木結構防火設計方法簡介＊

劉 靜,張盛東

(同濟大學建筑工程系,上海 200092)

0 引言

木材是唯一可再生的主要工業材料;樹木在生長過程中會吸收大量CO2,并釋放出O2;與其它材料相比,木材從開采、加工、運輸一直到施工、使用,耗能低、排廢少,且易回收、易處理;因此是對環境最友好的材料。并且因為木材強度質量比高,易加工,所以在人類歷史中一直是主要的建筑材料。與鋼結構、鋼筋混凝土結構相比,木結構所用木材原料不僅在生長過程中能改善自然環境,而且加工過程能耗低,廢棄后可自然降解,堪稱綠色結構。

但是木材作為有機生物材料,也存在一些缺點,比如木材是易燃材料,木結構的防火是確保木結構安全的重要方面。隨著建筑的迅速發展和功能日趨復雜,起火因素不斷增加,從而導致火災時有發生并造成重大損害。因而,許多國家把建筑防火列為消防工作及城市建設的重要內容之一,并頒布一系列法規,對建筑設計進行約束和監督。

起火必須具備三個條件:可燃物、引燃的火源及助燃的物質氧、氯、溴等,此即燃燒三要素。在進行防火設計時,主要是控制該三要素,其中控制可燃物至關重要。因為在現代建筑物內存在著各種各樣的可燃物質,一旦與火源接觸,就可能造成火災并帶來巨大損失。

現代防火設計一般根據結構要求和建筑內使用者的數量來選擇合適的建筑材料和適當的防火方法?，F代建筑規范根據結構類型、建筑使用目的和使用者的數量規定了防火要求。很顯然,最優先的防火要求是提供足夠的時間和逃生設施使人們能逃離火災;其次,結構應該維持足夠的時間以便滅火隊員能夠滅火;最后才是保護建筑本身和鄰近的建筑[1]。

木結構建筑有3種方法來滿足這些要求。①木構件可以被封閉在一個防火層中,防止它們暴露在火焰之中,輕型木結構常采用這種方法;②重型木結構建筑采用重型木材建造,有足夠的火災抵抗能力,不需要額外的防火措施;③新方法是1 h火災防護設計方法,1 h火災防護方法是基于對木構件耐火能力的計算。

1 傳統防火設計

我國古代形成了以木結構為主的建筑結構體系,因此人們很早就開始關注木結構建筑的防火并且采取了一些相應的措施,使得大量古建筑能夠完好地保存至今。古代建筑的許多細微方面都滲透了古人深刻的防火意識和防火技術的內涵,值得我們去探討研究。

(1)尋找替代木材的不燃燒建筑材料,夯土筑墻、磚墻、瓦屋頂是較早采用的方式。由于磚、石使用有一定局限性,因此在建筑防火技術中巧妙地采用“復合材料”,如磚木混合柱和涂泥抹灰?！蹲髠鳌废骞拍?公元前564年),記載春秋時宋國預防和撲救火災的一整套辦法,其中最基本的一項措施是:“火所未至,撤小屋,涂大屋”?，F存許多宮殿、寺廟的立柱常采用外表面包護油灰的木柱,一般包護層2～3 cm,既防腐又防火。在秦安大地灣古建筑遺址里發現的木結構外表上,有一層“膠封材料”,類似于現今的硅酸鹽水泥,是迄今為止我們所知道的世界上最早采用的防火涂料[2]。

(2)設置防火分隔,例如室內隔墻,即室內用非燃燒體的實體隔墻,能阻止火勢在建筑物內部肆意蔓延。明代室內防火隔墻做法:每隔7間房屋空出1間,將其四壁砌成無門無窗的磚墻;然后,在房間內充填三合土直到頂部壓實;最后,封磚蓋瓦。外部看來是一間無門無窗的房屋,而內部看來卻是一堵5 m厚的防火墻[2]。這是中國古人的一大創造,在世界上也是獨一無二的。古建筑中常見的防火墻,還有硬山墻、封火墻、石制隔火門等?；张山ㄖ械姆饣饓?又名風火墻或者馬頭墻,在木結構房屋框架四周砌成高出屋面的實體磚墻,墻端砌成“斗式”或“雀尾式”,形似馬頭。該墻厚度約20～30 cm,耐火時間達6 h以上,具有較高的耐火極限。封火墻與房屋框架相互獨立,一方面可以使房屋的木結構不外露,另一方面嚴格劃分了防火分區,使火災不會大面積蔓延。

(3)設置消防通道不僅可以幫助建筑內部人員逃生、還為撲救火災提供方便條件。江南古建筑中的備弄是早期消防通道的代表之一,其設計是在位于建筑群最右邊或最左邊軸線上設置的一條長長的弄堂。平時一般供下人進出,在發生火災時,則充當人們從被大火圍困的內宅、里院應急疏散出來的一條緊急通道,其功能類似于現代建筑中的消防通道[3]。

(4)古代沒有水泵加壓設備和消防栓,滅火主要靠開鑿河渠,打井修池和廣備水缸(太平缸)。韓非子說:“失火而取水于海,海水多,火必不滅矣。遠水不救近火也?！惫沤ㄖ嘟杼烊凰磥肀Ｕ蠝缁鹩盟?現存古建筑附近多有河、溪、湖等水源。江南民間建筑中還常有大大小小水池的花園。這些水池平時可以養魚種荷,發生火災時便成了滅火取水的絕好水源。在明清故宮中還打了80余口水井,供生活所需的同時兼做備用的“消火栓”。

古建筑的防火設計對當今建筑防火設計中防火分隔、消防規劃布局、消防道路、水源布局等方面的理論研究和實際應用都具有重要的借鑒意義。

2 1 h防火設計方法

針對現代防火設計,我們有必要引入幾個簡單的防火概念,并介紹一種新的防火思路。

我國建筑材料燃燒性能分級是按照國家標準《建筑材料燃燒性能分級方法》(GB8624-97)執行的,將建筑材料按燃燒性能可劃分為:A不燃燒性;B1難燃燒性;B2可燃燒性;B3易燃燒性建筑材料。我國耐火極限的判定條件:①失去完整性,或完整性被破壞。②失去絕熱性或隔火作用。③失去承載能力或抗變形能力。影響耐火極限的因素主要有:材料的燃燒性能,構件的截面尺寸和保護層的厚度。

在我國,現行的《建筑設計防火規范》GB50016

-2006規定,建筑物的耐火等級取決于組成該建筑物的建筑構件的燃燒性能和耐火極限,并將其劃分為一、二、三、四等級。一級最高,耐火能力最強;四級最低,耐火能力最差。木結構建筑的耐火等級介于三級和四級之間,設計時,應該參照《建筑設計防火規范》GB50016-2006。

然而在加拿大規范中,構件的耐火極限決定了結構的耐火等級。加拿大歷史上許多次大火災的經驗證明,火災造成人員傷亡與結構材料的燃燒性能沒有直接關系。不管建筑構件以何種材料構成,只要通過實驗的有關標準均視為達到規定的耐火等級,即只強調建筑構件的耐火極限而不考慮該建筑材料屬于可燃材料還是非燃材料。建筑構件的耐火極限實驗,按AST ME119的有關規定,在規定的時間內判斷建筑構件達到耐火極限的標準為:①背火面無熱氣或火焰穿透;②承重構件在設計荷載下保證強度和抗變形能力;③試件背火面的平均溫度不超過139℃;④試件背火面任意點的溫度不超過181℃;⑤無消防水流穿過[7]。

國外在設計實踐中引入了建筑構件1 h防火極限的概念,在1 h防火建筑中,建筑的每一構件都必須符合AST ME-119火災試驗的要求。在這類試驗中,構件將被加熱到1 600°F(872℃),以測得其溫度-時間曲線。在整個60 min的測試期內構件必須能夠承載其設計荷載,即每一構件都必須能夠在火災中承受其荷載至少達1 h,如果能滿足要求那么就是合格的1 h構件。此外,構件之間的所有連接都必須具備相同的能力。1 h防火辦法的有效性已被木構件測試和AST ME-199火災測試所證實[4]。

李(T.T.Lee)基于暴露在火焰中的木材的防火要求發展了一個公式來計算木構件允許的安全支撐荷載的時間。2001美國木材理事會(AWC)發展了一種修訂后的方法來設計防火木構件,使用和李相同的假設,按照構件減小的尺寸和平均極限強度,設計者可以計算構件允許的能力。這一方法也能設計1 h防火的木構露臺,并且也能用來檢查防火超過1 h的構件,已經被美國最新的建筑規范所接納[5]。

3 輕型和重型木結構防火

木結構主要分為兩大類:輕型木結構與重型木結構(有不同定義,一般梁、柱等主要結構構件最小名義尺寸150 mm,木樓板最小名義尺寸50 mm)。前者常見于住宅,而后者常見于公共建筑。兩種結構的防火思路不同,防火設計也就相應地分為輕型和重型木結構防火。

3.1 輕型木結構防火

輕型木結構建筑,絕大部分為居住建筑,在我國規范中,是指“由木構架墻、木樓蓋和木屋蓋系統構成的結構體系,適用于三層及三層以下的民用建筑”。在北美,輕型木結構是由均勻密布的(一般構件中心間距小于600 mm)、構件斷面較小的規格材連接組成結構主體構架的一種結構形式,可建至四層或六層。

其防火思路是利用木材與不燃性成分的聯合應用,降低可燃性成分的比例,隔斷從火源傳來的熱及外界傳來的氧氣,采用材料表面覆一層難燃層這一物理方法來達到防火的目的。

主要的防火手段是對建筑構件材料進行包覆防火處理,即外包防火石膏板[1],用以阻斷及防止火焰直接燃燒木構件,以滿足建筑構件的耐火極限要求。為了達到不同的耐火極限要求,我們可以采用不同厚度的防火石膏板。另外,還可以對木材進行難燃或不燃處理;或直接阻斷火焰與木構件接觸,通常做法是在木龍骨之間添加保溫隔熱材料,再在其外面覆蓋石膏板。至于選擇什么樣的保溫隔熱材料或者石膏板,應該由建筑構件所要達到的耐火極限決定。

在建造輕型木結構建筑時,一般還會在木構架的所有密封空間使用木制阻塞物進行阻火,可防止火勢在墻體、地板和屋頂空隙內的蔓延?；鸷蜔熿F可以穿過常見于輕型框架建筑中的隱蔽孔洞和管道設施,所以應設置實心擋火塊封鎖這些孔隙,以阻止火焰在其中穿行[1]。

國外許多研究者對輕型木結構的耐火性能進行了非常深入的研究[4],如Lennon等[6]用足尺輕型木結構火燒實驗表明了輕型木框架房屋良好的隔火性能。

在我國,輕型木結構建筑的防火設計,應遵照《建筑設計防火規范》GB50016和《木結構設計規范》GB50005-2003中相關章節的規定執行。

3.2 重型木結構防火

重型木結構,是采用堅固耐用的大截面原木,或者工程木材(膠合木,PSL、LVL等),形成由梁、柱,桁架,拱或其它大跨結構組成的結構體系,結構構件是建筑物內部主要承重構件,大多暴露在外。

膠合木結構[7],重型木結構中的一種典型代表,突破了自然木材對截面尺寸的局限性,具有非凡的耐火能力,絕緣性和尺寸穩定性等。利用膠合木,可以制作成大跨度的直線或拱形構件,滿足了大空間大跨度的設計要求。

未經強化防火處理的金屬構件遇高溫時容易降低強度,會使建筑物突然坍塌。與金屬構件相比,大截面木構件在遇火時,木材表面點燃并迅速燃燒,燃燒的木材形成炭化層,能阻斷內部木材受高溫侵襲,將初始燃燒速率降至一穩定值,使得強度保持時間相對較長。表面形成的炭化層起到了很好的隔熱作用,保護了構件內部受到火的進一步作用。

火災時,溫度可達到700℃～900℃。當溫度升至230℃時,鋼材的強度急劇下降,在750℃時其強度降為原先的10%。而通常,只有在溫度達到250℃時木材才會燃燒,一旦著火,在火勢兇猛的情況下木材通常以0.6～0.7 mm/min的速度碳化。碳化層自然將木材與外界隔離并提高木材可承受的溫度。實驗表明,在一場持續30 min的大火中,膠合木的每個暴露的表面只有19 mm因碳化而損失,余下絕大部分原始截面則完整無損。經計算可以得出構件在火災后一般能保持原構件設計強度的85%～90%。所以從另一個角度來看,木構件在火災時比鋼構件更安全[7]。

重型木結構依靠木材在燃燒時表面產生碳化層來延阻木材燃燒的速度,利用炭化層來減緩火焰進一步向構件內部燃燒?；馃蠼购诘耐鈱釉诨馂倪^程中扮演了“絕緣”的角色,降低了內部材質燒焦的幾率。其防火設計主要是通過規定結構構件的最小尺寸,如果殘余橫截面很小時,炭化速率將加快,因此截面越大的木構件,其防火性能通常越好[5]。

重型木結構建筑中,所有構件外露,利用木構件本身的耐火性達到規定的耐火極限,所有連接包括金屬套件和木材連接件,均要滿足規范要求。

4 木材的化學阻燃處理

有許多木結構的構件尺寸要求達不到重型木結構的要求,但建筑上要求其外露;歷史保護建筑中的許多木結構構件;或者重型木構件有需要時,均需要對木材表面進行阻燃處理。

理想的木材阻燃劑應該具有如下特點:①阻燃效力高,既能阻止有焰燃燒,又能抑制陰燃;②阻燃劑本身無毒,不污染環境;③阻燃性能持久,在使用過程中不發生熱、光分解;④吸濕性低,木材的尺寸穩定性好;⑤物理力學性能和工藝性能基本不受影響;⑥防腐、防蟲;⑦木材的視覺、觸覺和調節等環境學特性基本不受影響;⑧成本低廉,來源豐富,易于使用。

有許多阻燃劑可用來減少木材的可燃性,這種化學處理的主要目的是為了減少火焰覆蓋木材表面的速度,高壓浸漬比表面涂刷有效得多[1,8]。用于木材的阻燃物質多是P、B、N、鹵素等的無機物與有機物,它們有極為優良的阻燃和耐火性能[9-10]。

美國Hickson公司開發的多功能的Dricon,是比較好的木材防護劑,防火、防腐、防蟲性能都通過國際相關權威機構的檢測[9,11]。東北林業大學的李堅、王清文等在木材阻燃方面做了深入的研究,設計合成了具有多種效能的磷氮硼復合木材阻燃劑FRW[12]。

木材的阻燃處理方法多種多樣,其中多數方法由移植或改良木材防腐處理方法而來,包括浸注法、噴涂法、貼面法、熱壓法、復合法、輻射法、超聲波法、高能噴射法等[13]。

5 小結

歷史上許多次大火災的經驗證明,火災造成人員傷亡與結構材料的燃燒性能沒有直接關系。借鑒加拿大的消防設計理念,只強調建筑構件的耐火極限,不考慮其燃燒性能,可以使得木結構得到廣泛的應用。

本文主要介紹了3種木結構防護方法,1 h防火建筑則使用觀察到的木材在火焰中的炭化率來計算構件的尺寸,輕型木結構外包難燃層進行物理防火,重型木結構通過限定構件的最小尺寸來保證防火能力,有較長的成功歷史。

對于外露木結構,有些構件尺寸要求達不到重型木結構的要求,或者重型木構件有需要時,則需要對木材表面進行化學阻燃處理。

目前大力提倡的建筑防火性能化設計方法是建立在消防安全工程學基礎上的一種新的建筑防火設計方法:首先應進行火災假想,根據建筑物的使用功能確定火災的種類及特性。其次建立火場的數學模型,在計算機上輸入相應的現場參數,模擬火災時火焰傳播速度、方向、溫度、高溫煙氣等因素隨時間函數的發展而變化的情況;根據模擬的火場情況,確定建筑各部位建筑構件的耐火極限、疏散通道的疏散距離、防火分區的劃分、需要設置的自動報警及自動滅火設施、防排煙設施等。最后將設計結果進行評估,既科學又實際。

木材是歷史最悠久的建筑材料,對木結構的防護也是歷史悠久的學科,但現在仍存在許多問題需要研究,隨著科學技術的發展,出現了新的木基材料與新的結構,如在歐洲和北美市場非常受消費者青睞的膠合木構件。近年來人工速生林資源發展很快,采伐量很大,使得膠合木結構在我國市場極具發展潛力。目前國外對于膠合木構件的耐火性能研究較多,但是對于膠合木建筑的連接金屬件的耐火性能和防火設計的研究較少。同時木質復合結構材料的耐火性能和防火設計也是我們研究的一個重要方向。

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