鋼結(jié)構(gòu)建筑防火設(shè)計(jì)探究

索朗旺扎

【摘要】鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)具有綜合優(yōu)勢(shì)，適合大量生產(chǎn)。與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，鋼結(jié)構(gòu)具有“高、大、輕”的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，在全世界的工商業(yè)中被廣泛使用。為了滿足建筑規(guī)則的功能要求，必須在火災(zāi)安全性方面做好工作，以便在規(guī)定的期間內(nèi)確保建筑物的安全穩(wěn)定性。本文討論了鋼結(jié)構(gòu)建筑物的耐火設(shè)計(jì)和耐火對(duì)策的基本方法。

【關(guān)鍵詞】鋼結(jié)構(gòu);防火設(shè)計(jì);防火保護(hù);防火涂料

【中圖分類號(hào)】TU998.1

【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】B

【文章編號(hào)】1671-3362（2020）11-0076-02

從鋼結(jié)構(gòu)建筑的歷史來(lái)看，在19世紀(jì)初建筑物的用途中獲得了非常好的成果。隨著結(jié)構(gòu)力學(xué)理論和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的靜力學(xué)系統(tǒng)的建立，鍛造鐵鋼的普及，鋼結(jié)構(gòu)建筑也迎來(lái)了新的時(shí)代。1880年以后，軋鋼結(jié)構(gòu)一直被用于建筑結(jié)構(gòu)。這時(shí)，出現(xiàn)了許多車站、倉(cāng)庫(kù)、展示場(chǎng)等鋼筋建筑物。這些建筑物到今天為止還保持著各自的功能并完全能夠使用，鋼結(jié)構(gòu)在建筑工程中起著越來(lái)越重要的作用。特別是1985年，建成了中國(guó)第一座超高層建筑“深圳開(kāi)發(fā)中心大樓”。本文主要介紹了鋼結(jié)構(gòu)的特征和防火的重要性。鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于正確確定火災(zāi)危險(xiǎn)度和耐火性等級(jí)，合理確定火災(zāi)范圍。加強(qiáng)自動(dòng)灑水系統(tǒng)和煙氣排放對(duì)策，充分考慮人們的避難問(wèn)題，以此形成鋼結(jié)構(gòu)物的正確防火對(duì)策。適當(dāng)?shù)姆阑鸱椒ê土己玫氖┕げ牧腺|(zhì)量，是鋼構(gòu)造物防火保證最好的方法。利用合適的方法進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)建筑的防火已經(jīng)是未來(lái)要研究的重要方向之一，而隨著鋼結(jié)構(gòu)建筑的大量涌現(xiàn)，未來(lái)建筑防火問(wèn)題也是每一個(gè)設(shè)計(jì)者應(yīng)該著重考慮的事情。

1.鋼結(jié)構(gòu)在火災(zāi)時(shí)的破壞機(jī)理

火災(zāi)產(chǎn)生的熱量通過(guò)放射線和對(duì)流傳遞到鋼結(jié)構(gòu)部件上。即使成分不可燃，溫度上升也會(huì)引起膨脹及強(qiáng)度降低。在材料為剛性的鋼結(jié)構(gòu)建筑結(jié)構(gòu)中，由于梁的延伸而引起的約束力減小使柱遠(yuǎn)離軸承位置，導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)損傷和崩潰。溫度的上升往往會(huì)大幅度降低鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)部構(gòu)件的元素強(qiáng)度。一旦鋼結(jié)構(gòu)的構(gòu)件條件達(dá)到屈曲強(qiáng)度臨界點(diǎn)，整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)就會(huì)發(fā)生變形的現(xiàn)象，用肉眼就可以非常容易地觀察到。

2.鋼結(jié)構(gòu)的防火保護(hù)設(shè)計(jì)

鋼材是具有耐震性和抗彎曲性的一種不燃性建筑材料。在實(shí)際應(yīng)用中，不僅增加了建筑物的負(fù)荷容量，還滿足了建筑設(shè)計(jì)中審美建模的必要性，能避免混凝土及其他建筑材料的缺陷。但是，作為建筑材料，鋼鐵也有一些不可規(guī)避的缺陷，像屈服點(diǎn)、拉伸強(qiáng)度、彈性模量等機(jī)械性質(zhì)隨著溫度的升高而急劇下降。鋼會(huì)隨著溫度的增加而失去強(qiáng)度和剛性。在火災(zāi)感知中，鋼材的設(shè)計(jì)負(fù)荷是環(huán)境溫度，而鋼材是特殊防火材料，鋼材的某些溫度不超過(guò)極限溫度[1]。

2.1防火保護(hù)方法設(shè)計(jì)

在鋼結(jié)構(gòu)建筑中要考慮到整體結(jié)構(gòu)防火的安全設(shè)計(jì)。在鋼結(jié)構(gòu)建筑中設(shè)計(jì)防火的基本準(zhǔn)則就要利用耐火性以及絕熱性和吸熱性，利用三種特性來(lái)進(jìn)行火焰和熱量的阻止，減緩鋼結(jié)構(gòu)的加熱速度，以此來(lái)有效延緩鋼表面臨界溫度的到來(lái)時(shí)間。主要的方式有密封式、屏蔽式、水冷式、噴霧式、涂飾式等，本文主要介紹屏蔽式和涂飾式。

（1）屏蔽式：屏蔽防火的原則是，用耐火材料從火源中隔離金屬構(gòu)成要素，保護(hù)鋼的結(jié)構(gòu)。盾牌是最經(jīng)濟(jì)的防火方法之一[2]。也就是說(shuō)，在由耐火構(gòu)造物構(gòu)成的墻壁和天花板上設(shè)置鋼構(gòu)造物，在兩個(gè)墻壁的間隙中包裹部件，減少耐火物，達(dá)到防火目的。此外，鋼結(jié)構(gòu)的阻燃涂層也用于保護(hù)組件。該工藝具有良好的耐火性和保溫性，不受鋼結(jié)構(gòu)形狀的限制。一般來(lái)說(shuō)，不需要追加輔助設(shè)備，重量輕，有特定的美觀裝飾效果，屬于現(xiàn)代先進(jìn)的防火技術(shù)手段。

從建筑構(gòu)造的角度看有以下幾種常見(jiàn)形式：

①特殊的防火墻是由一部分防火墻組成的。例如，鋼梁下面的耐火性平的屋頂?shù)脑O(shè)置和鋼柱外側(cè)的特定寬度的耐火板可以保留鋼軌和鋼格子框架的耐火保護(hù)層。在室內(nèi)防止火災(zāi)的過(guò)程中，使用該方法，能夠從主要的結(jié)構(gòu)要素中分離出火焰。另外，在許多現(xiàn)代金屬建筑中，也有結(jié)構(gòu)暴露的現(xiàn)象。除了顯示結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度之美外，它也對(duì)火災(zāi)的保護(hù)非常有益。金屬構(gòu)成要素被放置在密封結(jié)構(gòu)的周邊，保持一定的距離。一旦發(fā)生火災(zāi)，金屬部件就會(huì)在火焰的作用中被解放出來(lái)，隔板可以起到絕熱的作用。另外，在發(fā)生火災(zāi)的情況下，外部的空氣進(jìn)不來(lái)保證了不能自然換氣，起到金屬部件的自然冷卻的作用，是偽裝的防火墻。

②鋼材結(jié)構(gòu)整體被混凝土材料以及耐火磚所包裹。而混凝土材料以及耐火磚是非常有用并且天然的耐火物之一。有耐火性，耐火性因厚度而異。因此，也可以利用混凝土材料以及耐火磚來(lái)進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)的保護(hù)?；炷粱虼u包裹鋼結(jié)構(gòu)以后，能夠?qū)崿F(xiàn)隔離并且加強(qiáng)鋼的耐火極限。此種辦法已經(jīng)在上海浦東世界金融大樓的鋼鐵專欄上使用了。然而這種辦法最大的缺點(diǎn)就是耐火性隨著材料的厚度而呈現(xiàn)線性變化。因此，通常情況下這種方法下的材料的體積較大，占有更多的土地。同時(shí)，很難對(duì)一些部件形成保護(hù)特別是鋼梁和斜線片。同時(shí)，不能節(jié)約材料。這種保護(hù)方法在鋼結(jié)構(gòu)建筑中是非常困難的，達(dá)不到透明而輕盈的效果。耐火的主要材料是柱狀石、陶瓷纖維、砂石、耐火和無(wú)毒材料。

（2）涂飾式：涂覆型防火的原理相對(duì)簡(jiǎn)單，可以通過(guò)覆蓋耐火涂層來(lái)抵抗火災(zāi)。一般來(lái)說(shuō)，阻燃性涂料分為膨脹式和非膨脹型薄型、厚型兩種。

①薄型涂料（膨脹型涂料） ：涂敷膜厚度為1～2mm，常溫下穩(wěn)定。用火力加熱的話，會(huì)發(fā)泡數(shù)十次膨脹，保護(hù)鋼材不受火災(zāi)影響。由這種耐火材料構(gòu)成的保護(hù)層非常薄，具有各種顏色和出色的裝飾性能。它有助于顯示金屬部件的強(qiáng)度美，因?yàn)樗m合于金屬建筑的裸露結(jié)構(gòu)[3]。

②厚型涂料（非膨脹型涂料） ：主要是無(wú)機(jī)絕熱材料，加熱后不膨脹。絕熱性好。涂敷膜厚度為7mm～50mm。相對(duì)應(yīng)的耐火性界限在0.5～3h以上，柱狀礦物纖維為主要隔熱骨材，分為干濕兩種。現(xiàn)在也有混合的方式。非常適合室內(nèi)的耐火涂料不能用于室外構(gòu)造物等[4]，但本文不深入介紹?！?.11”事件發(fā)生后，專家一直對(duì)阻燃涂料的耐沖擊性表示擔(dān)憂，但對(duì)于這個(gè)領(lǐng)域的研究卻沒(méi)有太多人的參與，令人遺憾。另外，也有將水冷卻方式即鋼管填充在空心斷面的水中，與上部或高處的水槽連接形成密封式冷卻裝置的情況。加熱的時(shí)候，水為了冷卻在鋼的空間欄里循環(huán)。然而，這種方法需要特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，相對(duì)復(fù)雜，幾乎不使用。匹茲堡的美國(guó)鋼鐵公司大樓使用了這種方法的防火設(shè)計(jì)。

另外，將類似水冷卻法那樣的空心鋼管柱（或鋼梁）連接到管道網(wǎng)絡(luò)，填充含有不凍劑和防銹劑的水溶液，使水的溶液循環(huán)，由于火災(zāi)時(shí)的溫差作用而導(dǎo)致熱量流失的方法很多。此外，在鋼材的上面設(shè)置了鐵板結(jié)構(gòu)的自動(dòng)水洗裝置放置在鋼材表面，在連續(xù)的水膜上自動(dòng)噴涂水，起到了防火的作用，和屏蔽類型相似。

2.2防火需要兼顧的地方

為了室外的鋼結(jié)構(gòu)，必須選擇適合室外使用的鋼結(jié)構(gòu)阻燃性涂層。（1）在選擇鋼構(gòu)造物的阻燃涂料時(shí)，不能使用技術(shù)性能不符合室外而使用符合室內(nèi)要求的涂層。（2）為保護(hù)鋼構(gòu)造物而選擇裝飾性防火涂料。（3）請(qǐng)勿使用有毒涂料。鋼結(jié)構(gòu)建筑物的防火對(duì)策之一是外層。通過(guò)在鋼結(jié)構(gòu)的表面上增加外層，可以作為現(xiàn)場(chǎng)或噴涂方式。為了限制收縮裂縫，確保殼的強(qiáng)度，鋼鐵網(wǎng)狀物或增強(qiáng)于固體混凝土的外層。

3.選用恰當(dāng)?shù)姆阑鸱椒ā⒉牧?/p>

鋼結(jié)構(gòu)的有效保護(hù)是將鋼結(jié)構(gòu)的耐火極限增加到鋼結(jié)構(gòu)承載值當(dāng)中，防止火災(zāi)發(fā)生時(shí)鋼材結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)變形、崩塌的現(xiàn)象?，F(xiàn)在一般使用的是在鋼材表面設(shè)置保護(hù)材料層。可以有效提高鋼構(gòu)造物的耐火性，確保鋼構(gòu)造物的安全性。在使用阻燃涂料時(shí)，要注意防火涂層和下部防銹涂層的匹配，防止防銹涂層產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)，不影響防銹效果和防火效果。但是，為了追求經(jīng)濟(jì)利益，有些建設(shè)單位會(huì)用阻燃涂層產(chǎn)品制作的粗糙的產(chǎn)品。有些項(xiàng)目是用阻燃涂料涂飾的，但不能起到防火的作用。因此，必須嚴(yán)格管理材料的質(zhì)量，在施工工程中認(rèn)真負(fù)責(zé)，加強(qiáng)監(jiān)督，確保施工質(zhì)量。為了加強(qiáng)職員的防火意識(shí)，還可以進(jìn)行相關(guān)火災(zāi)預(yù)防知識(shí)的教育和訓(xùn)練，減少火災(zāi)事故的發(fā)生，職員內(nèi)部制定必要的火災(zāi)預(yù)防緊急計(jì)劃。

4.結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)在，高層鋼結(jié)構(gòu)建筑物數(shù)量增加，鋼結(jié)構(gòu)使用更廣泛。一旦發(fā)生火災(zāi)事故，不能在短時(shí)間內(nèi)滅火。而且，為了強(qiáng)化建筑物的耐火物保護(hù)和強(qiáng)化耐火限度，減少犧牲者和資產(chǎn)損失，需要建筑師制定建筑物內(nèi)部必要的緊急防火計(jì)劃。在目前的施工過(guò)程中，鋼鐵結(jié)構(gòu)在發(fā)展建設(shè)產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用已成為大勢(shì)所趨，有關(guān)鋼結(jié)構(gòu)保護(hù)的研究正在進(jìn)行中。在鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用過(guò)程中，為了確保良好的性能和更好的應(yīng)用，需要對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的防火設(shè)計(jì)，同時(shí)為了保證鋼結(jié)構(gòu)的更好利用，有必要采取有效的防火措施來(lái)預(yù)防火災(zāi)。只有這樣才能夠?qū)崿F(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)的防火設(shè)計(jì)。鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生火災(zāi)以后會(huì)變形，變形就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)坍塌，極其容易發(fā)生安全事故，而使用這些材料和方法也并不能完全杜絕火災(zāi)的發(fā)生，杜絕火災(zāi)發(fā)生更為重要的方法其實(shí)是預(yù)防，預(yù)防每一個(gè)安全細(xì)節(jié)，杜絕安全隱患。只有做好預(yù)防的檢查工作，才能夠有效避免事故的發(fā)生。

參考文獻(xiàn)

[1]GB50016-2006建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范[S].

[2]徐曉楠，周政懋.防火涂料[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2008（9）.

[3]王華進(jìn)，王賢明，趙銳.鋼結(jié)構(gòu)防火涂料存在的問(wèn)題及對(duì)策[J].中國(guó)涂料，2010（3）.

[4]倪建春，梁海.鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的應(yīng)用與施工要點(diǎn)[J].涂料技術(shù)與文摘，2011（8）.

（作者單位：拉薩消防救援支隊(duì)墨竹工卡縣大隊(duì)）