小孔，所述的燃烧器底盘上放有燃烧器。

所述的左支架和右支架的长度均大于水平挡板的宽度，水平挡板的数量大于1个。

所述的左支架和右支架的数量均大于1个，相邻的左支架之间呈纵向排列，相邻的右支架之间呈纵向排列。

所述的左竖直挡板和右竖直挡板的数量均大于1个，相邻的左竖直挡板之间互相横向连接安装，相邻的右竖直挡板之间互相横向连接安装。

还包括热电偶架，所述的热电偶架包括热电偶架底座，热电偶架底座上安装有热电偶架固定盘，热电偶架固定盘上安装有竖向支架，竖向支架上横向安装有若干个套管支架，套管支架上横向安装有若干个热电偶套管，所述的热电偶架位于模拟主墙的窗口处，热电偶套管的末梢与燃烧小室的开口中心点Y轴延长线相对应。

还包括主墙填充板，主墙填充板安装在模拟主墙的窗口处且位于燃烧小室的下方。

所述的样品卡槽的数量为2个。

有益效果

本发明的一种针对建筑外墙防火结构及其性能的模拟实验装置，与现有技术相比能够进行针对外墙防火结构的防火性能影响研究，其不仅能够实现建筑外墙防火结构如水平挡板、竖向挡板以及防火隔离带对外立面火行为的防火性能和影响机制研究，还能用于对建筑外墙保温材料的防火性能研究和多种复杂建筑外墙防火结构条件下的防火性能研究。

本发明考虑了水平挡板和竖直挡板以及防火隔离带的综合作用下对建筑外立面火行为的耦合作用的防火性能和机理研究，既可以研究单一影响因子的防火性能，还可以综合研究多个影响因子耦合作用下的防火性能，操作简单灵活、拆卸方便、实验可重复性强、数据可靠性高。

通过燃烧小室正门上的开口设计，采用相似原理实现小尺寸的窗口溢流火焰形态，用于室内溢流火的火灾场景下建筑外墙防火结构的防火性能研究。通过水平挡板在左支架和右支架上的多变设计，可以随意地调节水平挡板的宽度和位置实现水平挡板对建筑外立面火行为的防火性能和机理研究。通过竖直挡板的活动安装和多个竖直挡板的横向安装设计，可以通过调整竖直挡板的宽度、位置和角度变化实现竖直挡板对建筑外立面火行为的防火性能和机理研究。通过样品卡槽的设计，可以方便的在不同位置固定测试材料，实现防火隔离带的不同高度对建筑外立面火行为的防火性能和机理研究。

附图说明                      

图1为本发明结构主视图；

图2为本发明中燃烧小室去除开口后的结构示意图；

图3为本发明中燃烧室组件的结构示意图；

图4为本发明中燃烧室组件与燃烧小室安装在一起的结构示意图；

图5为本发明中水平挡板使用结构示意图；

图6为本发明中竖向挡板使用结构示意图；

图7为本发明中热电偶架的结构示意图；

图8为本发明中模拟主墙的结构示意图；

其中，1-模拟主墙、2-主墙填充板、3-燃烧小室、4-正门、5-右支架、6-水平挡板、7-样品卡槽、8-左竖直挡板、9-热电偶架、10-侧向小孔、11-顶部小孔、12-底部小孔、13-正门开关、14-支架、15-燃烧器、16-燃烧器底盘、17-燃烧器支架、18-支架底盘、19-电子天平、20-开口、21-热电偶架底座、22-热电偶架固定盘、23-竖向支架、24-套管支架、25-热电偶套管、26-窗口、51-左支架、81-右竖直挡板。

具体实施方式

为使对本发明的结构特征及所达成的功效有更进一步的了解与认识，用以较佳的实施例及附图配合详细的说明，说明如下：

本发明所述的一种针对建筑外墙防火结构及其性能的模拟实验装置，包括燃烧室组件和模拟主墙1，如图8所示，模拟主墙1的中下部开有窗口26， 窗口26用于放置燃烧室组件。如图1所示，燃烧室组件固定安装在模拟主墙1上且位于窗口26处，燃烧小室3的开口20与模拟主墙1位于同一竖直平面上，窗口26与燃烧室组件的大小相同。模拟主墙1与燃烧室组件固定安装，即直接安装在燃烧小室3的上部，起到了固定模拟主墙1的作用。燃烧小室3是通过支架14支撑的，燃烧小室3与模拟主墙1安装在一起时，窗口26下部为支架14的位置，在实验过程中，这个位置可以放置主墙填充板2，主墙填充板2安装在模拟主墙1的窗口26处且位于燃烧小室3的下方，从而与模拟主墙1和燃烧小室3三者一起在整体上形成一个平面，能够更好的模拟建筑外墙结构。

如图3和图4所示，燃烧室组件包括支架14，支架14中部放置有电子天平19，电子天平19上放置有支架底盘18。支架14上部固定安装有燃烧小室3，如图2所示，燃烧小室3为内部净尺寸为800mm的立方体结构。燃烧小室3的侧部设有正门4，正门4上设有开口20，正门4铰接在燃烧小室3的侧部，通过正门开关13与燃烧小室3开启或关闭。燃烧器底盘16下方安装有燃烧器支架17，燃烧器底盘16位于燃烧小室3内且通过燃烧器支架17贯穿燃烧小室3的底部放置在支架底盘18的上方。燃烧小室3的底部开有底部小孔12，燃烧器支架17穿过底部小孔12放置在支架底盘18上，燃烧器底盘16上放有燃烧器15。由于支架底盘18安装在电子天平19上，电子天平19通过燃烧器支架17可以测得燃烧器底盘16上燃烧器15的质量变化。燃烧器支架17、支架底盘18和电子天平19三者在一起的垂直高度大于电子天平19至燃烧小室3的垂直高度，即燃烧器底盘16位于燃烧小室3内，但是不与燃烧小室3相接触，从而保证电子天平19的准确记录。燃烧小室3的开口20与模拟主墙1位于同一垂直（纵向）平面上，通过燃烧器15的燃烧，从开口20往模拟主墙1上蔓延，从而实现利用小尺寸对建筑外墙的模拟。

如图5所示，模拟主墙1上位于开口20的上方分别设有左支架51和右支架5，左支架51和右支架5用于支撑水平挡板6。左支架51和右支架5分别位于窗口26两侧且水平对应，左支架51和右支架5上安装有水平挡板6。水平挡板6用于模拟建筑外墙的水平构件，通过左支架51和右支架5安装于燃烧小室3的开口20上方。

为了更好的方便实验，左支架51和右支架5的数量均大于1个，即可以设计多个左支架51和右支架5。多个相邻左支架51和右支架5之间的高度间隔可以为100mm，相邻的左支架51之间呈纵向排列，相邻的右支架5之间呈纵向排列，形成两两水平对应。这样在进行水平构件的实验中，可以方便地将水平挡板6放置于不同高度的左支架51和右支架5上。为了更方便的设置水平挡板6的宽度，可以将左支架51和右支架5的长度设计均大于水平挡板6的宽度。在左支架51和右支架5上则可以放置多个水平档板6，从而通过多块水平档板6的横向拼装模拟大宽度的水平挡板。同理，水平挡板6也可以设计多个宽度，如100mm、200mm、300mm、400mm等宽度，也可以利用多块100mm宽度的水平挡板6水平安装组合。

模拟主墙1上位于水平挡板6的左侧安装有左竖直挡板8且左竖直挡板8与模拟主墙1构成转动配合，模拟主墙1上位于水平挡板6的右侧安装有右竖直挡板81且右竖直挡板81与模拟主墙1构成转动配合。左竖直挡板8和右竖直挡板81用于模拟建筑外墙的竖直结构，其可能通过现有技术中的多种方式与模拟主墙1构成转动配合，如在左竖直挡板8和右竖直挡板81上位于模拟主墙1设计卡块，使之只能进行旋转，或在模拟主墙1上设置螺纹孔，左竖直挡板8和右竖直挡板81旋转安装在螺纹孔上。这样，左竖直挡板8和右竖直挡板81可以根据需要在模拟主墙1上进行0-180度的变化范围。同理，为了更方便的实验和模拟大宽度的竖直挡板，可以将多个左竖直挡板8或右竖直挡板81横向连接安装，横向连接安装的方式按现有技术的方式即可，如相邻的左竖直挡板8之间粘接、相邻的右竖直挡板81之间用铰链连接等。

为了能够模拟建筑外墙在复杂的建筑结构条件下，其建筑材料的防火性能，可以在模拟主墙1上位于左竖直挡板8和右竖直挡板81之间安装有样品卡槽7。样品卡槽7的数量为2个，样品卡槽7的形状可以依样品来定，其设置的长度大于样本的宽度，这样样本可以根据需要选择样品卡槽7的上部、中部或下部进行固定。固定的方式同样可以为现有技术的多种，如粘接、螺钉固定等。

为了更方便的进行数据测量，如图2所示，燃烧小室3的上部设有顶部小孔11，燃烧小室3的侧部设有侧向小孔10，顶部小孔11和侧向小孔10用于在燃烧小室内固定探测采集装备。如图7所示，为了确保热电偶套管25测量的准确性，热电偶架9包括热电偶架底座21，热电偶架底座21上安装有热电偶架固定盘22，热电偶架固定盘22上安装有竖向支架23。竖向支架23上横向安装有若干个套管支架24，套管支架24的数量可以为11个，相互套管支架24之间的间隔为200mm。套管支架24上横向安装有若干个热电偶套管25，每个套管支架24上可以安装9个热电偶套管25，热电偶套管25的长度可以为150mm，确保热电偶架保持竖直方向，热电偶套管25保持水平方向。如图1所示，热电偶架9位于模拟主墙1的窗口26处，热电偶套管25的末梢与燃烧小室3的开口20中心点Y轴延长线相对应，从而可以更准确地测量数据。

在实际使用时，研究水平挡板结构对建筑外墙火行为的防火结构和性能的影响时，可以分别实验燃烧小室3上方的水平挡板6固定在不同高度位置处的实验数据，通过调整水平挡板6位于不同高度的左支架51和右支架5，实现距离燃烧小室3的开口20的不同位置。同理，水平挡板6的宽度可以根据宽度单位为100mm的多个水平挡板6在左支架51和右支架5上横向拼装叠加而成，从而调节成多个100mm倍数的宽度，实现水平挡板位置和宽度的变化。将温度、称重测量系统以及正面和侧面摄像机布置到位，确保数据采集信息正常。热电偶架9和燃烧小室3的开口20距离保持特定距离，燃烧小室开口尺寸20保持不变，确保外壁面火焰功率为一特定值。燃烧器15采用气体燃烧器，通过管道连接气态丙烷储气罐，通过玻璃转子调节气体流速，保证气态火源的稳定性。准备就绪之后，开启数据采集模块，进行数据采集，等待点火。点火开始后，观察记录实验过程中，水平挡板6对开口20溢流火下建筑外墙火行为的影响，并记录突发实验现象和相应时间点。实验结束后，等待整个装置温度冷却，然后改变水平挡板6位置、宽度，重新开始重复上面的步骤进行实验，从而实现研究水平挡板6宽度和位置对开口20溢流火下建筑外墙火行为的影响。同理，研究竖直挡板结构对建筑外墙火行为的防火结构和性能的影响时，也采用以上实施步骤，并且根据需要调整左竖直挡板8和右竖直挡板81的宽度。

研究防火隔离带对建筑外墙保温系统火行为的防火性能。实验开始前，燃烧小室3的开口20上方的样品卡槽7根据实验样品需要将样品固定在样品卡槽7的上部、中部或下部。即将样品卡槽7固定于模拟主墙1上，将外墙保温材料（样品）插进样品卡槽7，并通过现有技术的方式将其固定，使得保温材料（样品）紧贴壁面，且高度不变。此时认为保温材料（样品）下端与燃烧小室3的开口20上檐距离即为防火隔离带宽度。在燃烧小室3的上方，保温材料（样品）下方可以选择放置水平挡板6，水平挡板6宽度根据需要设置，可以为400mm。当实验开始后，燃烧小室3的开口20溢出火焰稳定后，撤离水平挡板6。将热电偶架9与燃烧小室3的开口20保持特定间距，确保温度和信息采集系统保持正常，燃烧小室开口尺寸保持不变。准备就绪，开启数据采集模块，进行数据采集、等待点火。点火开始后，观察记录实验过程中，防火隔离带宽度对燃烧小室3的开口20溢流火下建筑外墙火行为的影响，并记录突发实验现象和相应时间点。实验结束后，等待整个装置温度冷却后，改变防火隔离带宽度，即改变保温材料（样品）在样品卡槽7上固定的距离位置，重新开始重复上面的步骤进行实验，研究防火隔离带宽度对建筑外墙保温系统火行为的防火性能影响。同时根据需要设置相应的水平挡板6、左竖直挡板8和右竖直挡板81，据此能够研究出在水平挡板6和左竖直挡板8和右竖直挡板81的影响作用下，建筑外墙保温材料（样品）的防火性能。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。