國內(nèi)外木結構建筑耐火性能的研究進展

蔣 瞻，付海燕，王 正，李敏敏，丁葉蔚，劉中洋，趙天長

（1.南京林業(yè)大學，江蘇 南京 210037；2.江蘇森之虎建筑工程有限公司，江蘇 南京 210000）

火是可燃物與助燃物發(fā)生氧化反應時釋放光和熱的現(xiàn)象，是一種猛烈的能量釋放的方式，當其失去控制時，就會成為一種破壞力極大的災難，給人類的生活、生產(chǎn)甚至生命構成威脅[1]。據(jù)央視網(wǎng)2019年1月21日報道的應急管理部消防救援局統(tǒng)計資料表明：2018年全國共接報火災23.7萬起，死亡1 407人，受傷798人，直接財產(chǎn)損失36.75億元。其中，近八成死亡人數(shù)集中于住宅。2013年3月27日，在馬來西亞沙巴州首府哥打基納巴魯約40 km的一處水上木屋區(qū)遭大火吞噬。大火燒毀了400多間木屋，造成1人因吸入過多濃煙死亡，數(shù)十名村民受傷，3 000余人失去家園[2]。2014年3月31日5:00，美國德克薩斯州休斯敦市西部加斯納地區(qū)一座木結構公寓樓發(fā)生發(fā)火。由于火勢兇猛，這座公寓樓的頂部在1h內(nèi)塌落，隨后不久整座公寓樓被大火燒塌。100多名居民紛紛逃離，造成了巨大的財產(chǎn)損失[3]。

我國傳統(tǒng)的住宅建筑多為木結構建筑，隨著工業(yè)化的發(fā)展，木結構建筑逐漸被磚混建筑、鋼筋混凝土建筑、鋼結構等現(xiàn)代建筑取代。20世紀80年代初，為緩解我國森林資源匱乏的矛盾，政府曾限制木質(zhì)產(chǎn)品的發(fā)展，鼓勵采用鋁、鋼、塑料等代替木質(zhì)材料[4]。我國加入WTO后，國內(nèi)的木結構建筑行業(yè)得到了明顯的發(fā)展。且近年來因環(huán)保問題備受重視，有關部門已對住宅建設的節(jié)能、節(jié)材和環(huán)保工作等提出了新要求?，F(xiàn)代木結構建筑因其具有的節(jié)能、環(huán)保、耐用等諸多優(yōu)點而成為整個國家一種典型的節(jié)能環(huán)保型建筑。木結構建筑在居住的舒適度方面與傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結構建筑和鋼結構建筑相比優(yōu)勢明顯，并在我國具有非常廣闊的市場前景[5-6]。然而，目前木結構建筑在我國的推廣工作還面臨諸多困難，其中主要阻礙之一則是木結構建筑的耐火性能問題[7]。

木材具有質(zhì)量較輕、強度高、易加工和環(huán)?？稍偕葍?yōu)點，是現(xiàn)代木結構建筑最主要的建筑材料。但木材為可燃性材料，其用作結構時通常暴露在大氣之中，使得木結構建筑的耐火等級較低，易燃燒[8-10]。若木結構建筑通風效果好，出現(xiàn)明火后，火勢易迅速蔓延，形成立體燃燒，導致嚴重的后果。為減少木結構建筑因發(fā)生火災帶來不必要的損失，進行木結構防火研究必要而現(xiàn)實[11]。

眾所周知，木材為可燃性材料，亦是木結構建筑的主要建筑材料。木結構建筑的防火工作尤為重要，其耐火性能是衡量木結構建筑設計水平的關鍵指標之一。為了促進我國木結構建筑耐火性能技術的發(fā)展，本文從木結構建筑防火工作的現(xiàn)實性和迫切性出發(fā)，重點介紹了近二十年來國內(nèi)外在木結構建筑耐火模擬及其測試、建筑及其結構耐火性能測試、防火材料應用和軟木制品的保溫隔熱檢測與耐火應用等方面的最新研究進展及成果，并分析了目前國內(nèi)在木結構建筑耐火研究領域存在的問題。針對進一步做好我國木結構建筑防火工作，文中還提出了在國內(nèi)外木結構建筑相關標準規(guī)范的基礎上，掌握國外最新科研動態(tài)及學術成果；重視對木建筑整體及其構件耐火性的基礎理論工作；優(yōu)化木建筑整體及其構件耐火性能設計，并滿足結構防火的環(huán)保安全要求等主要措施。上述以期為人們創(chuàng)造更安全的居住環(huán)境，對促進我國在木結構建筑的耐火結構設計優(yōu)化與工藝、檢測創(chuàng)新等方面工作具有借鑒價值。

1 國內(nèi)外木結構耐火性能的研究

從20世紀80年代英國出臺第一部建筑防火規(guī)范開始，國外相關研究學者在建筑結構防火方面進行了大量研究工作[12-14]。我國從20世紀90年代才開始系統(tǒng)地進行建筑結構的防火研究，尤其是鋼結構的防火研究[15-17]。因木結構建筑發(fā)展受到局限，在木結構建筑防火研究方面發(fā)展較為緩慢。現(xiàn)有木結構建筑的防火措施仍局限于在建筑表面涂刷防火材料，通過隔火焰、防熱輻射、隔氧等防火，對建筑構件的防火保護作用是有限的[18-20]。

1.1 木結構耐火模擬及其試驗研究進展

在國內(nèi)木建筑耐火模擬及其試驗研究方面，目前研究學者仍沿用傳統(tǒng)的耐火極限試驗法測試建筑及其構件的耐火性能，較少研究采用模擬試驗評估建筑耐火性。在2014年，陳建峰對木柱火災后的耐火極限做進行了研究。他運用有限元軟件（ANSYS），采用熱-結構間接耦合法對木柱進行溫度場和耐火極限分析，并將分析結果與試驗值比較，進而對木柱的耐火極限進行參數(shù)分析。研究結果表明：隨著溫度的升高，木柱表層和里層溫度都有不同程度的上升，離木柱表面越近的點升溫速度越快，最終溫度越高。木柱隨著木材密度的增加，耐火極限上升，但上升的幅度越來越??；隨著加持荷載水平的增加，耐火極限不斷下降，而且下降的越來越快[21]。

國外研究人員在木結構建筑的耐火模擬方法上開展了多元化研究，取得較好的成果。2004年，Noureddine Benichou等人為檢測輕型木結構框架的耐火性能，設計了一種新型耐火試驗模型，測試出了該模型在高溫下形成的碳化木的力學性能，并繪制出材料耐火曲線，進一步完善了模擬火災的試驗方法[22]。2007年，Jukka Hietaniemi提出了一種概率模擬的方法來評估木制承重梁在火災中的耐火性能。該方法引入了幾種新型的建模技術，可模擬火災下木梁的多項力學性能。運用火災概率模擬器模擬了火災中的一些不確定因素，系統(tǒng)全面地檢測了木制承重梁在火災中的各項力學性能[23]。2011年，Schnabl提出了受火木柱屈曲性能的半解析數(shù)學模型。該數(shù)學模型可用來考慮不同材料參數(shù)、幾何參數(shù)和含水率對木柱臨界屈曲荷載的影響。結果表明：木柱的極限承載力隨著受火時間的增長而減小。木柱剩余截面大小隨著受火試件的增大而非線性減小，且含水率對剩余截面減小的速度有重要影響，含水率越大，截面減小的速度越小[24]。

上述引入的多種建模技術，創(chuàng)建數(shù)學模型、概率模擬等評估木結構建筑及其構件耐火性能研究成果，對我國在耐火結構設計優(yōu)化與創(chuàng)新等方面的工作具有借鑒價值。

1.2 木結構耐火性能測試研究進展

近年來，國內(nèi)外相關研究學者對木結構建筑及其構件的耐火性能進行了一系列探索研究。2015年，王茂靚指出，在木結構建筑的耐火研究方面，國內(nèi)外主要在對木構件建筑的整體火災特性進行研究，考慮不同處理方法對其防火性能的影響[25]。2010年，范新海等詳細地介紹了火災下木材溫度，以及力學性能和炭化特性。根據(jù)炭化率計算公式及其火災下木材力學性能計算在火災下木構件由于炭化造成有效截面減少，但木材的炭化率一般在6%～7%，由于重型木結構構件截面尺寸較大，同時炭化層又對其內(nèi)部木材具有隔熱作用，因此重型木結構本身具有較好的抗火性能[26]。木結構建筑構件的耐火試驗對象涉及到諸如建筑墻體、樓板、墻體用石膏板、梁、柱和連接節(jié)點等。2012年，李丹力等分別實測7種輕質(zhì)木結構墻體的耐火極限，其結果均達到設計值要求。結論表明，墻體結構中的墻骨柱在火災情況下具有很高的承載力，且石膏板的厚度越大、層數(shù)越多，墻體耐火時間就越長[27]。同年，倪照鵬等人對木結構墻體、樓板與天花板、膠合木梁和木柱進行一系列標準耐火試驗，對其耐火性能、破壞模式進行試驗研究。研究結果表明：木結構墻體和樓板的耐火極限與防火石膏板厚度及層數(shù)有關，耐火極限要求為1.0 h的承重墻需要15 mm厚的防火石膏板保護；而耐火極限要求為0.5 h的非承重墻需要12 mm厚的防火石膏板保護；要滿足樓板1.0 h的耐火極限要求，則需要雙層12 mm厚的防火石膏板保護[28]。對于石膏板和承重木梁、木柱結構，主要研究其在受火后的炭化過程和力學性能變化情況。該研究通過對用防火劑涂刷的木塑復合材料、石灰膏抹面木梁、炭化木梁、無防火措施木梁和木柱進行耐火極限試驗，為結構的安全設計提供參考依據(jù)[29-32]。2013年，張晉等人采用水平燃燒爐，并依據(jù)IS0834標準火災溫度曲線進行了5組共32根木柱單面或相鄰兩面受火的耐火試驗，并測試其試件受火后的剩余受壓承載力。試驗結果表明：木柱有效面積因受火炭化而減小，靠近炭化層的高溫分解層木材強度明顯劣化，無防火措施、防火涂料和石灰膏抹面木柱的炭化速度均值分別為1.1，0.39和0.7 mm·min-1；石膏抹面和防火涂料能有效延緩木構件開始炭化的時間，且防火涂料防火效果更為顯著，極限承載力、極限位移和剛度隨著受火時間增加而減小，截面積較大的木柱剩余承載力下降程度明顯小于截積較小的木柱[33]。

國外在木結構建筑方面理論基礎研究工作較為完善，已有系統(tǒng)的防火措施及規(guī)范。2001年，Leslie R對內(nèi)墻石膏板和吊頂石膏板做了全面、大量的耐火試驗，檢測了石膏板與木框架組合模型在不同等級火災情形下的耐火性和消防耐久性，并建立了一個CFRP強化鋼筋混凝土T型梁的有限元模型，模擬實際火災測試。提出的耐火性能測試方法，對輕型木結構耐火試驗和防火性能檢測具有非常重要的意義[34]。2004年，F(xiàn)irmanti等對受火木梁在不同荷載水平下的受力性能進行相關試驗研究。結果表明：持荷比與炭化深度及質(zhì)量損失成正比，與木梁的耐火極限成反比，并建立了耐火時間與持荷水平的關系曲線[35]。2006年，Anita Firmanti等指出，在木結構建筑防火方面的研究主要是針對木材、結構石膏板、木梁、木柱等進行耐火極限試驗研究，評價不同材料或構件的火災特性，檢測其耐火時間與持荷水平等[36]。

目前，國內(nèi)木結構建筑尚處于發(fā)展階段，其完善的配套規(guī)范尚不完善，尤其是在木結構建筑的防火性能研究上仍處于探索期中。其研究局限于采用增加構件厚度和密度、防火涂料涂刷、石灰膏抹面，以及通過隔火焰、防熱輻射和隔氧等防火等手段來提高木結構整體和構件的耐火性能工作。顯而易見，使用這些方法對木結構建筑的耐火效果和燃燒中的高溫滴落物的危害性等研究方面尚存在不足。

1.3 軟木耐火試驗研究進展

近年來，國內(nèi)外學者研究發(fā)現(xiàn)，軟木具有質(zhì)輕、絕緣、隔熱、防潮、難燃等優(yōu)點，常應用于室內(nèi)裝飾，在實用的基礎上還能提高舒適度和美感[37]。通過對不同軟木材料的內(nèi)部結構、傳熱機理、熱學特性及相關力學性能試驗研究，發(fā)現(xiàn)其在建筑結構防火應用方面有很好的發(fā)展前景[38-40]。2010年，魏新莉采用熱重分析儀研究不同軟木的熱學性能，總結其熱解過程分為4個階段，且513～693 K是軟木熱解的主要階段，根據(jù)熱分解速率方程,得到軟木的熱解動力學方程[41]。2013年，魏新莉以國產(chǎn)栓皮櫟Quercus variabilis軟木為對象，對比葡萄牙栓皮櫟軟木，研究了軟木細胞的固相骨架的傳熱機理和熱學特性，以及軟木熱處理后軟木細胞固相骨架傳熱特征變化，并對軟木制品的保溫隔熱性能進行了優(yōu)化研究[42]。同年，S.P.Silva等人用微觀和宏觀相結合的研究方法詳細地分析了軟木及其產(chǎn)品的化學成分、物理性能和機械性能。通過相關試驗與分析，證明了軟木是一種導熱率極低的高適應性天然材料，具有很好的保溫效果及阻燃作用，是理想的防火、保溫材料[43]。2015年，Luís Gil對新型軟木材料發(fā)展形勢及未來發(fā)展方向作了總結，分析軟木材料的機械性能和其他物理性能，重點強調(diào)了軟木材料優(yōu)異的防火性能，并提出軟木材料及其衍生產(chǎn)品在防火應用工程方面具有很大的發(fā)展空間，并呼吁工程師、建筑師和設計師在相關領域考慮優(yōu)先應用軟木材料[44]。2018年，蔣瞻等人為了提升現(xiàn)代木結構建筑的柱體耐火性能，采用密度為118 kg·m-3的葡萄牙軟木板，分別對工程中常用的6種不同木柱和鋼柱結構件進行復合設計、制造和耐火性能測試。其結果表明:葡萄牙軟木板越厚，其與木柱的復合結構件的耐火極限時間則越長；在同厚度的葡萄牙軟木板保護下，軟木板與鋼柱結合的復合結構件的防火作用優(yōu)于與木柱結合的復合結構件；有葡萄牙軟木板保護的防火復合結構柱件在火災中不會產(chǎn)生高溫滴落物，可防止其對人身財產(chǎn)造成危害[45]。

目前，國內(nèi)研究學者在外包軟木材料的建筑構件的耐火性能方面的試驗研究工作較少。在實際應用中，為了實現(xiàn)木結構建筑的防火及室內(nèi)環(huán)保、舒適性要求，可將軟木板固定在標準的木結構部件表層上，主要起阻燃作用，提高建筑整體的耐火性，同時軟木可作為建筑局部裝修材料，可達到裝飾美觀的效果。

2 展望

為了進一步提高我國現(xiàn)代木結構建筑的防火性能，為木結構建筑的防火設計提供技術支撐，筆者在已有建筑及其構件防火性能研究的基礎上，提出了掌握國外最新科研動態(tài)及學術成果，完善木結構建筑相關標準規(guī)范的制訂與實施工作；深化對木結構建筑的整體及其構件耐火性能的基礎理論研究，以及優(yōu)化結構耐火結構設計與耐火性能檢測等主要工作措施。

（1）在國內(nèi)外木結構建筑相關標準規(guī)范的基礎上，掌握國外最新科研動態(tài)及學術成果。

（2）重視對木建筑整體及其構件耐火性的基礎理論工作。如，加強國內(nèi)木結構建筑耐火模擬試驗研究，將傳統(tǒng)的耐火極限試驗法和數(shù)值模擬法相結合，通過試驗來驗證模擬方法的準確性，為木結構建筑的耐火性能評估奠定基礎。

（3）優(yōu)化木建筑整體及其構件耐火性能設計，并滿足結構防火的環(huán)保安全要求。針對木結構住宅建筑自身的特點，可在耐火結構設計和工藝檢測方面開展一系列的優(yōu)化與創(chuàng)新等工作。如，在建筑防火結構設計中，不應局限于涂刷防火材料的處理設計等技術?？筛鶕?jù)功能要求，可將天然的軟木板引入到木結構建筑的防火技術體系中，利用其獨特的傳熱機理和宏觀上所表現(xiàn)出的優(yōu)異耐火性能，采用將其與現(xiàn)代木結構建筑屋蓋、樓蓋、墻體、地面等部件及其連接節(jié)點部位外包軟木板材料方式，以提高現(xiàn)代木結構整體防火性能。在工藝檢測中，對軟木板與木結構部件組合形成的防火復合結構進行膠合強度、耐火極限、高溫滴落物等性能檢測。以此可增強木結構建筑的隔熱效果，提高木構件的防火性能，從而提高建筑整體的耐火性。同時，火災后不會產(chǎn)生高溫且有危害的滴落物，可防止其對人身財產(chǎn)造成的不利后果。

總之，通過發(fā)展具有中國特色的木結構建筑的防火技術，有利于我國現(xiàn)代木結構建筑的設計研究和工程應用工作，引導和促進我國木結構建筑行業(yè)持續(xù)、健康地向前發(fā)展。