淺談高層及超高層鋼結(jié)構(gòu)建筑的防火措施

李奇隆　王乾任

摘 要：由于鋼材強(qiáng)度高、自重輕、延性韌性好等優(yōu)點(diǎn)，鋼結(jié)構(gòu)被廣泛地應(yīng)用于高層、超高層建筑中，但是又面臨鋼結(jié)構(gòu)不耐火的一個(gè)難題。因此，探討高層、超高層鋼結(jié)構(gòu)建筑的防火措施，并指出相應(yīng)的適用范圍、優(yōu)缺點(diǎn)，具有很重大的工程意義和社會(huì)價(jià)值，能有效地減少人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，為工程實(shí)踐提供科學(xué)的指導(dǎo)和可靠的依據(jù)。

關(guān)鍵詞：高層、超高層鋼結(jié)構(gòu)建筑；耐火問題；防火措施

1 概況

近年來，隨著施工技術(shù)和設(shè)計(jì)理念的成熟，為了有效的利用空間，建筑開始向高層、超高層發(fā)展。由于鋼結(jié)構(gòu)的材料強(qiáng)度高、自重輕、穩(wěn)定性好、施工周期短等優(yōu)越性，在高層、超高層建筑中被廣泛應(yīng)用。但是，鋼材的耐火性能極差，當(dāng)溫度超過一定的范圍時(shí)，其承載能力受到極大的影響，當(dāng)溫度超過600攝氏度時(shí)甚至完全喪失承載能力。因此，直接將鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用于高層、超高層建筑中而不采取必要的防火措施時(shí)，勢必會(huì)給建筑物發(fā)生火災(zāi)造成重大事故埋下隱患，危機(jī)人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。在高層、超高層建筑中，即使鋼結(jié)構(gòu)的耐火性能較差，但考慮到鋼結(jié)構(gòu)的很多性能優(yōu)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)仍然在大跨度、高層及超高層建筑中占有重要的地位。因此，為了減輕火災(zāi)對鋼結(jié)構(gòu)承載能力的影響，為人們提供足夠的逃生時(shí)間，減少火災(zāi)造成的損失，在高層、超高層鋼結(jié)構(gòu)建筑中采用有效的防火措施具有重要的意義。

2 鋼結(jié)構(gòu)的防火措施

采用絕熱或吸熱的材料或方法降低熱量向鋼結(jié)構(gòu)傳遞和積累的速度，推遲鋼結(jié)構(gòu)升溫和降低強(qiáng)度的時(shí)間，為消防滅火和人員逃生提供充足的時(shí)間，這是鋼結(jié)構(gòu)防火的主要理念和根本目標(biāo)。至今為止，鋼結(jié)構(gòu)的防火保護(hù)方法有很多種，但是從防火原理上可以分為截流法和疏導(dǎo)法兩種。

2.1 截流法與疏導(dǎo)法的區(qū)別

截流法和疏導(dǎo)法最根本的區(qū)別在于它們的防火原理不同：截流法的基本原理是截?cái)嗷蜃铚馂?zāi)產(chǎn)生的熱量傳到鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件上，使其在規(guī)定時(shí)間內(nèi)溫度不超過臨界溫度；疏導(dǎo)法的基本原理是允許熱量傳到鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件上，但可以通過設(shè)置的系統(tǒng)將熱量消耗或?qū)ё?，使?gòu)件溫度不超過臨界溫度，從而起到保護(hù)的作用。由于兩者的基本原理不同，必然具體的保護(hù)方法有所差異。截流法具體方法是在鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件表面設(shè)置一層或多層保護(hù)材料，火災(zāi)發(fā)生時(shí)產(chǎn)生的高溫首先傳給這些保護(hù)材料，然后經(jīng)由保護(hù)材料傳給鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件。由于保護(hù)材料的導(dǎo)熱系數(shù)一般很小，而熱容量又相對較大，因而能夠有效地阻礙熱量向鋼構(gòu)件的傳遞，起到保護(hù)作用。疏導(dǎo)法的具體實(shí)施方法是在空心密閉的鋼構(gòu)件（主要是柱構(gòu)件）中充滿水，火災(zāi)發(fā)生時(shí)構(gòu)件將熱量傳遞給水，依靠水的蒸發(fā)和循環(huán)系統(tǒng)將熱量消耗或?qū)ё撸沟娩摻Y(jié)構(gòu)構(gòu)件的溫度控制在100攝氏度左右，保護(hù)構(gòu)件不喪失承載能力。

2.2 截流法

截流法根據(jù)保護(hù)材料、施工工藝和適用性等的不同，可以分為水噴淋法、噴涂法、包封法、屏蔽法。以下就各種方法具體說明其各自的使用特點(diǎn)和區(qū)別。

1.水噴淋法：水噴淋法是在鋼結(jié)構(gòu)頂部設(shè)置噴淋供水管網(wǎng)，火災(zāi)發(fā)生時(shí)

自動(dòng)（或手動(dòng)）噴水滅火，在構(gòu)件表面形成一層致密的連續(xù)流動(dòng)的水膜，從而起到保護(hù)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的作用。

2.噴涂法：噴涂法是在鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件表面用噴涂機(jī)具噴涂防火涂料，形成防火保護(hù)層。鋼結(jié)構(gòu)的防火涂料的種類繁多，主要可以分為兩類：薄涂型防火涂料（B類）和厚涂型防火涂料（H型），分別又稱為鋼結(jié)構(gòu)膨脹防火涂料（TN-LB型、SB-2型等）和鋼結(jié)構(gòu)防火隔熱材料（LG型、SG-2型等）。并且，噴涂場地要求、構(gòu)件表面處理、接縫填補(bǔ)、涂料配制、噴涂次數(shù)、質(zhì)量控制及驗(yàn)收等應(yīng)符合《鋼結(jié)構(gòu)防火涂料應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》的相關(guān)規(guī)定。

3.包封法：包封法是最常見也是最基本的鋼結(jié)構(gòu)的保護(hù)方法，采用耐火材料將鋼構(gòu)件包裹，包封材料有防火板材、陶?；炷?、磚、鋼絲網(wǎng)抹灰粉刷等。如果采用石膏板、蛭石板、珍珠巖板、硅酸鈣板等硬質(zhì)防火板材包封鋼構(gòu)件，應(yīng)該用粘結(jié)劑或鋼件將板材固定。如果采用礦棉、巖棉等軟質(zhì)板材包封鋼構(gòu)件時(shí)，應(yīng)該用薄金屬板或其他不燃性板材將其包裹起來。

4.屏蔽法：屏蔽法是將鋼構(gòu)件包在耐火材料組成的墻體或者吊頂內(nèi)，主要應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)屋蓋系統(tǒng)的保護(hù)。屏蔽法中的保護(hù)材料與鋼構(gòu)件之間有一定的空間，因而在吊頂?shù)目斩春徒涌p處應(yīng)嚴(yán)密，以防串火。

目前，噴涂法和包封法是最常用的防火保護(hù)方法。主要是因?yàn)椋簢娡糠ㄊ┕ず唵危恍枰獜?fù)雜的工具就可以施工，重量輕，造價(jià)較低，同時(shí)不受構(gòu)件的幾何形狀的限制；包封法采用導(dǎo)熱系數(shù)小、熱容量大的防火板材保護(hù)鋼構(gòu)件，雖然施工復(fù)雜，較噴涂法有一定的限制，但在某些方面具有獨(dú)到的優(yōu)勢。例如將鋼構(gòu)件和混凝土結(jié)合，適當(dāng)改變結(jié)構(gòu)形式，便能形成鋼混結(jié)構(gòu)。而且隨著國內(nèi)外新型防火板材的研制，包封法的優(yōu)勢逐漸體現(xiàn)出來：耐火性能好，耐火極限高；性能穩(wěn)定，持久可靠；安全性好；經(jīng)濟(jì)效益好等。

2.3 疏導(dǎo)法

疏導(dǎo)法雖然在我國尚未采用過，但在美國的薩斯州銀行大廈和匹茲堡鋼鐵公司大廈得到了很好的應(yīng)用。相比于截流法，疏導(dǎo)法的具體方法較為單一，目前在國內(nèi)外僅有充水冷卻一種。從理論上來講，充水冷卻是保護(hù)鋼結(jié)構(gòu)最有效的方法。通過充填在鋼構(gòu)件中的水消耗或?qū)ё呋馂?zāi)產(chǎn)生的熱量，是鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的溫度始終維持在合適的溫度范圍內(nèi)，保證結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性等。冷卻水可以通過高位水箱或供水管網(wǎng)、消防車來補(bǔ)充維持，蒸汽則經(jīng)由專門設(shè)置的排氣口排出。除此，為了防止銹蝕和低溫造成結(jié)冰，水中應(yīng)該加入阻銹劑和防凍劑。一般而言，單根柱可以自成水的冷卻系統(tǒng)，也可以多根柱子聯(lián)通成一個(gè)系統(tǒng)，視具體情況而定。雖然疏導(dǎo)法較截流法有效，但是由于經(jīng)濟(jì)和技術(shù)等原因，目前還是主要采用截流法。

3 總結(jié)

通過探討高層、超高層鋼結(jié)構(gòu)建筑的防火保護(hù)措施，比較各種方法的優(yōu)劣和使用范圍，發(fā)現(xiàn)目前主要采用截流法中的噴涂法和包封法。噴涂法不受鋼構(gòu)件形狀的限制，施工方便，特別適合輕鋼結(jié)構(gòu)、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和異性鋼結(jié)構(gòu)的防火，是目前應(yīng)用最多的鋼結(jié)構(gòu)防火保護(hù)方法。但是隨著經(jīng)濟(jì)技術(shù)的發(fā)展，包封法的優(yōu)勢也不斷得到補(bǔ)充，在某些方面較噴涂法優(yōu)越。因此，在高層、超高層建筑中具體采用哪種防火措施，應(yīng)該綜合考慮建筑物的結(jié)構(gòu)、施工技術(shù)水平、成本和經(jīng)濟(jì)效益、火災(zāi)發(fā)生的概率、建筑的重要程度等因素，選擇最適合的防火措施。

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