裝配式建筑結(jié)構(gòu)防火性能評估與優(yōu)化策略研究

引言

隨著建筑工業(yè)化的不斷深入，裝配式建筑憑借其高效、節(jié)能、綠色環(huán)保等優(yōu)勢在國內(nèi)外得到廣泛推廣。傳統(tǒng)現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)在施工工藝上雖然成熟，但在施工周期、材料浪費(fèi)、環(huán)境污染等方面存在較大缺陷，而裝配式建筑通過工廠預(yù)制、現(xiàn)場裝配的模式，顯著提升了施工效率并降低了資源消耗。然而，在快速推廣的同時(shí)，裝配式建筑在安全性、耐久性以及防火性能等方面也暴露出不少問題。特別是在火災(zāi)頻發(fā)的背景下，建筑物的防火性能成為衡量安全水平的重要指標(biāo)之一。

一、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

近年來，國內(nèi)外對裝配式建筑的防火性能開展了大量研究，主要集中在耐火極限、節(jié)點(diǎn)連接防火性能、材料燃燒特性及智能化防火監(jiān)測等方面。國外研究較早，歐洲依托EN1363、EN13501等標(biāo)準(zhǔn)，對裝配式建筑的耐火性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究，強(qiáng)調(diào)防火密封材料及耐火墊層對節(jié)點(diǎn)耐火性的影響。美國ASTME119、NFPA285等標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)測試，優(yōu)化了防火設(shè)計(jì)，同時(shí)推動(dòng)智能火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用。日本研究側(cè)重于抗震與防火一體化設(shè)計(jì)，提出交錯(cuò)層壓木材（CLT） + 耐火涂層的方式提升耐火性能[1]。國內(nèi)研究主要圍繞耐火極限測試、連接節(jié)點(diǎn)防火優(yōu)化、材料防火改性及智能監(jiān)測系統(tǒng)展開。研究表明，高硅混凝土、耐火涂層、智能監(jiān)測系統(tǒng)能顯著提高裝配式建筑的耐火極限，并提升火災(zāi)響應(yīng)能力。然而，現(xiàn)行防火標(biāo)準(zhǔn)仍基于傳統(tǒng)現(xiàn)澆建筑，難以直接適用于裝配式建筑，亟須對拼接節(jié)點(diǎn)、材料選擇及智能監(jiān)控進(jìn)行專項(xiàng)優(yōu)化，以提高整體防火性能。

目前，裝配式建筑防火性能存在的問題主要集中在以下幾方面。首先，由于構(gòu)件在工廠預(yù)制和現(xiàn)場拼裝過程中存在接口連接，其節(jié)點(diǎn)部位常成為防火薄弱環(huán)節(jié)。其次，不同預(yù)制構(gòu)件在材料種類、施工工藝及防火涂層等方面的差異，導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)耐火性能參差不齊。最后，傳統(tǒng)的防火設(shè)計(jì)方法多基于現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，對于裝配式建筑特殊的節(jié)點(diǎn)和連接方式難以完全適用。針對上述問題，本文在總結(jié)國內(nèi)外研究成果和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，從多角度出發(fā)，提出了針對裝配式建筑防火性能的評估方法和優(yōu)化策略，旨在為提高建筑整體安全性提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

二、裝配式建筑的防火性能評估方法

防火性能評估是對建筑在火災(zāi)作用下各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行系統(tǒng)檢測和分析的過程，主要包括耐火極限測試、結(jié)構(gòu)連接處防火性能分析、材料燃燒性能測試以及煙氣蔓延與疏散分析。

（一）耐火極限測試

耐火極限是評價(jià)建筑構(gòu)件在火災(zāi)條件下保持承載能力、完整性和隔熱性的核心指標(biāo)。傳統(tǒng)耐火極限試驗(yàn)通常在專用耐火試驗(yàn)爐中進(jìn)行，通過對構(gòu)件施加標(biāo)準(zhǔn)火焰曲線進(jìn)行加熱，直至構(gòu)件出現(xiàn)失效或超過允許的溫升。對于裝配式建筑構(gòu)件，耐火極限測試應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面。

1.承載能力檢測。在火災(zāi)加熱過程中，通過加載試驗(yàn)?zāi)M構(gòu)件在高溫下的受力狀態(tài)，監(jiān)測其承載能力的變化。采用加載裝置與應(yīng)變計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測試件的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，判斷結(jié)構(gòu)在高溫下的安全裕度。

2.完整性檢驗(yàn)。防止火焰、火球或有害氣體通過構(gòu)件內(nèi)部或表面滲透，保證火災(zāi)中結(jié)構(gòu)不出現(xiàn)大面積破損或剝離。通過高溫試驗(yàn)觀察構(gòu)件表面裂縫、鼓脹及局部剝落情況，并結(jié)合聲學(xué)檢測技術(shù)進(jìn)行輔助判斷。

3.隔熱性評價(jià)。通過熱流計(jì)、紅外熱像儀等儀器監(jiān)測構(gòu)件背面溫度上升情況，確保溫度在規(guī)定范圍內(nèi)保持穩(wěn)定。數(shù)值模擬方法（如有限元熱傳導(dǎo)分析）可用于驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，提高結(jié)果的準(zhǔn)確性。

（二）結(jié)構(gòu)連接處防火性能分析

裝配式建筑的結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)是預(yù)制構(gòu)件的重要組成部分，其設(shè)計(jì)直接影響整體結(jié)構(gòu)的耐火性能。

1.高溫實(shí)驗(yàn)研究。在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中，對典型節(jié)點(diǎn)進(jìn)行高溫加載試驗(yàn)，模擬火災(zāi)條件下節(jié)點(diǎn)受熱情況。在試驗(yàn)過程中，采用高溫爐對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加熱，配合溫度傳感器、位移傳感器及應(yīng)力傳感器等儀器實(shí)時(shí)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)受力和變形情況。試驗(yàn)數(shù)據(jù)能反映節(jié)點(diǎn)在火災(zāi)中的承載能力衰減規(guī)律。利用有限元軟件建立節(jié)點(diǎn)數(shù)值模型，對火災(zāi)作用下節(jié)點(diǎn)進(jìn)行熱力耦合分析。通過對節(jié)點(diǎn)內(nèi)部溫度場、應(yīng)力場及損傷演化過程的仿真，揭示節(jié)點(diǎn)局部薄弱環(huán)節(jié)及溫度集中區(qū)域，為節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)優(yōu)化提供理論依據(jù)。

2.現(xiàn)場試驗(yàn)與檢測。針對實(shí)際工程中采用的節(jié)點(diǎn)形式，組織現(xiàn)場局部火災(zāi)試驗(yàn)，并借助紅外熱成像儀、數(shù)字視頻監(jiān)控等手段記錄節(jié)點(diǎn)在火災(zāi)初期至擴(kuò)散階段的溫度變化和結(jié)構(gòu)損傷情況，便于與實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)進(jìn)行對比驗(yàn)證[2]。

（三）材料燃燒性能測試

在裝配式建筑中，應(yīng)用的材料種類較多，如混凝土、鋼材、保溫板、涂料及復(fù)合材料等，其燃燒性能直接影響建筑整體防火能力。

1.氧指數(shù)測試。氧指數(shù)（LOI）是衡量材料燃燒傾向的重要參數(shù)。通過在一定氧濃度下測試材料燃燒情況，確定材料是否屬于易燃或不燃材料。一般來說，LOI值高于 21% 的材料被認(rèn)為具有較好的燃燒抑制性能。

2.錐形量熱儀試驗(yàn)。利用錐形量熱儀對材料燃燒過程中的放熱速率、總熱釋放量及燃燒殘余進(jìn)行測定，獲得材料在火災(zāi)中的熱釋放特性。該數(shù)據(jù)對于評估火災(zāi)蔓延速度及火災(zāi)規(guī)模具有重要意義。

3.煙密度測試?；馂?zāi)中產(chǎn)生的煙氣會(huì)對人員疏散和救援造成嚴(yán)重影響，通過測試材料燃燒時(shí)產(chǎn)生的煙密度、毒性物質(zhì)含量等指標(biāo)，可以判斷材料在火災(zāi)中的二次危害風(fēng)險(xiǎn)。

4.燃燒速度與燃盡率。通過燃燒臺(tái)測試儀器測定材料燃燒速度以及燃盡率，結(jié)合燃燒殘?jiān)治?，可以進(jìn)一步揭示材料燃燒過程中的分解機(jī)理和失效模式。

（四）煙氣蔓延與疏散分析

在火災(zāi)過程中，煙氣蔓延速度和毒性物質(zhì)的擴(kuò)散對人員疏散和救援產(chǎn)生直接影響。煙氣蔓延與人員疏散分析通常采用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）技術(shù)，通過建立建筑物內(nèi)外部通風(fēng)、煙氣擴(kuò)散及溫度場數(shù)值模型，對火災(zāi)初期及蔓延階段的煙氣分布進(jìn)行模擬預(yù)測。

1.CFD模擬。利用CFD軟件對裝配式建筑內(nèi)部的煙氣流動(dòng)、熱傳導(dǎo)及濃度分布進(jìn)行仿真計(jì)算，獲得不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)的煙氣蔓延情況。通過對煙氣溫度、流速及濃度的監(jiān)控，評估火災(zāi)對不同區(qū)域人員逃生通道的影響。

2.疏散模擬?；诮ㄖ矫鎴D和人員分布情況，采用疏散仿真軟件模擬人員在火災(zāi)中的逃生過程，分析疏散時(shí)間、疏散路徑及可能出現(xiàn)的擁堵現(xiàn)象。該方法可為優(yōu)化疏散通道設(shè)計(jì)及疏散指引提供數(shù)據(jù)支撐。

3.實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。在具備條件的情況下，通過煙霧試驗(yàn)和疏散演練，對數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證?，F(xiàn)場采集的煙氣溫度、流速及人員疏散數(shù)據(jù)有助于修正模型參數(shù)，確保評估結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性[3]。

三、裝配式建筑防火優(yōu)化策略

在全面評估裝配式建筑防火性能的基礎(chǔ)上，針對測試中暴露出的關(guān)鍵薄弱環(huán)節(jié)，本文提出如下優(yōu)化策略，以期在設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營各環(huán)節(jié)中實(shí)現(xiàn)全方位的防火保護(hù)。

（一）選用高性能防火材料

材料是建筑防火性能的重要基礎(chǔ)。應(yīng)從源頭上把控材料的防火性能。優(yōu)先采用A級不燃材料，如防火板、高性能混凝土、耐火磚等，確保主要承重構(gòu)件和圍護(hù)結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中不燃燒或燃燒極慢。針對一些難以更換的構(gòu)件表面，可涂覆防火涂層或采用防火密封劑進(jìn)行二次防護(hù)，有效延緩溫度上升。建立完善的材料防火性能檢測標(biāo)準(zhǔn)，確保所有預(yù)制構(gòu)件在出廠前經(jīng)過嚴(yán)格測試和認(rèn)證，杜絕低質(zhì)、低防火等級材料進(jìn)人建筑體系。

（二）增強(qiáng)結(jié)構(gòu)連接處的防火設(shè)計(jì)

裝配式建筑的連接節(jié)點(diǎn)往往是火災(zāi)時(shí)最容易失效的部位，因此應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)防火設(shè)計(jì)。優(yōu)化節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：在設(shè)計(jì)階段，應(yīng)充分考慮節(jié)點(diǎn)在高溫條件下的受力狀態(tài)，采用冗余設(shè)計(jì)和抗高溫變形措施，保證節(jié)點(diǎn)在火災(zāi)中的穩(wěn)定性。應(yīng)用防火密封材料：在節(jié)點(diǎn)拼接部位填充耐高溫密封材料，防止火焰和煙氣通過連接縫隙進(jìn)入構(gòu)件內(nèi)部，從而延緩火勢擴(kuò)散。設(shè)置防火墊層：在關(guān)鍵連接處預(yù)留防火墊層或防火隔離帶，借助高性能保溫材料隔斷高溫傳導(dǎo)，保護(hù)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)不被迅速破壞。數(shù)值仿真優(yōu)化：利用有限元和CFD等仿真技術(shù)，對不同節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行對比分析，找出在實(shí)際火災(zāi)情景下表現(xiàn)最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案，并在工程中推廣應(yīng)用。

（三）采用智能防火監(jiān)測系統(tǒng)

隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)及人工智能技術(shù)的發(fā)展，智能化防火監(jiān)測系統(tǒng)為火災(zāi)早期預(yù)警和應(yīng)急響應(yīng)提供了有力支持。火災(zāi)探測與報(bào)警：在各個(gè)關(guān)鍵部位安裝煙霧傳感器、溫度傳感器及火焰探測器，實(shí)時(shí)監(jiān)控火災(zāi)隱患。一旦檢測到異常溫度或煙氣濃度迅速觸發(fā)報(bào)警，并將信息傳輸至中央控制系統(tǒng)。自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)：結(jié)合智能監(jiān)測數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)火情分區(qū)自動(dòng)噴水、噴淋及局部滅火，降低火勢蔓延速度。數(shù)據(jù)集成與決策支持：將各傳感器數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸至云平臺(tái)，通過大數(shù)據(jù)分析和人工智能算法對火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評估，提供科學(xué)的應(yīng)急響應(yīng)建議。系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)：考慮到火災(zāi)情況下電力及通信中斷風(fēng)險(xiǎn)，系統(tǒng)應(yīng)配備獨(dú)立供電和備用通信線路，確保在極端條件下仍能正常運(yùn)行。

（四）優(yōu)化建筑防火分區(qū)設(shè)計(jì)

合理的防火分區(qū)設(shè)計(jì)可以有效阻斷火勢擴(kuò)散，保護(hù)建筑內(nèi)重要區(qū)域和人員疏散通道?？茖W(xué)劃分防火分區(qū)：根據(jù)建筑功能、使用性質(zhì)及人員密集度，劃分若干相互獨(dú)立的防火區(qū)，每個(gè)防火區(qū)內(nèi)部設(shè)置獨(dú)立的火災(zāi)報(bào)警和滅火系統(tǒng)，防止火災(zāi)跨區(qū)蔓延。設(shè)置防火墻與防火門：在各防火區(qū)之間增設(shè)高性能防火墻、防火門及防煙層，采用正壓送風(fēng)等系統(tǒng)降低火災(zāi)和煙氣蔓延的風(fēng)險(xiǎn)。加強(qiáng)疏散通道防護(hù)：重點(diǎn)對疏散樓梯、走廊及電梯井進(jìn)行防火加強(qiáng)措施，確保火災(zāi)發(fā)生時(shí)人員能迅速、安全撤離。針對高層建筑，可設(shè)計(jì)多條獨(dú)立疏散路線，分散疏散壓力。防火分區(qū)系統(tǒng)集成：結(jié)合智能監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)防火分區(qū)之間的信息聯(lián)動(dòng)，一旦某一區(qū)域出現(xiàn)火情，自動(dòng)觸發(fā)相鄰區(qū)域的安全保護(hù)措施。

（五）強(qiáng)化人員疏散通道設(shè)計(jì)

人員安全是防火設(shè)計(jì)的重中之重。強(qiáng)化人員疏散設(shè)計(jì)應(yīng)包括以下幾個(gè)方面。優(yōu)化疏散通道布局：在建筑規(guī)劃階段，充分考慮人員密度及可能的逃生瓶頸，設(shè)計(jì)足夠?qū)挸ā⑼〞城覙?biāo)識(shí)清晰的疏散通道。利用人群行為模擬軟件，對不同火災(zāi)情景下的疏散情況進(jìn)行預(yù)演與優(yōu)化。設(shè)置應(yīng)急照明與指示系統(tǒng)：在關(guān)鍵疏散節(jié)點(diǎn)安裝應(yīng)急照明及語音引導(dǎo)系統(tǒng)，確保在停電、濃煙情況下仍能為人員提供明確的逃生指引。定期疏散演練與安全培訓(xùn)：組織定期的火災(zāi)疏散演練，提高建筑使用者的自救互救能力，確保在實(shí)際火災(zāi)發(fā)生時(shí)能夠迅速響應(yīng)、正確逃生。多層次安全保障：對于大型裝配式建筑，可考慮在不同區(qū)域設(shè)立安全中轉(zhuǎn)站，配備專業(yè)救援人員和應(yīng)急物資，為受困人員提供臨時(shí)避難場所，爭取更多的逃生時(shí)間。

結(jié)語

本研究系統(tǒng)探討了裝配式建筑防火性能的評估方法，包括耐火極限測試、結(jié)構(gòu)連接處防火性能分析、材料燃燒性能測試以及煙氣蔓延與人員疏散分析。針對防火薄弱環(huán)節(jié)，提出了高性能防火材料選用、優(yōu)化節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)、智能防火監(jiān)測、合理防火分區(qū)及強(qiáng)化疏散通道等優(yōu)化策略。第一，完善評估體系。通過實(shí)驗(yàn)、仿真和現(xiàn)場試驗(yàn)構(gòu)建了系統(tǒng)性的防火性能評估方法，揭示了傳統(tǒng)防火標(biāo)準(zhǔn)在裝配式建筑中的局限性。第二，優(yōu)化策略。采用A級不燃材料、防火涂層、智能監(jiān)測與自動(dòng)滅火系統(tǒng)，優(yōu)化疏散設(shè)計(jì)，有效提升建筑火災(zāi)安全性，數(shù)值仿真和試驗(yàn)均驗(yàn)證了其效果。第三，智能化趨勢。物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)正推動(dòng)防火設(shè)計(jì)由“被動(dòng)防護(hù)”向“主動(dòng)預(yù)警\"轉(zhuǎn)變，提高火災(zāi)響應(yīng)效率。第四，升級標(biāo)準(zhǔn)與實(shí)踐。當(dāng)前防火標(biāo)準(zhǔn)尚未完全適應(yīng)裝配式建筑特點(diǎn)，建議結(jié)合數(shù)值模擬、現(xiàn)場試驗(yàn)與智能監(jiān)控，推動(dòng)防火技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)用。第五，未來研究方向。重點(diǎn)關(guān)注節(jié)點(diǎn)高溫受力機(jī)理、新型防火材料研發(fā)、智能監(jiān)測系統(tǒng)優(yōu)化以及VR/AR技術(shù)在人員疏散模擬中的應(yīng)用，進(jìn)一步提升裝配式建筑的防火安全性。

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