淺談高層建筑鋼結構性能化防火設計方法

中圖分類號：TU201

文獻標識碼：A 文章編號：1008-925X(2011)07-0063-01

摘要：文章主要探討了性能化設計思想在高層建筑鋼結構防火設計中的應用，包括性能化防火設計的原理、特點及具體的方法要點。

關鍵詞：高層建筑 鋼結構 性能化防火設計

1 高層建筑鋼結構構件性能化防火設計的原理

性能化設計方法是一種新的建筑防火設計方法，它主要是根據建筑物的結構、用途和內部可燃物等情況，結合消防安全工程學的原理與方法，對建筑的火災危險性進行預測和評估，以便得出安全、經濟、合理的防火保護方案。性能化設計結合消防安全工程和火災科學來建立設計指標，對防火設計方案進行評估，利用火災風險評估去建立體目標和功能目標所需的參數。

《高層民用建筑設計防火規范》規定屋頂鋼結構應設置自動噴水滅火系統保護，或噴涂防火涂料、采取外包不燃燒材料等措施，使其達到規定的耐火極限的要求。以上措施主要是為降低火災時鋼材的溫度，確保鋼構件的強度，使其具有一定的抗變形能力和承載能力。

若高層建筑內有火災發生，在未對鋼結構采取防火保護時，在最大火災載荷的情況下，鋼構件的最高溫度低于所設定的臨界溫度，結構安全，滿足規范所要求的安全水平，則可不對鋼結構構件采取額外的防火保護，但若鋼結構構件的升溫大于臨界溫度，則應采用必要的滅火措施控制火災的規模，或對地面可燃物的數量和種類進行限制。這就體現了性能化防火設計的思想。

具體可按照《高層民用建筑設計防火規范》及規定的構件耐火極限來確定鋼結構防火保護時間。但由于部分高層鋼結構建筑已超出現有規范所規定的范圍，若仍按現行規范用防火涂料保護，則會因過于保守而浪費，所以如何對鋼結構進行有效保護，同時考慮到經濟性和安全性，是我們需要考慮的一個問題。

要進行消防性能化設計的高層建筑項目大多具有建造成本高、設計和施工較為復雜等特點，所以對設計方案的要求比較嚴格，尤其在是否符合建筑規范方面。但在設計方案中引進性能化設計思想之后，便增強建筑方案的自由度，能夠精簡安全系統設計，降低了相關的成本。

2 高層建筑鋼結構構件性能化防火設計的特點

對于一些建筑功能多、空間大、防火分區難滿足要求的高層建筑，對其鋼結構構件進行性能化防火設計，相比于常規防火設計方法，有以下幾個方面的特點。

2.1 根據建筑物的各種不同空間條件、功能和其他方面的要求，結合防火目標，自由地選擇各種防火措施并將它們有機地結合起來，形成高層建筑的總體防火設計方案。

2.2 過對建筑物的火災危險性和危害性進行分析和評估，有利于得到經濟合理的防火設計方案，切實保障建筑的防火安全。

2.3 在保證建筑物需要滿足的防火安全水平的基礎上，更加經濟合理地配置各個防火子系統。

2.4 充分考慮各防火子系統在整個設計方案中的作用，并對其相互作用進行綜合的分析，避免了將各個子系統單純地疊加。

在高層建筑中鋼結構越來越多地被采用，在防火設計方面，性能化設計方法因其科學性、安全性和經濟性而越來越被認同。下面簡要結合實例來介紹高層建筑鋼結構性能化防火的方法。

3 高層建筑鋼結構構件性能化防火設計方法及實例

3.1 火災下鋼結構的溫度分析。

通常在火災高溫情況下，鋼結構內部溫度隨之升高，鋼結構的強度和剛度都會大幅下降，其承載能力也將下降，降到不足以承受其上的荷載作用時，便會發生破壞，可見，鋼材雖為非燃燒材料，卻不耐火。

根據BS5950《英國鋼結構規范》第一部分進行設計的鋼結構若未作防火保護，由于其自身只有15分鐘左右的耐火極限，強度和剛度在環境溫度為200℃以下時變化較小，但當溫度超過300℃時，其強度開始顯著降低，達到500℃時，強度降低了約50%-60%，其彈性模量、抗壓強度、屈服點和承載能力等力學特性都有所降低，以至于低于建筑結構的承載許用應力。通常普通鋼材在350℃時便會明顯地出現承載力下降的趨勢，故選擇200℃作為臨界安全溫度指標是較為安全的。

3.2 高層建筑鋼結構構件的性能化防火保護思想實例。

某高層建筑的中部為一大型中庭，它直接連通上部的各層，庭上部為鋼結構坡形采光屋頂，中庭各層周邊為5m寬的回廊，屋頂的最高處和最低處分別距離地面為50m和40m。

3.2.1 最不利火災場景的選擇。高層建筑鋼結構性能化設計的思想是：針對建筑物的具體情況和相關統計資料，對發生火災時的火災規模、火災性質、最危險的位置、消防設施的狀態等進行分析和評估，再參考不同可燃物的熱釋放速率，最不利火災場景便可確定。

該建筑中庭內的主要火源為底層大廳的各商鋪的衣物，以及各層回廊上垃圾桶著火。再分析該建筑的結構圖，在各種回廊火災情況中，頂層回廊垃圾桶的著火點離鋼結構屋頂距離最小，該處發生火災會直接對鋼結構造成威脅，所以根據美國全國設計指南NFPA92B提供的資料，選擇該處的火災釋放速率為1.25MW。

3.2.2 鋼結構構件溫度分析。先計算選擇的最不利火災場景下產生的煙羽流抵達鋼結構構件處的溫度，再判斷其是否高于臨界溫度，以分析火災對鋼結構的影響。根據公式可計算出煙羽流的平均溫度為58℃，中心溫度為87℃，均低于200℃。

3.3 根據構件溫升結果采取最佳防火措施。

前面實例中的高層建筑鋼結構屋頂，對于選擇的最不利火災場景，根據計算結果可知，距離鋼結構較近的頂層火災煙羽流的中心溫度為87℃，比鋼材的臨界溫度200℃小得多，故此鋼結構屋頂不作額外防火保護措施也是安全的。

由例子分析可見，在最危險火災場景下，鋼結構構件的溫升未達到火災臨界溫度，其整體性能在無防火保護的情況下可滿足結構要求，則可對該鋼結構構件不采取額外的防火措施；但如果計算結果超出鋼材的臨界溫度，則應根據性能化保護思想，采取經濟、合理、有效的保護措施，對鋼結構進行防火保護。

在高層建筑防火領域，鋼結構防火是一個重要課題。尤其是當前高層建筑技術不斷發展，若仍采用統一的防火要求和傳統的防火保護措施，必將大幅增加相關的費用，但如果采用性能化的分析方法，對高層建筑的鋼結構防火問題作出具體的分析，提出安全且經濟的鋼結構防火保護方案。

參考文獻

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