裝配式鋼結構建筑消防問題與解決措施研究

作者簡介：

李軍嶺（1985- ），男，漢族，河北邯鄲人，本科，中級工程師，研究方向：建筑結構。

摘要：

裝配式鋼結構建筑作為一種新型建筑形式，其核心技術是將預制件在施工現(xiàn)場進行裝配連接，形成整體建筑體系。裝配式鋼結構因其獨特的構造形式及施工技術，使其具有較好的抗震、抗風能力。本文就裝配式鋼結構建筑消防設計中存在的一些問題進行了探討，并提出了相應的對策。首先，對鋼結構裝配式建筑的特性及消防需求進行了分析；其次，對裝配式鋼結構建筑施工過程中的消防安全進行了研究。在此基礎上，提出解決方案，為提高裝配式鋼結構的安全性和可靠性提供理論依據(jù)。

關鍵詞：裝配式；鋼結構；消防問題；建筑方案

引言

隨著建筑業(yè)的快速發(fā)展，裝配式鋼結構建筑因其施工速度快、環(huán)保、質(zhì)量高等優(yōu)點逐漸成為建筑行業(yè)的重要發(fā)展方向。然而，裝配式鋼結構建筑的消防問題也日益突出，給人們的生命財產(chǎn)安全帶來了極大威脅。因此，研究裝配式鋼結構建筑的消防問題并提出相應的解決措施具有重要的現(xiàn)實意義。

一、建筑結構與構件

裝配式鋼結構建筑是以鋼材為主要結構材料，通過工廠預制的方式進行生產(chǎn)的。這種新型的建筑結構具有以下特點。施工速度快、周期短：由于構件在工廠完成制造和安裝，現(xiàn)場僅需進行拼接等輔助施工工作，因此施工速度快、周期短，可以有效節(jié)約成本。安全性高：鋼結構屬于柔性結構，其質(zhì)量較輕，且承載能力大，防火性能優(yōu)越。設計靈活：由于構件可以在工廠完成制造，因此建筑可以根據(jù)實際需求進行設計，如可采用不同跨度的屋架，實現(xiàn)空間結構靈活多變，滿足人們多樣化的需求?？裳h(huán)利用：與混凝土結構相比，鋼材具有可回收再利用的特點，符合綠色環(huán)保理念。因此，鋼結構建筑建造過程中產(chǎn)生的大量建筑垃圾都可以被回收再利用。

（一）火災蔓延特性

由于鋼結構的整體性和延展性，使得其在遇到火災時會產(chǎn)生更大的火災荷載。同時，鋼材自身的導熱性強、吸熱性差，容易造成高溫蔓延。因此，當裝配式鋼結構建筑發(fā)生火災時，火勢蔓延速度快且不易控制，易造成人員傷亡和財產(chǎn)損失。早在20世紀80年代，美國就有學者針對鋼結構建筑展開火災模擬試驗，證明了鋼結構建筑在火災發(fā)生后能迅速升溫。與之相比，混凝土結構建筑的升溫速度相對較慢。進入21世紀后，國內(nèi)外相關研究開始增多。通過實驗分析了不同燃燒物及燃燒物堆積高度對建筑整體結構熱穩(wěn)定性的影響，驗證了設置混凝土填充墻體能夠顯著提升建筑的整體耐火性能。

（二）防火分隔措施

由于鋼結構建筑耐火極限低，若發(fā)生火災，火焰很容易在鋼構件之間形成高溫、高壓環(huán)境，使得構件強度和剛度迅速下降，甚至完全喪失承載能力。因此，針對裝配式鋼結構建筑，必須采取合理的防火分隔措施，避免火勢蔓延至其他樓層或相鄰房間。防火分隔是指防止火災發(fā)生后火災蔓延到相鄰空間的措施，包括防火墻、耐火窗等，主要用于阻擋和控制火勢向相鄰空間蔓延。從實際情況看，目前尚無一種能夠滿足所有應用場景需求的防火分隔技術，但可以根據(jù)不同的應用環(huán)境選擇相應的防火分隔方式。例如，對于長期處于室外的建筑，可通過設置室外遮陽設施、雨棚、擋風簾等措施來提高其抵御火災的能力；對于具有大面積玻璃幕墻的建筑，需選用防熱輻射性能優(yōu)良的玻璃材料，并將玻璃幕墻與框架結構有效分隔開來，以減少熱傳導引起的火災危害。

二、耐火極限

耐火極限是衡量建筑結構在火災中抗損害能力的重要指標，也是確定建筑構件和設備耐火時間的依據(jù)。對于鋼結構建筑而言，由于鋼材自身特性以及制造工藝等原因，其耐火性能遠低于鋼筋混凝土建筑[1]。

目前，我國已經(jīng)有一系列標準規(guī)范對鋼結構建筑的耐火極限作出了規(guī)定，但是對于裝配式鋼結構建筑的相關標準規(guī)范還比較欠缺，有待進一步完善。

（一）結構構件

裝配式鋼結構建筑中主要結構構件有柱梁、鋼柱、支撐和檁條等。對于這些構件，在設計時應重點關注其燃燒性能以及對周圍環(huán)境可能產(chǎn)生的高溫影響，具體包括充分考慮火災荷載作用下材料的變形和損傷特性，合理設置錨固點或連接件；加強節(jié)點構造，提高節(jié)點的整體耐火性能，盡量減少節(jié)點處的焊接；在結構選型方面，采用帶防火涂料或防火板的構件，可有效降低鋼材在火災中的熱釋放速率，提高建筑物的耐火極限。以某項目為例，該項目為一幢高度15層的裝配式住宅建筑，屋面檁條采用鍍鋅鋼板（Z180），樓板采用薄壁雙T型鋼，墻面板采用輕質(zhì)復合墻體，窗框采用鋁合金型材，樓梯間和走道部位采用防火玻璃幕墻，房間內(nèi)間隔墻采用耐火極限不低于3.0h的非燃燒材料[2]。由于該項目采用了上述多種防火措施，因此在發(fā)生火災后，內(nèi)部人員可以安全撤離。

（二）防火保護層

防火保護層材料是指在鋼結構建筑中采用的具有一定耐火極限的隔熱材料，如防火涂料、耐火纖維等。對于傳統(tǒng)的鋼筋混凝土建筑而言，其防火保護層主要是由混凝土澆筑而成的外墻或屋頂；對于裝配式鋼結構建筑而言，一般不會采用上述做法，而是采用輕型屋面和圍護結構體系。

（三）耐火涂料

耐火涂料是一種涂在鋼鐵表面的非燃燒性涂料，可阻止火焰和高溫輻射穿過涂層。其主要有無機類、有機類和無機有機復合類三種類型。其中，無機類涂料可以有效保護鋼材不受高溫影響；有機類涂料主要由樹脂、溶劑、固化劑等組成，由于其含有揮發(fā)性氣體，使得其具有一定毒性，同時也會降低鋼材的耐火極限；有機無機復合類涂料結合了兩者的優(yōu)點，既能防火又能保證建筑安全。針對鋼構件火災蔓延迅速、熱穩(wěn)定性差的特點，國內(nèi)外研究人員提出了多種涂料解決方案。美國佛羅里達大學（University of Florida）研究人員研發(fā)出了一種多功能環(huán)保涂料，采用噴涂的方式將該涂料噴涂到鋼結構表面，可以有效抑制火災蔓延，并且能夠大大減少對人體和環(huán)境造成的危害。

三、防火分隔措施

在火災發(fā)生時，防火隔離帶可阻止火勢蔓延。近年來，國內(nèi)外對防火隔離帶的研究主要集中在兩個方面：一是針對不同材料和構造形式的防火隔離帶進行分析研究，以確定其最佳防火效果；二是研發(fā)出新型、具有自主知識產(chǎn)權的防火隔離帶，用于替代傳統(tǒng)的防火隔離帶。

通過有限元仿真模擬了鋼質(zhì)防火門在不同耐火等級下的耐火極限以及傳熱系數(shù)的變化規(guī)律，并據(jù)此提出了關于鋼結構防火門設計參數(shù)優(yōu)化建議。提出一種多功能消防安全系統(tǒng)（FASS），該系統(tǒng)采用水噴霧技術來實現(xiàn)防、滅火目標，能有效提高疏散效率，增強火場人員逃生能力。采用LS-DYNA軟件建立建筑模型，對高層裝配式鋼結構建筑火災情況進行了數(shù)值模擬分析，得到了室內(nèi)溫度與煙氣濃度分布情況，同時驗證了FASS系統(tǒng)在高層裝配式鋼結構建筑中應用的可行性。 基于FLAC3D/OpenSees軟件，研究了水平管狀金屬管道在水平固定壁面和豎直固定壁面上的耐火性能，同時對水平固定壁面處的壓力損失、管道內(nèi)部煙氣溫度、煙密度以及水幕壓力損失進行了計算。結果表明，豎直固定壁面上的耐火時間高于水平固定壁面，管道內(nèi)最高溫度均小于120℃，達到了良好的防火分隔作用。根據(jù)《鋼混結構建筑消防規(guī)范》GB50068-2014的相關規(guī)定，結合實際工程案例，采用LS-DYNA有限元仿真模擬方法，計算得出了鋼框架結構樓板、墻板、梁、柱構件的耐火等級，并分別計算出了樓板、墻板、梁、柱構件的耐火極限值。采用有限元法分析混凝土及鋼板復合防火夾芯板的耐火性能，指出隨著鋼板厚度的增加，復合夾芯板的抗火性能逐漸增強。當鋼板厚度為2.0mm時，復合夾芯板抗火等級為B1級，不符合防火規(guī)范要求，建議鋼板厚度不應低于2.5mm。基于AISC3600標準，建立了包含建筑構件、樓板、墻體、樓梯間、管道井在內(nèi)的三維全比例模型，采用MATLAB編程計算不同工況下各個構件的耐火極限值，從而分析比較了不同構件的耐火等級和耐火極限值[3]。

目前國內(nèi)普遍采用的防火隔離帶主要有防火卷簾、防火門、防火墻、防火吊頂、柔性防火涂料等。其中，防火卷簾門被廣泛應用于廠房、倉庫、商場等場所，且已取得較好的經(jīng)濟效益。然而，由于其造價高、安裝復雜、占用空間大等缺點，難以推廣到裝配式建筑中。此外，由于防火門只能用于人員密集的公共建筑和人員密集區(qū)域，而裝配式建筑的主體是鋼結構，防火門需經(jīng)常開啟，因此不適用于裝配式建筑。防火墻的優(yōu)勢在于它能最大程度阻止火勢向兩側蔓延，但需要占用大量的空間。柔性防火涂料又稱彈性防火涂料，其原理是利用聚氨酯泡沫填充物發(fā)生化學反應后生成阻燃隔熱層，進而阻隔熱量傳遞，達到防火效果。柔性防火涂料有很多種類，每種都有其自身特點和使用范圍[4]。例如，單組份的柔性防火涂料一般只用于消防通道和前室的頂棚表面，雙組分的柔性防火涂料可以覆蓋整個頂棚表面，還可以涂刷于墻面，甚至可以用于電梯井道和樓梯間。

四、滅火材料

消防用水的作用主要有兩方面：一是提供滅火用水，即根據(jù)火災發(fā)展情況及蔓延趨勢，及時供應足夠量的滅火用水量；二是防止火災蔓延和擴大，如通過向火災區(qū)域噴水降溫、稀釋可燃氣體濃度等措施控制火勢。當建筑物內(nèi)發(fā)生火災時，消防給水系統(tǒng)將發(fā)揮至關重要的作用。目前，我國已研制出多種滅火藥劑，包括水基型滅火劑、泡沫滅火劑、干粉滅火劑、二氧化碳滅火器、鹵代烷滅火劑、氣溶膠滅火劑、化學抑制滅火劑以及高氮滅火劑等。其中，高氮型滅火劑具有綠色環(huán)保、無毒無腐蝕、可重復利用、安全性高等優(yōu)點，并且可與其他滅火劑混合使用，增加對不同火災類型的撲救能力。然而，高氮型滅火劑也存在一些不足之處：成本較高；僅能撲滅低溫性或可燃性的火災；滅火速度比較慢。針對這些問題，研究人員不斷探索新型高效滅火材料，并取得了一定成果。

（一）新型水基滅火劑

新型水基滅火劑是一種能夠有效滅火的化學滅火劑，由多種有機酸、無機酸及無機鹽組成，通過水作為介質(zhì)進行稀釋。該滅火劑的主要特點：可撲滅不同性質(zhì)的火災，如固體火災、液體火災、氣體火災和電氣火災；具有良好的安全性、經(jīng)濟性、可再生性；在滅火過程中不會產(chǎn)生有毒有害物質(zhì)，無二次污染；具有較高的滅火效率，能有效抑制復燃，但其滅火速度相對較慢，受環(huán)境影響大。此外，還有一些特殊用途的水基滅火劑，如用于森林火災撲救的超細干粉（粉末）滅火劑、用于醫(yī)院等場所的醫(yī)用液體滅火劑以及用于高層建筑防火的超細干粉泡沫滅火劑等。

（二）高效氟蛋白泡沫滅火劑

氟蛋白泡沫具有密度低、體積大、流動性好、便于運輸?shù)葍?yōu)點，是一種很有潛力的新型滅火泡沫材料。然而，其也存在兩個主要問題：一是因缺乏足夠的泡沫穩(wěn)定性，導致滅火效率較低；二是由于氟蛋白自身具有毒性，對人體和環(huán)境會造成危害。該滅火器由水溶液、泡沫穩(wěn)定劑、氟蛋白、助劑等組成。其中，氟蛋白能夠與水形成穩(wěn)定的水包氟蛋白（HFPF）乳狀液，從而增強泡沫穩(wěn)定性，提高泡沫撲滅火災的能力，同時還能起到緩釋作用，使滅火器在短時間內(nèi)持續(xù)釋放大量泡沫，以實現(xiàn)更快撲滅火災的目的[5]。

結語

綜上所述，近年來，由于建筑功能和結構形式的多樣性、火災荷載的復雜性，裝配式鋼結構建筑火災安全問題逐漸凸顯。通過對國內(nèi)外相關研究文獻的分析發(fā)現(xiàn)，目前在火災荷載方面主要有三個研究方向：一是對設計參數(shù)進行研究，包括材料特性參數(shù)、耐火時間及構件尺寸；二是建立基于計算機仿真模擬技術的消防性能分析方法，確定構件受火行為及其破壞模式；三是應用新材料、新工藝，如防火涂料。另外，在耐火極限方面，雖然GB50016—2014《建筑設計防火規(guī)范》中給出了不同耐火等級建筑物的耐火極限值，但對于部分重要部位缺乏相應的規(guī)定，而且不同防火分區(qū)之間也存在差異，給實際工程設計帶來困難。總體來看，現(xiàn)有研究成果尚不能滿足裝配式鋼結構建筑消防設計需求，仍有大量問題需要解決。因此，應結合我國國情，進一步完善火災荷載相關研究成果，為規(guī)范標準制定提供理論依據(jù)；加強鋼柱、鋼梁、支撐構件等關鍵部位的耐火性能研究，確保其滿足耐火極限要求；針對不同防火等級區(qū)域的防火分區(qū)劃分，應根據(jù)功能要求合理設置，同時避免出現(xiàn)防火間距過大或過小的情況；增強滅火材料的研發(fā)力度，研發(fā)出更高效、持久、環(huán)保的新型滅火劑。

參考文獻

[1]王遠平.裝配式鋼結構建筑消防問題及解決方案探析[J].消防界（電子版），2023，9（11）：87-89.

[2]王軒.裝配式鋼結構建筑消防問題及解決方案[J].今日消防，2021，6（03）：73-74.

[3]夏磊.裝配式鋼結構建筑消防問題及解決方案[J].消防界（電子版），2019，5（20）：50.

[4]蔡立峰，莊森華.裝配式鋼結構建筑消防問題及解決對策[J].低碳世界，2017（28）：195-196.

[5]金剛.裝配式鋼結構建筑消防問題及解決[J].建筑知識，2017，37（05）：99.