裝配式多高層鋼結(jié)構(gòu)住宅防火技術(shù)研究與應(yīng)用

姚源博（龍?jiān)髦萍加邢挢?zé)任公司，上海 201106）

鋼結(jié)構(gòu)建筑體系作為裝配式建筑三大體系之一，基于產(chǎn)業(yè)化程度高、自重輕、抗震性能好、構(gòu)件截面小、綠色節(jié)能、施工周期短等優(yōu)勢(shì)，開(kāi)始逐步從公共建筑向居住建筑延伸。2019 年住建部接連批復(fù)浙江、山東、四川、湖南、江西、河南、青海等 7 個(gè)省份開(kāi)展鋼結(jié)構(gòu)裝配式住宅建設(shè)試點(diǎn)，并已明確試點(diǎn)目標(biāo)和試點(diǎn)范圍，裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅作為一種綠色環(huán)保建筑已被列為重點(diǎn)推廣項(xiàng)目。

與傳統(tǒng)混凝土現(xiàn)澆建筑體系相比，鋼結(jié)構(gòu)住宅的防火性能和構(gòu)造技術(shù)要求更為嚴(yán)格，防火設(shè)計(jì)還需結(jié)合建筑功能需求、施工構(gòu)造工藝及全裝修交付，實(shí)現(xiàn)防火功能與施工便捷、造價(jià)可控的綜合目標(biāo)。研究鋼結(jié)構(gòu)住宅主體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)防火技術(shù)能夠有效推進(jìn)鋼結(jié)構(gòu)住宅的技術(shù)發(fā)展及推廣應(yīng)用。

1 鋼結(jié)構(gòu)住宅主體構(gòu)件防火方案的優(yōu)化選擇

基于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，鋼結(jié)構(gòu)建筑主體結(jié)構(gòu)的防火保護(hù)可采用下列措施之一或其中幾種的復(fù)（組）合：① 噴涂（抹涂）防火涂料；② 包覆防火板；③ 包覆柔性氈狀隔熱材料；④ 外包混凝土、金屬網(wǎng)抹砂漿或砌筑砌體。這幾類防火保護(hù)技術(shù)原理是依靠材料自身的低導(dǎo)熱性、高隔熱性和不燃燒性，阻隔熱量傳遞，在被保護(hù)物體表面隔離熱量，延緩鋼材升溫，從而保護(hù)鋼構(gòu)件的強(qiáng)度不喪失，延緩建筑的破壞倒塌，為人員疏散和滅火、營(yíng)救爭(zhēng)取寶貴的時(shí)間[1]。

針對(duì)多高層鋼結(jié)構(gòu)住宅主體結(jié)構(gòu)采用的鋼框架+支撐的體系，分析鋼柱、梁及支撐可應(yīng)用的新型防火材料及防火措施，對(duì)比其施工工藝、性能特點(diǎn)及適用范圍，總結(jié)出與之對(duì)應(yīng)的防火技術(shù)方案。不同防火材料性能特點(diǎn)及適用范圍列于表 1。

表1 不同防火材料性能特點(diǎn)及適用范圍

鋼結(jié)構(gòu)住宅選用防火材料應(yīng)具備不燃、高溫穩(wěn)定性及較小的熱傳導(dǎo)系數(shù)等特征，易燃燒或者使用溫度范圍較低的泡沫玻璃、聚苯乙烯、泡沫塑料等材料不適用于防火功能。通過(guò)對(duì)不同材料制作試件并進(jìn)行耐火試驗(yàn)檢測(cè)，ALC 材料、膨脹蛭石、泡沫混凝土、硅酸鈣、巖棉、石膏、保溫砂漿、發(fā)泡陶瓷、膠粉苯顆粒等材料可作為防火材料。

基于不同防火材料特點(diǎn)，根據(jù)不同工況及施工便捷性綜合考慮防火技術(shù)方案設(shè)計(jì)，并開(kāi)展多高層鋼結(jié)構(gòu)住宅防火構(gòu)造優(yōu)化。針對(duì)不同部位形成與之對(duì)應(yīng)的組合防火方案：鋼柱部位擬采用內(nèi)灌混凝土 ＋ 外涂厚型防火涂料，鋼梁部位擬采用厚型防火涂料或“防火板 ＋ 厚型防火涂料”組合防火方式。并通過(guò)耐火試驗(yàn)對(duì)鋼柱、鋼梁防火技術(shù)方案及性能進(jìn)行驗(yàn)證。

2 鋼結(jié)構(gòu)住宅主體構(gòu)件防火方案試驗(yàn)測(cè)試

針對(duì)柱 ＋ 梁 ＋ 外墻節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)試件，通過(guò)耐火試驗(yàn)對(duì)研究開(kāi)發(fā)的組合防火方案、防火性能進(jìn)行驗(yàn)證?；谝?guī)范和國(guó)內(nèi)研究成果，在一定的設(shè)定參數(shù)下測(cè)定，設(shè)定的參數(shù)條件包括構(gòu)造方式、保護(hù)層厚度、耐火極限時(shí)間要求[2]。各類防火材料的性能好壞主要體現(xiàn)在被保護(hù)的鋼構(gòu)件在火災(zāi)下的升溫速度大小，因此主要記錄并比較不同防火方案的鋼構(gòu)件在火災(zāi)下的時(shí)間-溫度曲線，評(píng)價(jià)判斷其耐火性能的好壞。同時(shí)觀察防火材料及構(gòu)造做法在受火過(guò)程中是否存在開(kāi)裂、脫落等現(xiàn)象。

本次試驗(yàn)采用的升溫加載方式基于 GB/T 9978《建筑構(gòu)件耐火試驗(yàn)辦法》中給出的升溫加載制度，試驗(yàn)爐內(nèi)的升溫曲線為 ISO 834 標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線，該加載制度能使試件受到與一般建筑發(fā)生纖維類火災(zāi)時(shí)的溫度作用相似，測(cè)試要求受火3 h 后，試件鋼板的溫度 ≤ 550℃。

在標(biāo)準(zhǔn)升溫條件下，本次試驗(yàn)的試件升溫緩慢，在排除保護(hù)層脫落的情況下，試驗(yàn) 90 min 前，溫度基本保持在150℃ 以下；90～180 min，試件溫度基本保持一定升溫速度，最終溫度保持在 280℃ 以內(nèi)，構(gòu)件防火保護(hù)層隔熱效果良好，能滿足構(gòu)件防火保護(hù)要求。

對(duì)于柱 ＋ 梁 ＋ 外墻節(jié)點(diǎn)試件耐火試驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行分析，可以得出以下結(jié)論：對(duì)裝配式住宅鋼結(jié)構(gòu)體系采用的組合防火保護(hù)方案進(jìn)行 ISO 834 標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)下的柱 ＋ 梁 ＋ 節(jié)點(diǎn)防火保護(hù)傳熱試驗(yàn)，受火 180 min 后構(gòu)件截面各測(cè)點(diǎn)溫度均不超過(guò) 280℃，背火面測(cè)點(diǎn)溫度未超過(guò) 100℃，表明防火保護(hù)隔熱性能良好，能滿足結(jié)構(gòu)耐火性能要求，證明了柱 ＋ 梁 ＋墻節(jié)點(diǎn)防火保護(hù)方案切實(shí)可行。

3 結(jié)合建筑圍護(hù)系統(tǒng)的防火技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用

鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)方案中為達(dá)到耐火極限 2 ～ 3 h 要求，防火涂料厚度一般為 25 ～ 35 mm，鑒于防火涂料強(qiáng)度不高，厚度及面積過(guò)大后，需分層噴涂并增加防脫、防裂構(gòu)造措施，導(dǎo)致成本較高。如何與建筑圍護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)合，在滿足結(jié)構(gòu)防火功能的前提下，兼顧實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性及使用功能的實(shí)際需求,基于以上問(wèn)題開(kāi)展鋼結(jié)構(gòu)住宅防火圍護(hù)一體化技術(shù)應(yīng)用研究[3]。

（1）鋼結(jié)構(gòu)住宅外圍護(hù)系統(tǒng)墻體采用內(nèi)嵌或嵌掛組合方式時(shí)，鋼柱與圍護(hù)墻體接觸的部位，可由內(nèi)、外墻體與鋼柱連接構(gòu)造措施來(lái)實(shí)現(xiàn)建筑圍護(hù)功能需求及防火性能要求，如圖 1 所示，鋼柱防火采用內(nèi)灌混凝土+石膏基防火涂料組合方式，與內(nèi)外墻體（ALC 條板）接觸部位，不噴涂防火涂料，搭接處填充巖棉、專用砂漿等來(lái)實(shí)現(xiàn)圍護(hù)功能指標(biāo)，同時(shí)滿足防火性能要求。

圖1 鋼柱 防火圍護(hù)一體化構(gòu)造示意圖

（2）鋼梁的防火圍護(hù)一體化技術(shù)主要由樓板及內(nèi)隔墻結(jié)合防火材料共同作用組成[3]，如圖 2 所示，鋼梁防火采用石膏基防火涂料，與內(nèi)隔墻、樓板接觸部位，不再噴涂防火涂料，樓板、內(nèi)隔墻與鋼梁接觸部位的材料及構(gòu)造措施可滿足鋼梁防火性能要求，有效減少防火涂料用量，提高施工效率，降低施工成本。

圖2 鋼梁 防火圍護(hù)一體化構(gòu)造示意圖

（3）鋼支撐部位結(jié)合建筑功能需求應(yīng)用防火圍護(hù)一體化技術(shù)，可采用防火涂料與砌體填充的組合方式實(shí)現(xiàn)防火性能指標(biāo)，鋼支撐與砌體墻連接處，由砌體包覆形成防火保護(hù)，其他部位噴涂石膏基防火涂料，節(jié)約材料、提高效率，降低成本，同時(shí)保證結(jié)構(gòu)的完整性，達(dá)到防火性能要求。鋼支撐部位防火構(gòu)造示意圖如圖 3 所示。

圖3 鋼支撐部位防火構(gòu)造示意圖

4 結(jié) 語(yǔ)

裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑體系具有施工便捷、安全耐久、綠色低碳、品質(zhì)保證、利于推進(jìn)建筑工業(yè)化發(fā)展等明顯優(yōu)勢(shì)，目前，在應(yīng)用推廣中還有一些技術(shù)問(wèn)題有待解決。通過(guò)試驗(yàn)論證了鋼柱采用內(nèi)灌混凝土+石膏基的防火涂料，鋼梁優(yōu)先考慮石膏基防火涂料或防火板+石膏基防火涂料組合防火方式，鋼支撐部位采用石膏基防火涂料與砌體填充的組合方式。相比于采用水泥基防火涂料，在材料性能、施工便利性、綜合成本上具有顯著優(yōu)勢(shì)。

本文通過(guò)分析裝配式多高層鋼結(jié)構(gòu)住宅主體結(jié)構(gòu)采用防火涂料及組合防火方式的構(gòu)造工藝及試驗(yàn)結(jié)論，結(jié)合裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅系統(tǒng)集成、一體化設(shè)計(jì)理念，研究開(kāi)發(fā)防火圍護(hù)一體化技術(shù)方案，分析了其構(gòu)造組成、特點(diǎn)、性能指標(biāo)，后續(xù)將持續(xù)完善形成鋼結(jié)構(gòu)住宅防火技術(shù)應(yīng)用圖集、工法等科技成果。希望有效促進(jìn)裝配式鋼結(jié)構(gòu)住宅建筑體系的發(fā)展，并且對(duì)設(shè)計(jì)和施工人員起到一定的參考指導(dǎo)作用。