鋼結(jié)構(gòu)的建筑防火設(shè)計(jì)探討

席建峰

陜西建工第二建設(shè)集團(tuán)有限公司，陜西寶雞 721000

當(dāng)前我國(guó)建筑工程項(xiàng)目正在向著高層化和超高層化方向發(fā)展，這些建筑多選擇鋼結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)具有非常高強(qiáng)度和抗震性，結(jié)構(gòu)自重小，施工周期可得到有效控制，鋼結(jié)構(gòu)住宅的開(kāi)發(fā)屬于當(dāng)前建筑行業(yè)發(fā)展熱點(diǎn)。這些場(chǎng)所可燃物種類(lèi)和數(shù)量也逐漸增多，必須要對(duì)鋼結(jié)構(gòu)建筑防火設(shè)計(jì)有足夠重視度。鋼結(jié)構(gòu)本身的防火性能相對(duì)較差，導(dǎo)熱系數(shù)大，在450～650℃高溫環(huán)境下幾乎失去承載能力，存在嚴(yán)重的變形，如果鋼結(jié)構(gòu)建筑本身缺乏各項(xiàng)保護(hù)措施，火災(zāi)發(fā)生后鋼結(jié)構(gòu)建筑非常容易由于溫度過(guò)高等發(fā)生倒塌或者變形，因此，在發(fā)掘鋼結(jié)構(gòu)良好使用性能的同時(shí)必須要做好防火設(shè)計(jì)，本文就此展開(kāi)了研究分析。

1 鋼結(jié)構(gòu)建筑火災(zāi)危險(xiǎn)性分析

鋼結(jié)構(gòu)耐火性差的特征導(dǎo)致其應(yīng)用受到限制。當(dāng)有火災(zāi)等情況出現(xiàn)時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)本身不會(huì)發(fā)生自燃，但是受到高溫灼燒等因素影響，其性能?chē)?yán)重下降，很大程度上增加了火災(zāi)救援工作的難度。相關(guān)研究表明，如果鋼結(jié)構(gòu)建筑未做好防火設(shè)計(jì)，其支撐時(shí)間將不會(huì)超過(guò)20min，很大程度上增加初期滅火工作難度，另外，鋼結(jié)構(gòu)建筑有火災(zāi)等情況出現(xiàn)，非常容易產(chǎn)生大量熱量和煙霧，影響滅火工作的順利開(kāi)展。

2 高溫條件下鋼結(jié)構(gòu)力學(xué)性能分析

鋼結(jié)構(gòu)建筑以鋼材為主，鋼材屬于不可燃材料，但是在高溫環(huán)境下，隨著溫度的升高，鋼結(jié)構(gòu)整體性能會(huì)發(fā)生大幅度改變，彈性模量、抗壓強(qiáng)度以及屈服強(qiáng)度等明顯降低，有研究表明，如果溫度超過(guò)150℃，想要使鋼結(jié)構(gòu)建筑穩(wěn)定性得到保證，必須要給予針對(duì)性的防護(hù)措施。溫度在250～300℃時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度會(huì)迅速下降，溫度在350℃時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)屈服強(qiáng)度下降超過(guò)1倍，溫度在500℃時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)將喪失原有強(qiáng)度和剛度。一般火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)溫度往往在700℃以上，鋼結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能會(huì)發(fā)生非常大改變，甚至出現(xiàn)倒塌等問(wèn)題。

3 鋼結(jié)構(gòu)建筑防火基本性能要求

3.1 有良好絕熱性能

鋼結(jié)構(gòu)往往作為建筑鋼柱和鋼梁使用，根據(jù)一級(jí)防火要求，鋼柱耐火極限大約在3h左右，鋼梁的耐火極限在2h左右。按照二級(jí)防火要求，鋼柱和鋼梁的耐火極限會(huì)有一定的縮短，鋼結(jié)構(gòu)在表面長(zhǎng)時(shí)間受到超過(guò)200℃溫度輻射熱，或者短時(shí)間內(nèi)承受高溫火焰時(shí)，必須要給予針對(duì)性的防護(hù)措施，使鋼結(jié)構(gòu)使用過(guò)程中的安全可靠性得到保證。

3.2 有良好環(huán)保性能

當(dāng)前在鋼結(jié)構(gòu)建筑防火要求方面還需要保證其具有非常好的環(huán)保性能，這一要求需要落實(shí)在建筑鋼結(jié)構(gòu)施工以及使用等過(guò)程，嚴(yán)禁產(chǎn)生對(duì)人體有害氣體。當(dāng)前建筑工程項(xiàng)目室內(nèi)施工中空氣污染已經(jīng)成為影響公眾健康的一項(xiàng)主要因素。鋼結(jié)構(gòu)建筑使用過(guò)程中一旦發(fā)生火災(zāi)，材料內(nèi)部阻燃成分受到高溫等因素影響，將容易產(chǎn)生有毒有害氣體，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)被困人員以及消防人員的生命安全造成嚴(yán)重威脅。

4 鋼結(jié)構(gòu)建筑防火設(shè)計(jì)

4.1 鋼結(jié)構(gòu)建筑防火設(shè)計(jì)基本思路

不同形式鋼結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)前需要與建筑圖紙以及《建筑防火設(shè)計(jì)規(guī)范》等參數(shù)相結(jié)合，明確建筑耐火等級(jí)，之后對(duì)所設(shè)計(jì)項(xiàng)目耐火穩(wěn)定性、隔熱性等性能展開(kāi)綜合分析，明確建筑耐火極限。當(dāng)前鋼結(jié)構(gòu)建筑在廠房等較大空間中有著非常廣泛的應(yīng)用，這些廠房的鋼結(jié)構(gòu)以薄層結(jié)構(gòu)和圓柱等為主，其截面面積相對(duì)較大，受到這一因素影響，當(dāng)有火災(zāi)等情況出現(xiàn)時(shí)，結(jié)構(gòu)受熱面積大，吸收熱量程度高，鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和承載能力會(huì)在火災(zāi)出現(xiàn)后較短時(shí)間內(nèi)劇烈下降，尤其在跨度和空間較大的建筑中表現(xiàn)更為明顯。

鋼結(jié)構(gòu)建筑防火設(shè)計(jì)前還需要結(jié)合可燃物密度、建筑空間通風(fēng)和高度等方面情況，與鋼結(jié)構(gòu)本身的強(qiáng)度、尺寸和性能等分析考慮，按照分區(qū)方式設(shè)計(jì)。具體設(shè)計(jì)中，首先，可以進(jìn)行防火墻的設(shè)計(jì)，在建筑內(nèi)部建設(shè)防火墻，細(xì)化空間，但是有部分生產(chǎn)車(chē)間等需要連續(xù)性操作，防火墻的設(shè)計(jì)很難有效落實(shí)；其次，使用防火卷簾，使用防火卷簾能夠一定程度上降低火災(zāi)的影響，但是如果空間跨度過(guò)大，卷簾門(mén)的制作成本高，控制不方便；再次，設(shè)置自動(dòng)噴水裝置，這種防火方式在大空間廠房有著較好應(yīng)用效果，但是如果建筑屬于單層鋼架結(jié)構(gòu)，同時(shí)高度過(guò)高，很難取得理想的防火效果。

4.2 現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

以計(jì)算為基礎(chǔ)的防火設(shè)計(jì)在實(shí)際應(yīng)用中具有非常明顯優(yōu)勢(shì)，能夠從實(shí)際情況出發(fā)展開(kāi)耐火設(shè)計(jì)，在具體設(shè)計(jì)中：第一，明確防火被覆厚度；第二，明確構(gòu)件處于耐火極限下的構(gòu)件內(nèi)部溫度；第三，根據(jù)現(xiàn)有高溫條件下鋼材料的參數(shù)性能，明確結(jié)構(gòu)溫度作用以及外荷載作用下的內(nèi)力情況；第四，展開(kāi)荷載組合；第五，結(jié)合構(gòu)件以及受載類(lèi)型等方面情況對(duì)構(gòu)件在耐火承載力極限狀態(tài)進(jìn)行驗(yàn)算；第六，如果防火被覆厚度計(jì)算存在問(wèn)題，那么還需要對(duì)其重新進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，展開(kāi)重復(fù)性設(shè)計(jì)。

4.3 根據(jù)建筑重要性合理選擇鋼結(jié)構(gòu)建筑耐火等級(jí)

不同鋼結(jié)構(gòu)建筑的用途各不相同，其火災(zāi)危險(xiǎn)性也會(huì)存在一定的差異。鋼結(jié)構(gòu)建筑防火設(shè)計(jì)中必須要與我國(guó)建筑防火規(guī)范相結(jié)合，綜合多個(gè)方面因素分析考慮。根據(jù)國(guó)家一些強(qiáng)制性的規(guī)定和建筑重要性，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)建筑的火災(zāi)危險(xiǎn)展開(kāi)合理的劃分，之后結(jié)合分類(lèi)明確鋼結(jié)構(gòu)建筑防火設(shè)計(jì)所需要達(dá)到的防火等級(jí)。

4.4 合理選擇鋼結(jié)構(gòu)防火保護(hù)方法

當(dāng)前鋼結(jié)構(gòu)建筑在防火設(shè)計(jì)方面包含有多種不同方式，比如水淋法、沖水冷卻法等，不管何種防火保護(hù)方法都是以降低鋼結(jié)構(gòu)熱量傳遞速度為目的，以此降低鋼結(jié)構(gòu)建筑溫度，使鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低時(shí)間得到延長(zhǎng)。在具體的防火設(shè)計(jì)過(guò)程中必須要與建筑物使用情況相結(jié)合綜合分析考慮：

（1）噴涂式鋼結(jié)構(gòu)防火方法。這種防火設(shè)計(jì)方法主要是在鋼結(jié)構(gòu)的表面噴涂一層防火材料，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的保護(hù)。不同鋼結(jié)構(gòu)噴涂的噴涂厚度存在一定的差異，其防火原理各不相同。在薄型鋼結(jié)構(gòu)方面，一般將噴涂厚度控制在3～7mm，厚型鋼結(jié)構(gòu)方面，噴涂厚度往往控制在8～42mm，薄型鋼結(jié)構(gòu)和厚型鋼結(jié)構(gòu)防火原理的區(qū)別主要有以下3個(gè)：第一，薄型鋼可以通過(guò)遇火膨脹方式隔熱，也可遇火后產(chǎn)生惰性氣體，起到隔熱效果，厚型鋼結(jié)構(gòu)受熱后不會(huì)出現(xiàn)膨脹，主要根據(jù)自身的特性實(shí)現(xiàn)防火；第二，薄型鋼的防火涂料燃燒后會(huì)釋放滅火氣體，對(duì)人體造成一定的危害，厚型鋼防火涂料相對(duì)較為環(huán)保；第三，薄型鋼結(jié)構(gòu)的耐火極限一般最高達(dá)到2.5h，厚型鋼的耐火極限可達(dá)到3h以上。

（2）充水冷卻鋼結(jié)構(gòu)防火方法。這種防火方法主要是在空心封閉柱內(nèi)充水，當(dāng)有火災(zāi)等情況出現(xiàn)使，構(gòu)件可以利用柱中的水吸收火災(zāi)的熱量，之后通過(guò)蒸發(fā)方式實(shí)現(xiàn)對(duì)熱量的有效排除，維持構(gòu)件溫度100℃。只要鋼結(jié)構(gòu)中一直有水，就能夠不斷實(shí)現(xiàn)對(duì)熱量的消耗和傳遞，避免鋼結(jié)構(gòu)溫度過(guò)高導(dǎo)致其強(qiáng)度受到影響。

（3）鋼結(jié)構(gòu)建筑包敷法防火。這種防水方式主要是使用耐火材料包裹鋼結(jié)構(gòu)防火。所選擇的耐火材料往往有非常好熱容量，材料本身不可燃，比如無(wú)機(jī)防火板，這種材料與石膏板、硅酸鈣板等材料相比，施工簡(jiǎn)單、成本低廉，使用過(guò)程中不容易發(fā)生磨損，同時(shí)不會(huì)花費(fèi)較長(zhǎng)的施工時(shí)間。另外，包敷材料還沒(méi)可以選擇混凝土、砂漿等。

（4）水噴淋法鋼結(jié)構(gòu)防火。這種防火方式主要是在鋼結(jié)構(gòu)上部設(shè)置一定的管網(wǎng)和噴頭，鋼結(jié)構(gòu)溫度升高時(shí)，噴頭會(huì)在高溫情況下自動(dòng)打開(kāi)并噴水，能夠在鋼結(jié)構(gòu)建筑表面形成連續(xù)性流動(dòng)水膜，取得理想的滅火效果，尤其在水分蒸發(fā)過(guò)程中，會(huì)消耗非常多熱量，鋼結(jié)構(gòu)建筑溫度得到有效下降，構(gòu)建溫度不會(huì)過(guò)高，使結(jié)構(gòu)的耐火極限得到延長(zhǎng)。

4.5 報(bào)警系統(tǒng)和滅火裝置

以往的報(bào)警設(shè)備感溫探測(cè)器探測(cè)高度在8m以下，感煙探測(cè)器的探測(cè)高度在12m以下。鋼結(jié)構(gòu)建筑空間構(gòu)造相對(duì)較大，在固定房間報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面可采取一般探測(cè)器，針對(duì)展區(qū)等較大空間，報(bào)警系統(tǒng)可選擇雙波段火焰探測(cè)器等設(shè)備，同時(shí)搭配自動(dòng)水炮系統(tǒng)使用。

在滅火裝置方面，自動(dòng)報(bào)警滅火系統(tǒng)在建筑防火方面發(fā)揮了重要價(jià)值，其應(yīng)用非常廣泛，主要是利用加壓設(shè)備將水送入管帶噴頭，噴頭受到控制信號(hào)后自動(dòng)啟動(dòng)灑水滅火，實(shí)現(xiàn)對(duì)火災(zāi)蔓延的有效控制。高層建筑在防火方面需要以自防自救為主，適當(dāng)增大室內(nèi)消防用水量。

5 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前人們?cè)阡摻Y(jié)構(gòu)建筑防火方面要求越來(lái)越高，想要實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有建筑防火規(guī)范的完善，明確建筑火災(zāi)安全性，使鋼結(jié)構(gòu)耐火設(shè)計(jì)方法得到優(yōu)化，每一個(gè)建筑防火研究人員都需要在實(shí)踐中不斷研究探索。鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)人員在具體設(shè)計(jì)過(guò)程中需要與建筑實(shí)際情況相結(jié)合，從材料耐火性、耐高溫性和耐腐蝕性等方面出發(fā)綜合分析考慮，提高鋼結(jié)構(gòu)建筑防火設(shè)計(jì)合理性，使建筑內(nèi)人員生命和財(cái)產(chǎn)安全得到保證。