大跨度鋼結(jié)構(gòu)建筑防火設(shè)計分析

匡文杰

1.大跨度鋼結(jié)構(gòu)建筑防火設(shè)計的重要性

1.1 鋼結(jié)構(gòu)建筑的性質(zhì)

從物理的角度上看，鋼結(jié)構(gòu)建筑中的原材料鋼本身具有一定的耐熱性，不具有易燃的性質(zhì)，從理論上來講它本可以成為一種理想的防火材料，想要改變鋼材料的形態(tài)，除非火溫在短時間內(nèi)達到500℃，才有可能改變鋼材的形態(tài)，顯然常態(tài)下的意外失火是不可能短時間內(nèi)造成這樣的溫度，這樣一來火勢是可以人為撲滅的[1]。但是這只是理論基礎(chǔ)，鋼結(jié)構(gòu)建筑實際應(yīng)用時的結(jié)果卻不是這樣。由于現(xiàn)實生活中鋼結(jié)構(gòu)建筑大多是以廠房、體育館、大庫房等大框架結(jié)構(gòu)建筑為主，這些建筑的內(nèi)部空間較大，基礎(chǔ)設(shè)備較多，通風性較好，因此當某個地方起火時，良好的通風性為火勢的蔓延提供了條件，此外由于內(nèi)部設(shè)施眾多，給消防員滅火工作造成了很大的影響，實際情況下大跨度鋼結(jié)構(gòu)建筑一旦起火就很難撲滅，有關(guān)設(shè)計人員應(yīng)該重視這一點，尤其是鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計師，必須設(shè)計相應(yīng)的防火措施。

1.2 大跨度鋼結(jié)構(gòu)建筑耐火性較差

鋼材在建筑學中應(yīng)用廣泛，它是由鋼錠、鋼坯通過外力干擾擠壓形成的，具有良好的抗震性、優(yōu)質(zhì)的抗彎性、超強的硬性等性質(zhì)，成為大型建筑框架構(gòu)造必不可少的組成部分。除此之外，部分鋼材還具有良好的延展性，這解決了建筑設(shè)計中材料不能彎曲的問題，為很多美學建筑提供了便利。因此鋼材在建筑行業(yè)中的地位優(yōu)勢顯著，深受設(shè)計師的青睞。但是鋼結(jié)構(gòu)建筑有一個致命的弱點，即防火性非常差，它的機械性能，如屈服點、抗拉及彈性模量等，均會因溫度的升高而急劇下降。鋼結(jié)構(gòu)在溫度達到350℃、500℃、600℃時，其強度分別為1/3、1/2、2/3。不僅如此，高溫的環(huán)境下，鋼材的形態(tài)會發(fā)生巨大的改變，結(jié)構(gòu)承重能力急劇下降，理論上來講，鋼材形變的溫度在300℃左右，但是大火蔓延后內(nèi)部的溫度高達1000℃，因此這種環(huán)境下鋼材完全不具備防火性，短時間內(nèi)整體的鋼材結(jié)構(gòu)會瞬間形變，沒有了結(jié)構(gòu)框架的建筑會瞬間坍塌，造成人員傷亡[2]。目前世界上有很多鋼結(jié)構(gòu)建筑失火造成人員傷亡的案例，2009 年紐約發(fā)生了駭人聽聞的“9·11 事件”，四架民航飛機遭到恐怖分子的挾持撞向世界貿(mào)易大廈瞬間爆炸，造成了很大的火勢，高溫下世貿(mào)大廈的內(nèi)部鋼結(jié)構(gòu)瞬間變形，僅僅片刻這棟世界高樓就此坍塌，由于缺少防火設(shè)計，導致很多消防隊員在沒有準備的情況下就被永遠地掩埋在這片廢墟之下，因此鋼結(jié)構(gòu)建筑的防火性能很差，設(shè)計師必須有針對性地進行防火措施設(shè)計。

2.大跨度鋼結(jié)構(gòu)建筑防火設(shè)計中存在的問題

2.1 防火設(shè)計實際應(yīng)用缺失

目前，大跨度鋼結(jié)構(gòu)建筑防火設(shè)計中存在著很多的問題，其中一個就是防火設(shè)計不符合實際要求，設(shè)計人員空有紙上談兵的能力，而忽視了防火設(shè)計的實際應(yīng)用。有些設(shè)計人員對相關(guān)防火知識掌握不牢固，缺乏實際操作經(jīng)驗，導致設(shè)計出來的防火措施無法應(yīng)用到實際生活中去。例如多數(shù)的高層會設(shè)置電梯、排氣道等貫穿整個樓層的設(shè)備，部分設(shè)計師在進行設(shè)計時忽略了防火分隔措施，或?qū)Ψ阑鸱指舸胧┑奶幚聿坏轿?，導致火災發(fā)生時，貫穿樓層的設(shè)備形成一個天然的阻火坑道，幫助火勢更快地蔓延，進而導致火勢失控，甚至造成更大的人員傷亡。

2.2 防火設(shè)計較差

在建筑行業(yè)中，有的企業(yè)對原材料偷工減料，有時似乎成為建筑行業(yè)的一種常態(tài)，這種行為的目的僅僅是節(jié)約成本，牟取利益。很多建筑團隊在進行材料選購的過程中，挑選的材料嚴重不符合國家規(guī)定的標準，劣質(zhì)的鋼材耐火性極差，一般在300℃左右便會產(chǎn)生形變，這種劣質(zhì)鋼材構(gòu)成建筑安全極大隱患，對居民的生活造成了巨大的影響，國家應(yīng)該加強監(jiān)管力度，嚴懲建筑中偷工減料的行為[3]。

2.3 內(nèi)部主體結(jié)構(gòu)防火性能設(shè)計較低

目前，我國對鋼材使用的防火性能還沒有一個合理的標準，沒有國家標準規(guī)范，缺乏經(jīng)驗的建筑部門在進行材料選購時會出現(xiàn)很大的偏差，不僅如此，科技進步的今天，越來越多的新型材料不斷進入市場，標準制定的難度進一步加強，加之一些新型材料存在一些問題，得不到及時發(fā)現(xiàn)，建筑設(shè)計師將其應(yīng)用到鋼結(jié)構(gòu)建筑中去，往往會產(chǎn)生一些新的隱患[4]。數(shù)據(jù)分析顯示，部分新型鋼材的耐火性在火溫達到40℃時就有可能發(fā)生改變，這是一種非常可怕的概念，一旦失火，人員傷亡在所難免。

3.大跨度鋼結(jié)構(gòu)建筑防火設(shè)計措施

3.1 優(yōu)化建筑的防火設(shè)計

針對大跨度鋼結(jié)構(gòu)建筑防火性差的問題，設(shè)計人員應(yīng)該優(yōu)化建筑的防火設(shè)計，以此保障鋼結(jié)構(gòu)建筑的安全性。設(shè)計師在進行防火設(shè)計時應(yīng)該了解不同材料的防火性能，嚴格按照國家的規(guī)定指標進行材料選取，合理地設(shè)置消防設(shè)備，確保整個建筑的出水系統(tǒng)能夠持續(xù)運轉(zhuǎn)。設(shè)計師在進行優(yōu)化建筑防火設(shè)計時可以從以下方面著手：（1）從電氣防火著手，一般而言電氣失火是消防中難以解決的一個難題，由于電氣連接著眾多的家電設(shè)備，一旦起火便會發(fā)生一系列的連鎖反應(yīng)，短時間內(nèi)造成電路短路失火，設(shè)備爆炸，多處電器會成為火源，不僅如此，由于水的導電性強，這種失火還不能通過水進行撲滅，因此設(shè)計人員應(yīng)該優(yōu)化電氣內(nèi)部結(jié)構(gòu)，采取特殊的材料，將電氣運輸?shù)墓芫€進行加強保護，減少因電氣設(shè)備損壞而造成火災的可能性。（2）建筑師在設(shè)計時應(yīng)該設(shè)置避難層，避難層的隔板由防火材料組成，可以將內(nèi)部空間與外部相隔絕，一般而言，高層失火會出現(xiàn)一種情況，失火源上層建筑的居民無法突破失火區(qū)，只能等待救援，而火勢的蔓延往往是快速的，如果沒有避難層，這些居民很有可能等不到救援便被大火吞噬了，因此設(shè)計師應(yīng)該制定相應(yīng)的避難層，裝備一定的消防設(shè)備，十萬火急的情況下，避難人員可以通過這些救生裝備獲得一線生機[5]。一般比較合理的避難層設(shè)計在第15 層，這個高度是經(jīng)過嚴密的數(shù)據(jù)分析得到的結(jié)果，15 層以下消防人員可直接展開營救。

3.2 加強電氣防火設(shè)計

調(diào)查研究顯示，多數(shù)建筑失火都是電氣設(shè)備使用不當造成的，因此對于大跨度鋼結(jié)構(gòu)建筑而言，防火設(shè)計最該考慮的就是消除電氣帶來的安全隱患，通過電氣防火設(shè)計從而減小失火的可能性。如何進行電氣防火設(shè)計是一個學術(shù)性非常強的問題，設(shè)計人員必須有扎實的物理基礎(chǔ)和實際生活經(jīng)驗，例如在電梯設(shè)計中，供電方法應(yīng)該與一般電氣設(shè)備不同，電梯應(yīng)該采用雙回路供電，同時火線處還應(yīng)該裝備電容，一旦回路上出現(xiàn)短路的情況，電源會迅速切斷，將安全隱患直接扼殺。不僅如此，建筑師在進行住宅設(shè)計時，還應(yīng)該做好排煙系統(tǒng)的設(shè)計，眾所周知，很多火災人員傷亡的原因并不是被燒所致，而是因為死者吸入了大量因火災所產(chǎn)生的一氧化碳而被毒死，所以排風系統(tǒng)的建設(shè)非常重要，另外各層建筑還應(yīng)該安裝相應(yīng)的滅火設(shè)備，如消防栓、滅火器等等，這樣一來鋼結(jié)構(gòu)建筑的防火系統(tǒng)就比較完善了。在大部分住宅建筑當中要做好電氣防火設(shè)計，在現(xiàn)有的防火系統(tǒng)的同時，提高鋼結(jié)構(gòu)廠房電氣安全系數(shù)，避免各個線路在長時間使用當中，產(chǎn)生超負荷、老化等現(xiàn)象帶來火災，從而徹底保障住宅建筑電氣使用功能。并且規(guī)范住宅建筑中各類電氣設(shè)施，保護居民生命財產(chǎn)安全。

3.3 運用水冷卻法

水冷卻法是鋼結(jié)構(gòu)建筑防火措施中最有效的一種方法，它主要包括水淋冷卻法和充水冷卻法。所謂的水淋冷卻法就是通過在鋼架結(jié)構(gòu)上安裝自動灑水系統(tǒng)和傳感器，當室內(nèi)溫度達到傳感器標準時，灑水器便會啟動，向鋼結(jié)構(gòu)上噴灑冷卻水，進而達到滅火和給鋼材降溫的效果，很大程度上可以阻止火勢的蔓延并且保持鋼架的力學結(jié)構(gòu)不變[6]。充水冷卻法與水淋冷卻法不同，它利用的是水的吸熱能力，通過往空心鋼構(gòu)件中加注冷卻水的方式，吸收外部火勢的熱量，通過不斷地蒸發(fā)循環(huán)延緩鋼架升溫的速度，保障鋼架力學結(jié)構(gòu)不會被改變。理論上講，這是鋼結(jié)構(gòu)防火保護最有效的方法。但是由于技術(shù)難度較大，加之增加了建筑物的自重，為了防銹和防止水的冰結(jié)，還需要在水中摻加阻銹劑和抗凍劑等，費用較高，國外也只有少數(shù)應(yīng)用實例。

4.結(jié)束語

鋼材是目前世界上應(yīng)用最廣泛的建筑材料之一，以它為框架的建筑牢固、耐用且具有美感，是新時代建筑發(fā)展的重要基石。但是鋼材高溫下會產(chǎn)生形變，原有的力學結(jié)構(gòu)在高溫下不復存在，短時間內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)建筑便會坍塌，因此建筑設(shè)計師在進行大跨度鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計時，應(yīng)重視防火設(shè)計，確保居民的人身安全。