性能設(shè)計(jì)方法在鋼結(jié)構(gòu)建筑防火設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

■ 朱世偉 保定市消防救援支隊(duì)蠡縣大隊(duì)

目前，我國的現(xiàn)代化建筑呈現(xiàn)多樣的形式，傳統(tǒng)的防火設(shè)計(jì)逐漸暴露出滯后性，在各領(lǐng)域的不斷探索與研究下，誕生了一種全新的建筑防火設(shè)計(jì)理念，即性能設(shè)計(jì)。性能設(shè)計(jì)方法的現(xiàn)世，使建筑防火設(shè)計(jì)具有更高的可行性及科學(xué)性?；诖耍恼乱蕴接懶阅茉O(shè)計(jì)方法在鋼構(gòu)件建筑防火設(shè)計(jì)中的實(shí)際運(yùn)用為最終目的，闡述鋼結(jié)構(gòu)建筑的防火舉措、性能設(shè)計(jì)方法的潛在意義和現(xiàn)階段發(fā)展所面臨的挑戰(zhàn)，旨在進(jìn)一步提升鋼結(jié)構(gòu)建筑的防火能力從而降低火災(zāi)發(fā)生的可能性。

一、鋼結(jié)構(gòu)建筑耐火保護(hù)舉措

（一）鋼結(jié)構(gòu)建筑優(yōu)缺點(diǎn)

隨著鋼材的廣泛運(yùn)用，基礎(chǔ)建筑施工中以鋼結(jié)構(gòu)為主的建設(shè)方式逐漸嶄露頭角，其優(yōu)點(diǎn)決定了鋼結(jié)構(gòu)建筑將逐步取代傳統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)地位的發(fā)展趨勢。鋼結(jié)構(gòu)建筑的主要優(yōu)勢在于以下幾點(diǎn)：1.鋼構(gòu)件建筑建設(shè)時(shí)間短；2.鋼構(gòu)件建筑施工靈活；3.鋼構(gòu)件建筑可使用的容積較大。

鋼結(jié)構(gòu)建筑的缺點(diǎn)在于其防火性能差，耐燃性不高，如果發(fā)生大型火災(zāi)，鋼材將會(huì)面臨高溫的持續(xù)炙烤。當(dāng)溫度高于600℃時(shí)，鋼材的堅(jiān)硬程度會(huì)出現(xiàn)質(zhì)的改變，并且鋼材在持續(xù)15 分鐘的高溫炙烤下會(huì)出現(xiàn)斷裂甚至融化現(xiàn)象，而鋼結(jié)構(gòu)建筑物也會(huì)隨之崩塌[1]。因此，在鋼構(gòu)件建筑施工時(shí)，需要重點(diǎn)關(guān)注其防火性能以及探索鋼結(jié)構(gòu)防火保護(hù)的舉措。

（二）鋼結(jié)構(gòu)建筑耐火保護(hù)舉措

阻止高溫與鋼材的直接接觸是有效提升鋼構(gòu)件建筑耐燃性的主要舉措。而最優(yōu)質(zhì)的方式便是采取隔絕法，從而在根本上避免鋼材與高溫的直接接觸，延長鋼材受熱的時(shí)間。目前，我國在鋼結(jié)構(gòu)建筑施工過程中普遍采取這種隔離方式，而我國目前的隔絕方式關(guān)鍵有以下三種：

（1）使用混凝土或者耐火磚對鋼材結(jié)構(gòu)進(jìn)行外部包裝，使空氣與鋼結(jié)構(gòu)完全隔離，從而防止高溫對鋼材的直接灼燒，但由于混凝土或耐火磚在堆砌的過程中難免會(huì)留有空隙，并且這種方式在某種層面上極大地增加了工程量以及資金的損耗，因此這種方式已不能滿足施工建設(shè)對于防火設(shè)計(jì)的需求。

（2）采用具有高強(qiáng)度防火性能的輕質(zhì)材料對鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行外部包裝，例如石膏板、TK 板及特質(zhì)防火布等，由于其質(zhì)地輕巧、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的特性，這種包裝方式也廣泛應(yīng)用于小型鋼結(jié)構(gòu)建筑防火設(shè)計(jì)中，并且這種材料具有較好的耐燃性，可以更好地將高溫與鋼材進(jìn)行隔絕，目前我國在鋼結(jié)構(gòu)建筑的防火設(shè)計(jì)中也普遍采用此方式進(jìn)行防火設(shè)計(jì)。

（3）利用防火涂料使鋼材形成防火保護(hù)膜，有效地隔絕高溫對鋼材的炙烤，提高鋼材的耐燃性。但由于其價(jià)格昂貴、技術(shù)不成熟等缺點(diǎn)，使得這種防火方式在我國并沒有得到充分的采用。目前，我國使用的防火涂料有膨脹和非膨脹兩種類型。膨脹型在高溫持續(xù)炙烤下，會(huì)使涂料體積增大，以增加受熱面積的方式來隔斷高溫與鋼材的直接接觸，從而延長鋼材受熱時(shí)間，提升鋼材的耐燃性。而非膨脹型材料本身具有較大的厚度，基本在8mm ～55mm 之間。從嚴(yán)格意義上來講，二者都是將自身的體積增大，從而阻斷高溫與鋼材的直接接觸，但非膨脹型涂料不用通過高溫加熱來進(jìn)行體積的變化，自身的厚度使得非膨脹型涂料也具有極高的隔熱性能[2]。

二、性能設(shè)計(jì)方法的意義

（一）性能化防火設(shè)計(jì)的應(yīng)用性

性能化的防火設(shè)計(jì)是一個(gè)比較創(chuàng)新的建筑防火安全措施與方法。從科技的角度講，鋼結(jié)構(gòu)建筑的防火概念往往需要深入整個(gè)建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)部，而性能化防火則是指通過現(xiàn)代化的技術(shù)手段，可以更精確地預(yù)測火勢及其可能造成的損失并記錄下火災(zāi)數(shù)據(jù)，同時(shí)以這些信息為防火設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，嚴(yán)格設(shè)計(jì)和把控可能引起火災(zāi)事故的關(guān)鍵部件，以達(dá)到現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)的防范火災(zāi)的要求。從設(shè)計(jì)規(guī)范而言，性能設(shè)計(jì)利用了消防安全工程學(xué)的基本原理對建筑物進(jìn)行防火規(guī)范。需要相關(guān)人員從全局出發(fā)，重點(diǎn)根據(jù)建筑物的實(shí)用功能、周邊實(shí)際情況、整體結(jié)構(gòu)及建筑物整體耐火性等層面作出全方位的預(yù)料。盡管性能設(shè)計(jì)不能為防火工作提供直接性的解決措施，但可以根據(jù)建筑防火設(shè)計(jì)的現(xiàn)實(shí)狀況加以衡量，從而加大性能設(shè)計(jì)的評價(jià)和量化等工作能力，使其工作方式能被群眾所接納。并且，性能設(shè)計(jì)可以作為一種防火設(shè)計(jì)理論和建筑評價(jià)使用的具體方法。其優(yōu)勢在于：一方面能更好地體現(xiàn)出建筑的特殊性，更全面地理解建筑的真實(shí)用處，更客觀地表現(xiàn)出建筑的差異，從而擬定具體的設(shè)計(jì)方法；另一方面在于可以依據(jù)建筑的地理環(huán)境，做出對應(yīng)的設(shè)計(jì)方法，亦可以改善設(shè)計(jì)的思路，做到全方位統(tǒng)籌設(shè)計(jì)方法；最后可以采用多元化的分析手段，以此來確保設(shè)計(jì)的正確性。在實(shí)際的操作中，性能化防火設(shè)計(jì)可以依照以下幾方面推進(jìn)：

（1）嚴(yán)格依據(jù)鋼結(jié)構(gòu)建筑的使用功能，將其防火設(shè)計(jì)的目標(biāo)進(jìn)行明顯化，并進(jìn)行有針對性的量化分析。

（2）嚴(yán)格遵循鋼結(jié)構(gòu)建筑的現(xiàn)實(shí)狀況，分析其內(nèi)部存在的易燃物量及人員主要工作場所的布局，從而對疏散通道及火災(zāi)易發(fā)根源進(jìn)行科學(xué)的設(shè)計(jì)。

（3）嚴(yán)格按照消防安全的規(guī)定，對防火效果進(jìn)行評估，撰寫相關(guān)報(bào)告，實(shí)施全面的設(shè)計(jì)內(nèi)容。

（二）性能化防火設(shè)計(jì)的必要性

雖然并不是每個(gè)建筑物都必須通過性能化方法來完成設(shè)計(jì)，但性能防火設(shè)計(jì)方法的運(yùn)用是目前鋼結(jié)構(gòu)建筑中安全防火舉措的一種必然發(fā)展走向。我國目前在高性能化防火設(shè)計(jì)與評價(jià)等方面的科學(xué)研究上已經(jīng)獲得了很大的進(jìn)展，但由于我國性能化防火設(shè)計(jì)的發(fā)展起步較晚，存在著火災(zāi)基礎(chǔ)科學(xué)研究還比較薄弱、相關(guān)工程研究少等問題，因此我國在性能化的防火設(shè)計(jì)和評估上仍有不少的技術(shù)難題和使用技巧需要攻克。這就需要我國相關(guān)領(lǐng)域加速對性能化防火的研究腳步，充分結(jié)合國內(nèi)外現(xiàn)有的研究成果，加大對消防安全相關(guān)研究力度，全方位推動(dòng)性能設(shè)計(jì)方法在鋼構(gòu)件建筑防火設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，從而加強(qiáng)我國基層建筑在發(fā)展及運(yùn)營中的安全性及科技性。

三、目前我國鋼結(jié)構(gòu)建筑防火設(shè)計(jì)所面臨的挑戰(zhàn)

鋼結(jié)構(gòu)建筑主要有體積較大、結(jié)構(gòu)繁瑣的特征，如大型火車站、購物中心、飛機(jī)航站樓等。由于此類建筑需要很大的占地范圍，致使由鋼構(gòu)件組成的建筑物體積龐大。因此，在對鋼結(jié)構(gòu)建筑物進(jìn)行防火設(shè)計(jì)時(shí)，需要充分利用性能設(shè)計(jì)方式來達(dá)到防火目的。目前我國在對大型鋼結(jié)構(gòu)建筑物進(jìn)行防火設(shè)計(jì)的工作中主要有以下兩方面的難題：

（一）難以劃分防火區(qū)域

根據(jù)我國相關(guān)防火設(shè)計(jì)規(guī)范的要求，需要對大面積建筑平面采用防火墻或防火卷簾等材料進(jìn)行區(qū)域防火的劃分，這種按“處方式”的防火設(shè)計(jì)，雖然能夠有效地阻止火勢蔓延，但可能會(huì)從根本上改變建筑物的實(shí)用功能，不僅如此，現(xiàn)代建筑對美學(xué)的要求極為苛刻，如果防火區(qū)域劃分不合理，會(huì)從外觀上影響建筑物美學(xué)價(jià)值[3]。由于不同的建筑物之間具有較為明顯的差異性，因此在進(jìn)行建筑物防火設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該根據(jù)建筑物的實(shí)際情況，運(yùn)用合理、科學(xué)的性能防火措施，通過火災(zāi)模擬實(shí)驗(yàn)，分析出適合建筑物本身功能的防火方式。

（二）防火方式單一

即使對于鋼結(jié)構(gòu)建筑的防火保護(hù)措施有多種方式，但依據(jù)目前的科學(xué)技術(shù)水平而言，防火噴涂成為鋼結(jié)構(gòu)建筑防火保護(hù)的主要手段。根據(jù)我國相關(guān)的建筑防火規(guī)定，鋼結(jié)構(gòu)建筑物在進(jìn)行防火設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮建筑物內(nèi)各個(gè)鋼構(gòu)件的承重能力及防火能力。施工方還要嚴(yán)格把控防火涂料的耐燃性，結(jié)合這兩個(gè)層面，施工方需要對噴有防火涂料的鋼構(gòu)件進(jìn)行進(jìn)一步的耐燃能力的測試。盡管如此，這種防火保護(hù)方式依舊有以下兩方面的缺陷：

1.滅火設(shè)施基礎(chǔ)建設(shè)不全面

我國在鋼結(jié)構(gòu)建筑物的防火設(shè)計(jì)層面上，不能依據(jù)建筑物的具體實(shí)用功能來進(jìn)行，主要就體現(xiàn)在滅火設(shè)施的基礎(chǔ)建設(shè)方面，例如機(jī)場與購物中心這兩種建筑，它們的建設(shè)具有其獨(dú)特的功能，在滅火設(shè)施的建設(shè)上也需要根據(jù)其各自的功能來進(jìn)行，因此需要防火設(shè)計(jì)人員根據(jù)二者發(fā)生火災(zāi)時(shí)的情景，做出相應(yīng)的滅火設(shè)施建設(shè)，這樣才能起到有效的滅火、控火效果。

2.防火保護(hù)方法缺少科學(xué)的檢測方法

無論是哪種鋼結(jié)構(gòu)防火保護(hù)方式都需要對其進(jìn)行科學(xué)、合理的檢測，例如在使用防火涂料的保護(hù)方式時(shí)，需要相關(guān)人員對其進(jìn)行使用前、使用時(shí)、使用后的科學(xué)檢測，以確保在性能防火設(shè)計(jì)時(shí)能夠高效地進(jìn)行對鋼結(jié)構(gòu)建筑的防火保護(hù)。另外，由于鋼構(gòu)件在建筑結(jié)構(gòu)中存在端對端的限制條件，無法從火災(zāi)實(shí)驗(yàn)中提取有效的防火數(shù)據(jù)，因此需要相關(guān)人員在設(shè)計(jì)防火方案時(shí)重點(diǎn)關(guān)注鋼構(gòu)件兩端部的連接部位，確保端部防火性能的極限，以此作為鋼結(jié)構(gòu)整體構(gòu)造的防火性能建設(shè)。再者，結(jié)構(gòu)受火后在結(jié)構(gòu)中也會(huì)形成高溫應(yīng)力，而這一影響在構(gòu)件的試驗(yàn)方法中難以準(zhǔn)確反映[4]。需要從科學(xué)的角度全面考察鋼結(jié)構(gòu)建筑物的實(shí)際情況，通過科學(xué)的力學(xué)計(jì)算方式，從而提升鋼結(jié)構(gòu)建筑物的整體防火性能。

四、性能設(shè)計(jì)在鋼結(jié)構(gòu)建筑防火設(shè)計(jì)中的運(yùn)用

（一）火災(zāi)場景設(shè)計(jì)

首先，火災(zāi)情景設(shè)計(jì)須結(jié)合相關(guān)建筑的基本情況，尤其是其內(nèi)部現(xiàn)存的可燃物數(shù)量及類型、火災(zāi)蔓延趨勢等方面，識(shí)別建筑物和損失；其次，通過相關(guān)計(jì)算方式估算火勢蔓延各個(gè)階段的狀況，重點(diǎn)在于熱力傳播對建筑周邊環(huán)境的損害；最后，在設(shè)置火災(zāi)現(xiàn)場情景時(shí)，要充分考慮火災(zāi)爆發(fā)的來源以及在大火處理過程中撲救的進(jìn)度，而火災(zāi)爆發(fā)的現(xiàn)場情景設(shè)置需要充分反映火災(zāi)現(xiàn)場的實(shí)際情況，這將直接影響性能化防火方法的真實(shí)性與科學(xué)性。

（二）控火、防火系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.空間模擬

發(fā)生火災(zāi)時(shí)，由于溫度及時(shí)間的改變，上層氣體的結(jié)構(gòu)和狀態(tài)也會(huì)隨之改變，而室內(nèi)設(shè)計(jì)不同于室外，氣體在轉(zhuǎn)移過程中會(huì)受到空間約束。因此，利用性能化設(shè)計(jì)的空間模擬可以根據(jù)提起轉(zhuǎn)移的方向，準(zhǔn)確定位火災(zāi)發(fā)生的位置及蔓延趨勢，有利于及時(shí)有效地控制火災(zāi)的蔓延，從而減少火災(zāi)所帶來的損失。

2.區(qū)域分區(qū)模擬

在空間結(jié)構(gòu)較大的區(qū)域，防火設(shè)計(jì)具有極高的靈活性和延展性。采取區(qū)域分區(qū)的模式可以有效降低火災(zāi)發(fā)生的概率，防火分區(qū)在材料的選擇上必須具有極高的防火功能，才能有效地實(shí)現(xiàn)火災(zāi)隔離，防火分區(qū)的主要目的是針對特定區(qū)域設(shè)置專用的滅火排煙設(shè)施，以達(dá)到阻止火勢蔓延的效果。具體來講，在鋼結(jié)構(gòu)建筑物的小空間區(qū)域可采用高效的噴淋實(shí)驗(yàn)裝置，但在大空間地區(qū)常規(guī)噴淋實(shí)驗(yàn)裝置無法有效應(yīng)用，取而代之的是更為有效的水泡滅火系統(tǒng)。合理的防火分區(qū)有利于從根源上杜絕火勢的蔓延，減少對周邊區(qū)域的危害。

（三）人員安全疏散設(shè)計(jì)

性能化的防火設(shè)計(jì)方法，能夠?qū)⒒馂?zāi)中出現(xiàn)的煙霧、溫度及有毒氣體等危害作為人員安全標(biāo)準(zhǔn)的主要評價(jià)因素?；馂?zāi)中最主要的目的是保障人員的生命安全，合理、科學(xué)的疏散逃生通道是保障人員生命安全的有效途徑，利用性能化防火設(shè)計(jì)方式能夠?qū)μ由ǖ赖倪x擇進(jìn)行有效計(jì)算與分析，以確保針對不同區(qū)域的人員制定不同的逃生疏散路徑，降低火災(zāi)發(fā)生時(shí)對人員生命安全的威脅，并減輕其心理負(fù)擔(dān)[5]。

（四）鋼建筑結(jié)構(gòu)耐燃性能設(shè)計(jì)

從鋼結(jié)構(gòu)建筑的安全性角度及整體的穩(wěn)定性層面進(jìn)行全面考慮，利用性能設(shè)計(jì)防火方式研究鋼構(gòu)件在火災(zāi)中的反應(yīng)，從而制定安全消防方案，以確保在著火狀態(tài)下鋼結(jié)構(gòu)建筑物的穩(wěn)定性，避免坍塌的劇烈變化。因此，對鋼結(jié)構(gòu)建筑做好火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)并及時(shí)掌握火災(zāi)的發(fā)展規(guī)模，從而做好相應(yīng)的消防措施，有利于防止發(fā)生嚴(yán)重火災(zāi)時(shí)鋼結(jié)構(gòu)建筑物倒塌后造成的嚴(yán)重?fù)p失。五、結(jié)語

綜上所述，性能設(shè)計(jì)方法在鋼結(jié)構(gòu)建筑防火的設(shè)計(jì)中起到至關(guān)重要的作用，與傳統(tǒng)的處方式規(guī)范設(shè)計(jì)相比，性能化的防火設(shè)計(jì)可以根據(jù)不同的功能區(qū)進(jìn)行細(xì)致的研究、測算，把工作人員的撤離時(shí)刻和火災(zāi)事故威脅來臨時(shí)刻進(jìn)行比較研究，進(jìn)而強(qiáng)化各類消防設(shè)施的管理，最終得出結(jié)論：性能化的滅火系統(tǒng)可以確保工作人員的安全，可以有效控制火勢的蔓延擴(kuò)展，最大限度降低火災(zāi)事故風(fēng)險(xiǎn)，維護(hù)國家和公民的財(cái)產(chǎn)安全。