輕型木結(jié)構(gòu)材料防火問題探討

劉美彤

摘要：輕型木結(jié)構(gòu)材料由于其箱型結(jié)構(gòu)體系的特性，兼具木結(jié)構(gòu)綠色環(huán)保等特點，同時具有更高的強度和耐火性能，近年來使用較為普遍。因此，對輕型木結(jié)構(gòu)材料的火災危險性及耐火性能進行了理論分析，對火災情況下的輕型木結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)進行了模擬比較。研究發(fā)現(xiàn)，由耐火石膏板覆蓋、不燃材料填充的輕型木結(jié)構(gòu)建筑在耐火極限內(nèi)，具有與混凝土建筑相當?shù)陌踩院涂煽啃浴?/p>

關鍵詞：輕型木結(jié)構(gòu)；耐火性能；FDS

中圖分類號：TU998.1? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ?文章編號：2096-1227（2023）09-0090-03

1 研究背景

輕型木結(jié)構(gòu)是指用規(guī)格材、木基結(jié)構(gòu)板或石膏板制作的木構(gòu)架墻體、樓板和屋蓋系統(tǒng)構(gòu)成的建筑結(jié)構(gòu)[1]。區(qū)別于傳統(tǒng)的純木結(jié)構(gòu)，輕型木結(jié)構(gòu)是利用木龍骨、木擱柵等主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件，與覆面板等次要結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間形成的組合框架來實現(xiàn)受力，并且由于不燃覆面材料的保護，輕型木結(jié)構(gòu)具有更高的強度和更好的耐火性能，在應用上所受的限制較少。隨著輕型木結(jié)構(gòu)建造技術及防火技術的推進，越來越多的賓館、宿舍、辦公樓等公共建筑也采用了輕型木結(jié)構(gòu)。

目前，國內(nèi)大多數(shù)建筑仍使用磚石、鋼材及混凝土等建材。就材料本身和能源消耗而言，這些材料建成的建筑物無法順應我國低物耗、低能耗、綠色、環(huán)保等建筑發(fā)展趨勢。而木結(jié)構(gòu)建筑不僅能夠帶給人隔音、保溫的優(yōu)良感受，且與其他建筑結(jié)構(gòu)相比，還具有綠色節(jié)能、施工期短、抗震性能理想等優(yōu)勢。

輕型木結(jié)構(gòu)建筑由于其箱型結(jié)構(gòu)體系的特性，兼具了木結(jié)構(gòu)綠色環(huán)保等優(yōu)點，同時具有更高的強度和耐火性，是我國值得推廣和應用的建筑結(jié)構(gòu)體系。最新《建筑設計防火規(guī)范》（以下簡稱《建規(guī)》）將木結(jié)構(gòu)建筑單獨劃分為一章并作出了較詳細的防火要求，突出了今后木結(jié)構(gòu)建筑發(fā)展的重要性。但目前規(guī)范對輕型木結(jié)構(gòu)建筑的層數(shù)仍然限制在3層，單層建筑面積最大不超過1800m2，一定程度地限制了輕型木結(jié)構(gòu)在國內(nèi)的發(fā)展[2]。

2 輕型木結(jié)構(gòu)的構(gòu)造特征

輕型木結(jié)構(gòu)建筑一般以鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)為基礎，上部結(jié)構(gòu)以輕型木結(jié)構(gòu)構(gòu)成，上下結(jié)構(gòu)由基礎內(nèi)預埋的連接構(gòu)件連接在一起。墻體木龍骨的規(guī)格一般為38mm×89mm或38mm×140mm的鋸材，樓蓋木擱柵的規(guī)格一般為38mm×235mm的鋸材或工字梁。覆面材料一般采用石膏板[3]。

作為輕型木結(jié)構(gòu)建筑中主要的承重構(gòu)件，其墻體采用的木基結(jié)構(gòu)板材能夠承受豎向荷載，并將上部結(jié)構(gòu)荷載傳遞至房屋基礎，同時抵抗可能由風或地震引起的側(cè)向力，并合理控制空氣、熱量和水汽在建筑物內(nèi)外的流動。

輕型木結(jié)構(gòu)樓蓋的主要構(gòu)成包括梁、木擱柵及樓面板。梁由緊密固定的規(guī)格材或工程木制品制成，為木擱柵提供中間支撐。樓蓋木擱柵由規(guī)格材或工程木制品制成，由一系列的工字型構(gòu)件水平排布構(gòu)成，用于支撐樓面板、吊頂及承受上部荷載。樓面板由木基結(jié)構(gòu)板材制成。

3 輕型木結(jié)構(gòu)的耐火性能

3.1? 高溫下的木材特性

高溫下由于水分蒸發(fā)，木材的密度逐漸下降，350℃時下降到常溫密度的20%～30%；導熱系數(shù)隨溫度升高呈先上升、再下降、再上升的趨勢，同時，木材為各向異性材料，其順紋導熱系數(shù)比垂直紋方向大2倍左右。

木材屬于可燃固體，其燃點為200～290℃，自燃點為250～350℃。木材在有焰燃燒時，先進行熱解，一段時間后發(fā)生炭化。有焰燃燒時的燃燒熱一般為13MJ/kg。當木材發(fā)生無焰燃燒，燃燒熱比較大，為31MJ/kg左右。木材燃燒后會在表面留下炭化層，炭化層可以保護內(nèi)部材料避免直接暴露在火焰和氧氣中。通常認為木材炭化的溫度為300℃。炭化層以下的內(nèi)部木材溫度升高緩慢，一方面得益于炭化層的保護，另一方面也是因為木材本身導熱率低。因此重型木結(jié)構(gòu)（膠合木柱、膠合木梁）也具有一定的耐火承載力[4-5]。

3.2? 覆面材料及填充材料對木框架耐火性能的影響

輕型木結(jié)構(gòu)內(nèi)墻板和樓蓋板通常使用石膏板、水泥纖維板等材料作為保護層，墻體和樓板的耐火性能主要取決于這層覆面材料。石膏板是最常用的覆面材料，不同種類和厚度的石膏板可以提供0.5～3.0h的耐火極限。

決定墻體及樓板結(jié)構(gòu)防火性能的關鍵因素包括：石膏板的層數(shù)和厚度、石膏板的質(zhì)量、石膏板與木龍骨和木擱柵連接處的細節(jié)以及建筑構(gòu)造細節(jié)等。

石膏分子中含有約占21%重量的結(jié)晶水，因此石膏板被加熱溫升至100℃左右時會發(fā)生脫水，這一過程需要吸收大量熱，從而延緩熱傳遞，推遲了主要承重構(gòu)件（木龍骨和木擱柵）溫度升高的時間。

常用的石膏板一般為耐火石膏板。耐火石膏板是在石膏板芯中增加了玻璃纖維增強材料和其他添加劑，這些成分有助于保持石膏板的整體性，使其在火災中不易脫落，從而增加石膏板對主要承重構(gòu)件的保護時間。耐火石膏板的厚度通常是12.7mm或15.9mm。兩層12.7mm厚的耐火石膏板安裝到樓蓋木擱柵的一側(cè)，能提供約1.0h的耐火極限，這是大多數(shù)建筑規(guī)范所要求的典型樓蓋結(jié)構(gòu)系統(tǒng)需要滿足的耐火要求[6-8]。

在2007—2008年公安部天津消防研究所進行的輕型木結(jié)構(gòu)足尺構(gòu)件的耐火試驗中，覆面材料為耐火石膏板，采用了巖棉和玻璃棉兩種填充材料作為保溫材料。將實驗結(jié)果與《建規(guī)》中構(gòu)件的耐火極限要求進行比較分析后發(fā)現(xiàn)，輕木結(jié)構(gòu)構(gòu)件非承重狀態(tài)下耐火性能較好，非承重墻及樓板符合一、二級耐火等級要求；墻體承重狀態(tài)下耐火表現(xiàn)一般，在三、四級之間。不同填充材料影響了構(gòu)件的整體耐火時間，巖棉作為填充材料時明顯比玻璃棉的耐火表現(xiàn)要好。總體上輕木結(jié)構(gòu)構(gòu)件具有0.5～3h的耐火極限。改進填充材料及構(gòu)造細節(jié)、增加覆面材料層數(shù)和厚度等可進一步提高輕型木結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耐火性能。

4 輕型木結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)的火災模擬比較

在火災風險分析中，材料對風險造成較大影響的因素在于建筑結(jié)構(gòu)的完整性和建筑構(gòu)件的可燃性。結(jié)構(gòu)完整性在人員疏散過程中體現(xiàn)為疏散通道的安全性；而構(gòu)件的可燃性增加了建筑物內(nèi)的火災荷載，影響了火災蔓延程度及財產(chǎn)損失范圍。一般認為，房間隔墻、疏散通道隔墻等屬于非承重內(nèi)墻，輕木結(jié)構(gòu)構(gòu)件在非承重狀態(tài)下耐火性能良好，因此可以認為疏散通道在建筑整體坍塌前不會發(fā)生局部的完整性失效，人員是否安全疏散僅取決于燃燒產(chǎn)物的毒害作用。而由耐火石膏板覆蓋、不燃材料填充的輕型木結(jié)構(gòu)構(gòu)件可視為難燃材料，對火災初期發(fā)展幾乎不會造成影響。因此，輕型木結(jié)構(gòu)的火災危險性主要體現(xiàn)在其材料熱物理特性上的差異。這種特性的影響結(jié)果可由火災模擬軟件FDS來實現(xiàn)。

4.1? 模型及場景設置

輕型木結(jié)構(gòu)多用于住宅、辦公、賓館等建筑，該類建筑房間面積較小，層高較低，房間多為矩形。采用場模型火災模擬軟件FDS模擬火災過程，選取火災危險性相對較大的公共建筑作為研究對象。根據(jù)相關標準，設有噴淋系統(tǒng)的賓館、辦公樓等建筑的火災最大熱釋放速率為1.5MW；未設噴淋系統(tǒng)時，其最大熱釋放速率為6MW[9]?；鹪礊榧揖咧?，設增長類型為t2快速火，火災增長系數(shù)α=0.04689。

由于耐火石膏板和不燃填充材料的保護，在火災初期木質(zhì)結(jié)構(gòu)對火災的發(fā)展沒有貢獻；而在火災發(fā)展到一定階段后，木質(zhì)結(jié)構(gòu)可能會發(fā)生熱解和炭化，但在耐火石膏板失效（≥0.5h）前，并不會發(fā)生有焰燃燒，因此對火災的貢獻仍然是有限的。在FDS對比模擬中，將墻體及樓板材料設置為石膏板及混凝土?；馂膱鼍霸O置為A1、A2、B1、B2。

4.2? 模擬結(jié)果分析

在A1和A2場景下（噴淋失效），從煙氣層溫度變化曲線來看，200s前石膏板房間煙氣層溫度略高，200s后混凝土房間煙氣層升溫較快，300s后趨于穩(wěn)定，混凝土房間的煙氣層溫度高于石膏板房間約200℃。

然而石膏板頂棚和側(cè)墻溫度一直高于混凝土頂棚和側(cè)墻，400s后穩(wěn)定在1000℃左右；在模擬時間內(nèi)混凝土頂棚溫度在400s后緩慢上升至800℃，側(cè)墻溫度上升至580℃左右，并逐漸趨于穩(wěn)定。

雖然著火房間壁面溫度在短時間內(nèi)能夠達到1000℃，但由于耐火極限內(nèi)石膏板能夠保證完整性，內(nèi)部高溫的木質(zhì)結(jié)構(gòu)并未與空氣接觸，因此不存在炭化或燃燒的可能。

在B1和B2場景下（噴淋有效），混凝土房間與石膏板房間噴淋系統(tǒng)響應時間均為85s，從滅火效果來看，石膏板房間滅火時間較混凝土房間提前13s，火勢能夠更快撲滅。但整體上兩者差別不大。

火災中人員的耐受能力主要受熱輻射和熱煙氣的影響。輕型木結(jié)構(gòu)外覆不燃性覆面材料，對產(chǎn)煙量的影響忽略不計；同樣的火災場景，其煙氣層溫度略低于混凝土房間，熱輻射對人員的傷害更低；噴淋啟動后，材料對火災發(fā)展的影響很不顯著。

5 結(jié)論

本文對輕型木結(jié)構(gòu)材料防火問題進行了探討。通過分析發(fā)現(xiàn)，覆面材料、填充材料對輕型木結(jié)構(gòu)整體的耐火性能有一定影響，耐火石膏板覆面及巖棉填充的輕型木結(jié)構(gòu)構(gòu)件耐火性能良好。通過改進填充材料及構(gòu)造細節(jié)、增加覆面材料層數(shù)和厚度等，輕型木結(jié)構(gòu)的耐火性能會進一步提高。

通過FDS數(shù)值模擬對比了輕型木結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)在設定火災條件下壁面及煙氣溫度變化，以及噴淋作用下的滅火效果。結(jié)果顯示，輕型木結(jié)構(gòu)固相升溫較快，但氣相煙氣溫度較低。在噴淋作用下，兩者對滅火效果的影響較小?？梢钥闯觯p型木結(jié)構(gòu)材料在應用于多層建筑時，具有與混凝土建筑相當?shù)陌踩院涂煽啃?。在保證輕型木結(jié)構(gòu)構(gòu)件耐火完整性的前提下，可以適當增加建筑層數(shù)及面積以滿足工程需要。

參考文獻：

[1]GB 50005—2017 木結(jié)構(gòu)設計標準[S].

[2]GB 50016—2014（2018年版）建筑設計防火規(guī)范[S].

[3]謝啟芳，呂西林，熊海貝.輕型木結(jié)構(gòu)房屋的結(jié)構(gòu)特點與改進[J].建筑結(jié)構(gòu)學報，2010（增刊2）：350-354.

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[6]倪照鵬，彭磊，邱培芳，等.木結(jié)構(gòu)建筑構(gòu)件耐火性能試驗研究[J].土木工程學報.2012，45（12）：108-113.

[7]邱培芳，倪照鵬.我國木結(jié)構(gòu)建筑防火技術研究及應用[J].建設科技，2012（10）：28-31.

[8]Ni，Z.，Qiu，P.，Mehaffey，J.，Winter，S.，Experimentalstudyon fire protection of timber assemblies[C]// Application of Structural Fire Engineering， Prague，Czech Republic，2009.

[9]GB 51251—2017 建筑防煙排煙系統(tǒng)技術標準[S]．

Discussion on fire protection of light wood structural materials

Liu Meitong

（Shenyang Municipal Fire and Rescue Brigade， Liaoning Shenyang 110013）

Abstract： Light wood structure materials are widely used in recent years due to the characteristics of their box structure system， both green and environmental protection of wood structures， and higher strength and fire resistance. Therefore， the fire hazard and fire resistance of light wood structure materials are theoretically analyzed. And the simulation and comparison of light wood structures and concrete structures under fire conditions are carried out. The study found that light wood structures covered by refractory gypsum board and filled with non-combustible materials have the same safety and reliability as concrete buildings within the fire resistance limit.

Keywords： light wood structure; fire resistance; FDS