木結(jié)構(gòu)防火設(shè)計方法簡介＊

劉 靜,張盛東

(同濟大學建筑工程系,上海 200092)

0 引言

木材是唯一可再生的主要工業(yè)材料;樹木在生長過程中會吸收大量CO2,并釋放出O2;與其它材料相比,木材從開采、加工、運輸一直到施工、使用,耗能低、排廢少,且易回收、易處理;因此是對環(huán)境最友好的材料。并且因為木材強度質(zhì)量比高,易加工,所以在人類歷史中一直是主要的建筑材料。與鋼結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比,木結(jié)構(gòu)所用木材原料不僅在生長過程中能改善自然環(huán)境,而且加工過程能耗低,廢棄后可自然降解,堪稱綠色結(jié)構(gòu)。

但是木材作為有機生物材料,也存在一些缺點,比如木材是易燃材料,木結(jié)構(gòu)的防火是確保木結(jié)構(gòu)安全的重要方面。隨著建筑的迅速發(fā)展和功能日趨復雜,起火因素不斷增加,從而導致火災時有發(fā)生并造成重大損害。因而,許多國家把建筑防火列為消防工作及城市建設(shè)的重要內(nèi)容之一,并頒布一系列法規(guī),對建筑設(shè)計進行約束和監(jiān)督。

起火必須具備三個條件:可燃物、引燃的火源及助燃的物質(zhì)氧、氯、溴等,此即燃燒三要素。在進行防火設(shè)計時,主要是控制該三要素,其中控制可燃物至關(guān)重要。因為在現(xiàn)代建筑物內(nèi)存在著各種各樣的可燃物質(zhì),一旦與火源接觸,就可能造成火災并帶來巨大損失。

現(xiàn)代防火設(shè)計一般根據(jù)結(jié)構(gòu)要求和建筑內(nèi)使用者的數(shù)量來選擇合適的建筑材料和適當?shù)姆阑鸱椒ā，F(xiàn)代建筑規(guī)范根據(jù)結(jié)構(gòu)類型、建筑使用目的和使用者的數(shù)量規(guī)定了防火要求。很顯然,最優(yōu)先的防火要求是提供足夠的時間和逃生設(shè)施使人們能逃離火災;其次,結(jié)構(gòu)應(yīng)該維持足夠的時間以便滅火隊員能夠滅火;最后才是保護建筑本身和鄰近的建筑[1]。

木結(jié)構(gòu)建筑有3種方法來滿足這些要求。①木構(gòu)件可以被封閉在一個防火層中,防止它們暴露在火焰之中,輕型木結(jié)構(gòu)常采用這種方法;②重型木結(jié)構(gòu)建筑采用重型木材建造,有足夠的火災抵抗能力,不需要額外的防火措施;③新方法是1 h火災防護設(shè)計方法,1 h火災防護方法是基于對木構(gòu)件耐火能力的計算。

1 傳統(tǒng)防火設(shè)計

我國古代形成了以木結(jié)構(gòu)為主的建筑結(jié)構(gòu)體系,因此人們很早就開始關(guān)注木結(jié)構(gòu)建筑的防火并且采取了一些相應(yīng)的措施,使得大量古建筑能夠完好地保存至今。古代建筑的許多細微方面都滲透了古人深刻的防火意識和防火技術(shù)的內(nèi)涵,值得我們?nèi)ヌ接懷芯俊?/p>

(1)尋找替代木材的不燃燒建筑材料,夯土筑墻、磚墻、瓦屋頂是較早采用的方式。由于磚、石使用有一定局限性,因此在建筑防火技術(shù)中巧妙地采用“復合材料”,如磚木混合柱和涂泥抹灰?！蹲髠鳌废骞拍?公元前564年),記載春秋時宋國預防和撲救火災的一整套辦法,其中最基本的一項措施是:“火所未至,撤小屋,涂大屋”。現(xiàn)存許多宮殿、寺廟的立柱常采用外表面包護油灰的木柱,一般包護層2～3 cm,既防腐又防火。在秦安大地灣古建筑遺址里發(fā)現(xiàn)的木結(jié)構(gòu)外表上,有一層“膠封材料”,類似于現(xiàn)今的硅酸鹽水泥,是迄今為止我們所知道的世界上最早采用的防火涂料[2]。

(2)設(shè)置防火分隔,例如室內(nèi)隔墻,即室內(nèi)用非燃燒體的實體隔墻,能阻止火勢在建筑物內(nèi)部肆意蔓延。明代室內(nèi)防火隔墻做法:每隔7間房屋空出1間,將其四壁砌成無門無窗的磚墻;然后,在房間內(nèi)充填三合土直到頂部壓實;最后,封磚蓋瓦。外部看來是一間無門無窗的房屋,而內(nèi)部看來卻是一堵5 m厚的防火墻[2]。這是中國古人的一大創(chuàng)造,在世界上也是獨一無二的。古建筑中常見的防火墻,還有硬山墻、封火墻、石制隔火門等。徽派建筑中的封火墻,又名風火墻或者馬頭墻,在木結(jié)構(gòu)房屋框架四周砌成高出屋面的實體磚墻,墻端砌成“斗式”或“雀尾式”,形似馬頭。該墻厚度約20～30 cm,耐火時間達6 h以上,具有較高的耐火極限。封火墻與房屋框架相互獨立,一方面可以使房屋的木結(jié)構(gòu)不外露,另一方面嚴格劃分了防火分區(qū),使火災不會大面積蔓延。

(3)設(shè)置消防通道不僅可以幫助建筑內(nèi)部人員逃生、還為撲救火災提供方便條件。江南古建筑中的備弄是早期消防通道的代表之一,其設(shè)計是在位于建筑群最右邊或最左邊軸線上設(shè)置的一條長長的弄堂。平時一般供下人進出,在發(fā)生火災時,則充當人們從被大火圍困的內(nèi)宅、里院應(yīng)急疏散出來的一條緊急通道,其功能類似于現(xiàn)代建筑中的消防通道[3]。

(4)古代沒有水泵加壓設(shè)備和消防栓,滅火主要靠開鑿河渠,打井修池和廣備水缸(太平缸)。韓非子說:“失火而取水于海,海水多,火必不滅矣。遠水不救近火也?！惫沤ㄖ嘟杼烊凰磥肀Ｕ蠝缁鹩盟?現(xiàn)存古建筑附近多有河、溪、湖等水源。江南民間建筑中還常有大大小小水池的花園。這些水池平時可以養(yǎng)魚種荷,發(fā)生火災時便成了滅火取水的絕好水源。在明清故宮中還打了80余口水井,供生活所需的同時兼做備用的“消火栓”。

古建筑的防火設(shè)計對當今建筑防火設(shè)計中防火分隔、消防規(guī)劃布局、消防道路、水源布局等方面的理論研究和實際應(yīng)用都具有重要的借鑒意義。

2 1 h防火設(shè)計方法

針對現(xiàn)代防火設(shè)計,我們有必要引入幾個簡單的防火概念,并介紹一種新的防火思路。

我國建筑材料燃燒性能分級是按照國家標準《建筑材料燃燒性能分級方法》(GB8624-97)執(zhí)行的,將建筑材料按燃燒性能可劃分為:A不燃燒性;B1難燃燒性;B2可燃燒性;B3易燃燒性建筑材料。我國耐火極限的判定條件:①失去完整性,或完整性被破壞。②失去絕熱性或隔火作用。③失去承載能力或抗變形能力。影響耐火極限的因素主要有:材料的燃燒性能,構(gòu)件的截面尺寸和保護層的厚度。

在我國,現(xiàn)行的《建筑設(shè)計防火規(guī)范》GB50016

-2006規(guī)定,建筑物的耐火等級取決于組成該建筑物的建筑構(gòu)件的燃燒性能和耐火極限,并將其劃分為一、二、三、四等級。一級最高,耐火能力最強;四級最低,耐火能力最差。木結(jié)構(gòu)建筑的耐火等級介于三級和四級之間,設(shè)計時,應(yīng)該參照《建筑設(shè)計防火規(guī)范》GB50016-2006。

然而在加拿大規(guī)范中,構(gòu)件的耐火極限決定了結(jié)構(gòu)的耐火等級。加拿大歷史上許多次大火災的經(jīng)驗證明,火災造成人員傷亡與結(jié)構(gòu)材料的燃燒性能沒有直接關(guān)系。不管建筑構(gòu)件以何種材料構(gòu)成,只要通過實驗的有關(guān)標準均視為達到規(guī)定的耐火等級,即只強調(diào)建筑構(gòu)件的耐火極限而不考慮該建筑材料屬于可燃材料還是非燃材料。建筑構(gòu)件的耐火極限實驗,按AST ME119的有關(guān)規(guī)定,在規(guī)定的時間內(nèi)判斷建筑構(gòu)件達到耐火極限的標準為:①背火面無熱氣或火焰穿透;②承重構(gòu)件在設(shè)計荷載下保證強度和抗變形能力;③試件背火面的平均溫度不超過139℃;④試件背火面任意點的溫度不超過181℃;⑤無消防水流穿過[7]。

國外在設(shè)計實踐中引入了建筑構(gòu)件1 h防火極限的概念,在1 h防火建筑中,建筑的每一構(gòu)件都必須符合AST ME-119火災試驗的要求。在這類試驗中,構(gòu)件將被加熱到1 600°F(872℃),以測得其溫度-時間曲線。在整個60 min的測試期內(nèi)構(gòu)件必須能夠承載其設(shè)計荷載,即每一構(gòu)件都必須能夠在火災中承受其荷載至少達1 h,如果能滿足要求那么就是合格的1 h構(gòu)件。此外,構(gòu)件之間的所有連接都必須具備相同的能力。1 h防火辦法的有效性已被木構(gòu)件測試和AST ME-199火災測試所證實[4]。

李(T.T.Lee)基于暴露在火焰中的木材的防火要求發(fā)展了一個公式來計算木構(gòu)件允許的安全支撐荷載的時間。2001美國木材理事會(AWC)發(fā)展了一種修訂后的方法來設(shè)計防火木構(gòu)件,使用和李相同的假設(shè),按照構(gòu)件減小的尺寸和平均極限強度,設(shè)計者可以計算構(gòu)件允許的能力。這一方法也能設(shè)計1 h防火的木構(gòu)露臺,并且也能用來檢查防火超過1 h的構(gòu)件,已經(jīng)被美國最新的建筑規(guī)范所接納[5]。

3 輕型和重型木結(jié)構(gòu)防火

木結(jié)構(gòu)主要分為兩大類:輕型木結(jié)構(gòu)與重型木結(jié)構(gòu)(有不同定義,一般梁、柱等主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件最小名義尺寸150 mm,木樓板最小名義尺寸50 mm)。前者常見于住宅,而后者常見于公共建筑。兩種結(jié)構(gòu)的防火思路不同,防火設(shè)計也就相應(yīng)地分為輕型和重型木結(jié)構(gòu)防火。

3.1 輕型木結(jié)構(gòu)防火

輕型木結(jié)構(gòu)建筑,絕大部分為居住建筑,在我國規(guī)范中,是指“由木構(gòu)架墻、木樓蓋和木屋蓋系統(tǒng)構(gòu)成的結(jié)構(gòu)體系,適用于三層及三層以下的民用建筑”。在北美,輕型木結(jié)構(gòu)是由均勻密布的(一般構(gòu)件中心間距小于600 mm)、構(gòu)件斷面較小的規(guī)格材連接組成結(jié)構(gòu)主體構(gòu)架的一種結(jié)構(gòu)形式,可建至四層或六層。

其防火思路是利用木材與不燃性成分的聯(lián)合應(yīng)用,降低可燃性成分的比例,隔斷從火源傳來的熱及外界傳來的氧氣,采用材料表面覆一層難燃層這一物理方法來達到防火的目的。

主要的防火手段是對建筑構(gòu)件材料進行包覆防火處理,即外包防火石膏板[1],用以阻斷及防止火焰直接燃燒木構(gòu)件,以滿足建筑構(gòu)件的耐火極限要求。為了達到不同的耐火極限要求,我們可以采用不同厚度的防火石膏板。另外,還可以對木材進行難燃或不燃處理;或直接阻斷火焰與木構(gòu)件接觸,通常做法是在木龍骨之間添加保溫隔熱材料,再在其外面覆蓋石膏板。至于選擇什么樣的保溫隔熱材料或者石膏板,應(yīng)該由建筑構(gòu)件所要達到的耐火極限決定。

在建造輕型木結(jié)構(gòu)建筑時,一般還會在木構(gòu)架的所有密封空間使用木制阻塞物進行阻火,可防止火勢在墻體、地板和屋頂空隙內(nèi)的蔓延?；鸷蜔熿F可以穿過常見于輕型框架建筑中的隱蔽孔洞和管道設(shè)施,所以應(yīng)設(shè)置實心擋火塊封鎖這些孔隙,以阻止火焰在其中穿行[1]。

國外許多研究者對輕型木結(jié)構(gòu)的耐火性能進行了非常深入的研究[4],如Lennon等[6]用足尺輕型木結(jié)構(gòu)火燒實驗表明了輕型木框架房屋良好的隔火性能。

在我國,輕型木結(jié)構(gòu)建筑的防火設(shè)計,應(yīng)遵照《建筑設(shè)計防火規(guī)范》GB50016和《木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB50005-2003中相關(guān)章節(jié)的規(guī)定執(zhí)行。

3.2 重型木結(jié)構(gòu)防火

重型木結(jié)構(gòu),是采用堅固耐用的大截面原木,或者工程木材(膠合木,PSL、LVL等),形成由梁、柱,桁架,拱或其它大跨結(jié)構(gòu)組成的結(jié)構(gòu)體系,結(jié)構(gòu)構(gòu)件是建筑物內(nèi)部主要承重構(gòu)件,大多暴露在外。

膠合木結(jié)構(gòu)[7],重型木結(jié)構(gòu)中的一種典型代表,突破了自然木材對截面尺寸的局限性,具有非凡的耐火能力,絕緣性和尺寸穩(wěn)定性等。利用膠合木,可以制作成大跨度的直線或拱形構(gòu)件,滿足了大空間大跨度的設(shè)計要求。

未經(jīng)強化防火處理的金屬構(gòu)件遇高溫時容易降低強度,會使建筑物突然坍塌。與金屬構(gòu)件相比,大截面木構(gòu)件在遇火時,木材表面點燃并迅速燃燒,燃燒的木材形成炭化層,能阻斷內(nèi)部木材受高溫侵襲,將初始燃燒速率降至一穩(wěn)定值,使得強度保持時間相對較長。表面形成的炭化層起到了很好的隔熱作用,保護了構(gòu)件內(nèi)部受到火的進一步作用。

火災時,溫度可達到700℃～900℃。當溫度升至230℃時,鋼材的強度急劇下降,在750℃時其強度降為原先的10%。而通常,只有在溫度達到250℃時木材才會燃燒,一旦著火,在火勢兇猛的情況下木材通常以0.6～0.7 mm/min的速度碳化。碳化層自然將木材與外界隔離并提高木材可承受的溫度。實驗表明,在一場持續(xù)30 min的大火中,膠合木的每個暴露的表面只有19 mm因碳化而損失,余下絕大部分原始截面則完整無損。經(jīng)計算可以得出構(gòu)件在火災后一般能保持原構(gòu)件設(shè)計強度的85%～90%。所以從另一個角度來看,木構(gòu)件在火災時比鋼構(gòu)件更安全[7]。

重型木結(jié)構(gòu)依靠木材在燃燒時表面產(chǎn)生碳化層來延阻木材燃燒的速度,利用炭化層來減緩火焰進一步向構(gòu)件內(nèi)部燃燒?；馃蠼购诘耐鈱釉诨馂倪^程中扮演了“絕緣”的角色,降低了內(nèi)部材質(zhì)燒焦的幾率。其防火設(shè)計主要是通過規(guī)定結(jié)構(gòu)構(gòu)件的最小尺寸,如果殘余橫截面很小時,炭化速率將加快,因此截面越大的木構(gòu)件,其防火性能通常越好[5]。

重型木結(jié)構(gòu)建筑中,所有構(gòu)件外露,利用木構(gòu)件本身的耐火性達到規(guī)定的耐火極限,所有連接包括金屬套件和木材連接件,均要滿足規(guī)范要求。

4 木材的化學阻燃處理

有許多木結(jié)構(gòu)的構(gòu)件尺寸要求達不到重型木結(jié)構(gòu)的要求,但建筑上要求其外露;歷史保護建筑中的許多木結(jié)構(gòu)構(gòu)件;或者重型木構(gòu)件有需要時,均需要對木材表面進行阻燃處理。

理想的木材阻燃劑應(yīng)該具有如下特點:①阻燃效力高,既能阻止有焰燃燒,又能抑制陰燃;②阻燃劑本身無毒,不污染環(huán)境;③阻燃性能持久,在使用過程中不發(fā)生熱、光分解;④吸濕性低,木材的尺寸穩(wěn)定性好;⑤物理力學性能和工藝性能基本不受影響;⑥防腐、防蟲;⑦木材的視覺、觸覺和調(diào)節(jié)等環(huán)境學特性基本不受影響;⑧成本低廉,來源豐富,易于使用。

有許多阻燃劑可用來減少木材的可燃性,這種化學處理的主要目的是為了減少火焰覆蓋木材表面的速度,高壓浸漬比表面涂刷有效得多[1,8]。用于木材的阻燃物質(zhì)多是P、B、N、鹵素等的無機物與有機物,它們有極為優(yōu)良的阻燃和耐火性能[9-10]。

美國Hickson公司開發(fā)的多功能的Dricon,是比較好的木材防護劑,防火、防腐、防蟲性能都通過國際相關(guān)權(quán)威機構(gòu)的檢測[9,11]。東北林業(yè)大學的李堅、王清文等在木材阻燃方面做了深入的研究,設(shè)計合成了具有多種效能的磷氮硼復合木材阻燃劑FRW[12]。

木材的阻燃處理方法多種多樣,其中多數(shù)方法由移植或改良木材防腐處理方法而來,包括浸注法、噴涂法、貼面法、熱壓法、復合法、輻射法、超聲波法、高能噴射法等[13]。

5 小結(jié)

歷史上許多次大火災的經(jīng)驗證明,火災造成人員傷亡與結(jié)構(gòu)材料的燃燒性能沒有直接關(guān)系。借鑒加拿大的消防設(shè)計理念,只強調(diào)建筑構(gòu)件的耐火極限,不考慮其燃燒性能,可以使得木結(jié)構(gòu)得到廣泛的應(yīng)用。

本文主要介紹了3種木結(jié)構(gòu)防護方法,1 h防火建筑則使用觀察到的木材在火焰中的炭化率來計算構(gòu)件的尺寸,輕型木結(jié)構(gòu)外包難燃層進行物理防火,重型木結(jié)構(gòu)通過限定構(gòu)件的最小尺寸來保證防火能力,有較長的成功歷史。

對于外露木結(jié)構(gòu),有些構(gòu)件尺寸要求達不到重型木結(jié)構(gòu)的要求,或者重型木構(gòu)件有需要時,則需要對木材表面進行化學阻燃處理。

目前大力提倡的建筑防火性能化設(shè)計方法是建立在消防安全工程學基礎(chǔ)上的一種新的建筑防火設(shè)計方法:首先應(yīng)進行火災假想,根據(jù)建筑物的使用功能確定火災的種類及特性。其次建立火場的數(shù)學模型,在計算機上輸入相應(yīng)的現(xiàn)場參數(shù),模擬火災時火焰?zhèn)鞑ニ俣?、方向、溫度、高溫煙氣等因素隨時間函數(shù)的發(fā)展而變化的情況;根據(jù)模擬的火場情況,確定建筑各部位建筑構(gòu)件的耐火極限、疏散通道的疏散距離、防火分區(qū)的劃分、需要設(shè)置的自動報警及自動滅火設(shè)施、防排煙設(shè)施等。最后將設(shè)計結(jié)果進行評估,既科學又實際。

木材是歷史最悠久的建筑材料,對木結(jié)構(gòu)的防護也是歷史悠久的學科,但現(xiàn)在仍存在許多問題需要研究,隨著科學技術(shù)的發(fā)展,出現(xiàn)了新的木基材料與新的結(jié)構(gòu),如在歐洲和北美市場非常受消費者青睞的膠合木構(gòu)件。近年來人工速生林資源發(fā)展很快,采伐量很大,使得膠合木結(jié)構(gòu)在我國市場極具發(fā)展?jié)摿?。目前國外對于膠合木構(gòu)件的耐火性能研究較多,但是對于膠合木建筑的連接金屬件的耐火性能和防火設(shè)計的研究較少。同時木質(zhì)復合結(jié)構(gòu)材料的耐火性能和防火設(shè)計也是我們研究的一個重要方向。

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