《Journal of Building Engineering》：Methodology for evaluating the fire performance of multilayer modular fa?ades – Case study integrating solar technologies
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本研究提出了一种评估多层模块化幕墙（2MF）火灾性能的创新方法，该方法超越了标准测试要求以满足更严格的安全标准。该方法首先识别异质幕墙中火灾传播难以预测的关键区域，随后将其应用于一个尺寸为2.2 m × 3 m、集成光伏（PV）、太阳能热利用（ST）和混合光伏
本研究提出了一种评估多层模块化幕墙（2MF）火灾性能的创新方法，该方法超越了标准测试要求以满足更严格的安全标准。该方法首先识别异质幕墙中火灾传播难以预测的关键区域，随后将其应用于一个尺寸为2.2 m × 3 m、集成光伏（PV）、太阳能热利用（ST）和混合光伏热（PVT）技术的幕墙模块。中间尺度试验以ISO 13785-1为基础进行了改进，包括将燃烧器输出功率从100 kW提升至300 kW、将试件构型从双翼改为单墙，并建立了系统的评估标准。研究开展了两次试验：第一次试验未满足任何标准，第二次试验通过设计改进和被动防火保护（PFP）措施满足了除"燃烧坠落物"外的所有标准。研究结果强调了在设计早期阶段进行火灾性能评估和迭代设计优化的重要性，同时揭示出良好的火灾反应分级（如Euroclass B-s1,d0）并不能保证可接受的火灾蔓延行为，凸显了采用更真实测试方法的必要性。中间尺度试验被提议作为一种有效且经济的火灾性能评估工具，未来研究应深化与全尺度试验的相关性分析，并探索量热分析与防火保护策略的成本效益评估。
工业化建造已成为欧洲建筑行业的变革性趋势，通过场外制造、标准化构件与先进技术集成，为提升建造质量、加速施工进度及促进技术融合提供了创新解决方案。然而，随着轻量化、预制化多层模块化和预组装围护系统的广泛应用，其火灾安全性成为关键挑战。尽管单层燃烧物（SBI）试验是评估建筑材料火灾反应的常用方法，但其在模拟复杂幕墙实际火灾行为方面存在明显局限——该试验的内部火灾场景不适用于幕墙火灾事件，且样本尺度过小、测量参数不足，无法反映现代幕墙系统的复杂性。
针对这一背景，Aurrekoetxea-Arratibel等研究人员在欧盟Horizon 2020计划资助的ENSNARE项目框架下，开展了一项发表于《Journal of Building Engineering》的研究，旨在开发一种超越标准测试要求的火灾性能评估方法论，并将其应用于集成多种太阳能技术的创新幕墙系统。该研究的核心前提是：在设计早期阶段整合火灾安全考虑，以预防性策略替代被动应对，同时保持预制化效率和能源性能优势。
研究采用的关键技术方法主要包括：基于ISO 13785-1改进的中间尺度火灾试验方法，具体调整包括将丙烷燃烧器热输出从100 kW提升至300 kW以模拟更接近实际的外部火灾场景（热通量约50 kW/m
2，接近真实火灾条件），将试件构型从标准双翼改为单墙以降低试验成本与复杂性；建立了涵盖火焰蔓延（外部与内部）、温度阈值（外部与内部测点500°C+环境温度持续30秒以上）以及燃烧坠落物五项评估标准；采用K型热电偶网络进行温度监测，并结合视觉观察与录像分析；通过迭代设计循环，首次试验后引入被动防火保护元件进行系统 redesign。
研究结果的详细分析按以下方面展开：
**初始设计与关键脆弱性识别**
研究人员首先对ENSNARE幕墙系统的火灾关键脆弱点进行了系统分析。该系统由铝框架支撑，包含内外两层独立结构，两层之间设有通风空气间隙。外层集成光伏（PV）、太阳能热利用（ST）及混合光伏热（PVT）技术，并设有可注册区域（Registrable Area, RA）用于布置管线和电路。识别出的关键脆弱点包括：（i）空腔与接缝可能形成火灾传播路径；（ii）太阳能技术组件缺乏认证的火灾反应分级引入不确定性；（iii）系统内部异质性导致火灾响应模式难以预测；（iv）铝框架在高温下可能发生机械失稳；（v）过渡构件（如过梁）可能成为火焰穿透至空腔的薄弱环节。基于此，首次试验样本被设计为包含所有四种技术的"最坏情况"配置，其中PV技术置于直接受火区域，钢质过梁替代铝质过梁以提升耐火性能。
**第一次试验：全面失效的基准案例**
试验1中，火灾首先在4分30秒时沿垂直接缝出现不连续火焰，5分30秒时火焰通过可注册区域（RA）右侧接缝向上蔓延，7分14秒时PVT空腔火焰持续。火焰通过空腔系统实现显著传播，主接缝与次级接缝在火灾蔓延中表现类似。9分57秒时，水平接缝处出现火焰喷射，导致上部构件点燃。各面板呈现差异化火灾行为：PV-Al面板早期玻璃破裂、夹层点燃；HPL面板内外表面逐渐燃烧；PV-SS面板密封垫烧毁后面板脱落，23分19秒时光伏板与合成石材坍塌；PVT面板在25分09秒释放多块玻璃碎片；ST面板表现最佳，整体损伤轻微。27分33秒时，RA外部火焰垂直超越试件上限，导致标准A失败。内部温度标准于23分20秒起相继失效，燃烧坠落物标准于12分52秒失效。最终，试验1未满足任何评估标准，样本完全损毁。
**重新设计策略与被动防火保护集成**
基于试验1的深刻洞察，研究人员实施了系统性的重新设计策略，核心在于在关键区域引入被动防火保护（PFP）元件：(1) 在垂直RA中每道水平接缝上方增设空腔屏障，取代原有的单一屏障；(2) 在RA覆层面板增加水平接缝以制造不连续性；(3) 在接缝交汇处应用膨胀型密封带（Intumescent Bands）封闭纵向接缝；(4) 在样本底部设置水平空腔屏障，并在RA垂直铝型材上附着竖向岩棉条，沿覆层面板与主框架接缝设置膨胀带；(5) 重新配置技术分布，避免PV-Al技术直接置于过梁上方。第二次试验样本改为单模块单元配置，包含三排技术水平向布置，以探讨双向火焰蔓延路径。
**第二次试验：显著改善但未完全达标**
试验2中，膨胀型密封带有效抑制了垂直型材中的火焰传播。垂直RA的温度演变呈现三阶段特征：0-600秒温度渐升；600-1100秒因最低HPL面板脱离子结构并燃烧导致下部温度突增；1100-1800秒上方屏障保护区域温度保持低于阈值。外部与内部温度标准均得到满足，火焰未垂直超越试件上限。然而，17分59秒时HPL面板燃烧产生的颗粒坠落并持续燃烧超过30秒，导致标准E未能满足。各面板行为呈现：PV-SS仅直接受火区域脱落；PVT从接缝处开始燃烧；ST面板表现最具韧性；第三排面板仅表面炭化。整体而言，4/5项标准通过，燃烧坠落物问题仍未解决。
**讨论**
关于测试方法，研究人员指出该中间尺度程序提供了SBI试验无法比拟的系统层面洞察，尤其适用于组件间复杂交互作用显著的模块化幕墙系统。300 kW恒定热源输出的设定虽属保守方法，但热通量测量结果与Oleszkiewicz的大尺度实验及NFPA 285校准标准具有可比性。方法的局限性包括：燃烧器位置可能对火焰行为产生影响；恒定热源强度未能模拟真实火灾的动态增长；热电偶网络引入测量复杂性；数据采集间隔有优化空间；试验重复性受进气气流波动影响；以及中间尺度固有的垂直高度限制对模拟多层火灾蔓延的固有限制。关于幕墙系统性能，被动防火保护组合有效延迟或阻止了空腔、面板接缝和RA中的火焰传播，但火焰颗粒喷射问题因玻璃热破裂和HPL可燃性而持续存在。成本效益分析被认为是未来评估保护策略比例性的必要步骤。
研究结论部分指出：第一，所开发的方法论具有通用性和可转移性，中间尺度测试程序与评估标准专为2MF系统定制，但阈值可能需要根据不同材料、空腔几何形状或安装概念进行调整；第二，研究识别了影响2MF系统火灾性能的关键因素，包括空腔屏障、接缝、材料火灾反应和系统配置，设计改进如被动防火保护、钢质过梁和保护性过渡构件能有效减缓火焰蔓延和烟囱效应，但燃烧坠落物风险在本案例研究中仍未解决；第三，创新的中间尺度试验模拟了真实火灾条件，提供了关于火灾蔓延、温度分布和热通量的详细数据，支持系统化的设计改进，未来工作应探索动态热源、与大规模试验的相关性以及量热测量（如HRR、THR）以增强可重复性和真实性；第四，该方法比标准小尺度试验提供更准确的火灾性能洞察，中间尺度分析对于可靠评估至关重要，未来研究应评估火灾韧性策略的可持续性影响并在多样化的幕墙系统中验证该框架。
