談建筑鋼結(jié)構(gòu)中的防火設(shè)計(jì)

郭 可

(太原市建筑設(shè)計(jì)研究院，山西太原 030002)

0 引言

眾所周知，建筑鋼結(jié)構(gòu)具有自重輕、強(qiáng)度高、韌性好、工期短、施工污染小等自身優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái)，隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，鋼材總產(chǎn)量大幅提高，建筑業(yè)對(duì)現(xiàn)代建筑提出了越來(lái)越廣、越來(lái)越高的設(shè)計(jì)要求，鋼結(jié)構(gòu)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

然而，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件耐火極限低，耐火性能差。與其具有的優(yōu)點(diǎn)相比，其缺點(diǎn)同樣明顯。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)工程師往往僅關(guān)注于鋼材的受力優(yōu)勢(shì)，而忽視了防火的相關(guān)設(shè)計(jì)，給建筑物在實(shí)際使用過(guò)程中帶來(lái)了安全隱患。近年來(lái)，美國(guó)“9·11”以及央視新址等火災(zāi)事件已經(jīng)給建筑鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)敲響了警鐘。

1 建筑鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì)的必要性

鋼材通常在450℃～650℃溫度中就會(huì)失去承載能力，發(fā)生很大的形變，導(dǎo)致鋼柱、鋼梁彎曲，結(jié)果不能繼續(xù)使用。一般不加保護(hù)的鋼構(gòu)件的耐火極限僅為15 min左右。采取有效的防火保護(hù)，可減輕火災(zāi)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的破壞，延遲鋼結(jié)構(gòu)達(dá)到臨界溫度的過(guò)程，為人員疏散和消防滅火爭(zhēng)取了寶貴時(shí)間，很大程度避免了人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。

建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)工程師常常忽視防火設(shè)計(jì)，隨意套用幾個(gè)設(shè)計(jì)說(shuō)明，不能做到下功夫去了解防護(hù)原理和措施，沒(méi)有認(rèn)識(shí)到鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì)的重要性，這樣做的結(jié)果將大大降低結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性和可靠性。GB 50017-2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范已明確對(duì)防護(hù)和隔熱提出了要求。結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)嚴(yán)格遵照規(guī)范的相關(guān)規(guī)定，做好建筑鋼結(jié)構(gòu)的防火設(shè)計(jì)。

2 建筑鋼結(jié)構(gòu)防火保護(hù)措施

要做好鋼結(jié)構(gòu)的防火設(shè)計(jì)，首先應(yīng)當(dāng)了解目前較為常用的鋼結(jié)構(gòu)防火方法，從而在設(shè)計(jì)中做到措施得當(dāng)，心中有數(shù)。鋼結(jié)構(gòu)的防火措施多種多樣，要根據(jù)防護(hù)部位、建筑要求、防護(hù)材料可靠性以及施工成本等因素采取不同方法，總體來(lái)說(shuō)可將防火方法歸為噴射防火涂料法、外包耐火保護(hù)層法、屏蔽法及水噴淋法等方式。

噴涂防火涂料施工簡(jiǎn)便，且不受幾何形狀及部位的限制，應(yīng)用最為廣泛。據(jù)統(tǒng)計(jì)，防火涂料在90%的鋼結(jié)構(gòu)工程中發(fā)揮著重要作用。外包耐火保護(hù)層法通常采用混凝土、防火板等材料作為耐火保護(hù)層，受到鋼材幾何形狀及部位等因素的影響，且占用了較多的建筑室內(nèi)空間，因此外包法應(yīng)用范圍受到很大限制。

屏蔽法通常用于鋼屋蓋的防火，通過(guò)屋蓋下的耐火吊頂來(lái)延緩下部火災(zāi)造成鋼屋蓋的升溫。水噴淋法是在結(jié)構(gòu)頂部設(shè)噴淋供水網(wǎng)，火災(zāi)中，自動(dòng)啟動(dòng)噴水至鋼構(gòu)件表面，阻隔火災(zāi)帶來(lái)的升溫，該法作為建筑防火的輔助措施由設(shè)備工程師確定，并與其他防火方法共同起到防火保護(hù)的作用。現(xiàn)將這些方法列表見(jiàn)表1，以供設(shè)計(jì)參考。

表1 各種防火措施的特點(diǎn)比較

這些方法形式雖然不同，但其工作原理一致，就是要截?cái)嗪妥铚馂?zāi)產(chǎn)生的熱流量向構(gòu)件的傳輸，使鋼構(gòu)件在規(guī)定時(shí)間內(nèi)升溫不超過(guò)臨界溫度，從而起到防護(hù)的作用。

3 建筑鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì)

針對(duì)目前建筑鋼結(jié)構(gòu)防火絕大多數(shù)以噴涂防火涂料為主，本文主要研究防火涂料的設(shè)計(jì)。

3．1 鋼構(gòu)件耐火極限的確定

建筑師應(yīng)根據(jù)建筑物功能、重要性、類(lèi)別、層數(shù)及建筑部位等因素確定建筑物的耐火等級(jí)。結(jié)構(gòu)工程師根據(jù)建筑物的耐火等級(jí)，依據(jù)《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》《高層民用建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》確定鋼構(gòu)件的耐火時(shí)限。建筑物耐火等級(jí)所要求的承重鋼構(gòu)件耐火時(shí)限見(jiàn)表2。

表2 鋼構(gòu)件的耐火時(shí)限 h

3．2 防火涂料的選擇

鋼結(jié)構(gòu)防火涂料根據(jù)涂層的厚度可分為超薄型、薄型和厚涂型三種，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師可會(huì)同建筑師根據(jù)耐火極限、適用部位以及裝飾要求等依照表3確定涂料的種類(lèi)。

表3 防火涂料的類(lèi)別

3．3 涂層厚度的選擇

防火涂料是依靠涂層的厚度來(lái)保證規(guī)定的耐火極限的。依據(jù)CECS 24∶90鋼結(jié)構(gòu)防火涂料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范，涂層的厚度可按以下方法確定:

1)直接選擇有代表性的型鋼作防火涂料耐火試驗(yàn)，根據(jù)實(shí)測(cè)的耐火極限確定待噴涂層的厚度。本法適用于所有類(lèi)型的防火涂料。2)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)件防火涂料耐火試驗(yàn)數(shù)據(jù)，倒算出不同規(guī)格鋼構(gòu)件的同種防火涂料涂層的厚度。本法適用于厚型防火涂料。倒算公式如下:

其中，T1為待噴防火涂層的厚度，mm;T2為標(biāo)準(zhǔn)件達(dá)到規(guī)定耐火極限時(shí)的耐火試驗(yàn)涂層厚度，mm;W1為待噴鋼材的質(zhì)量，kg/m;W2為耐火試驗(yàn)中標(biāo)準(zhǔn)件鋼材的質(zhì)量，kg/m;D1為待噴型鋼防火涂層接觸面周長(zhǎng)，mm;D2為標(biāo)準(zhǔn)件型鋼防火涂層接觸面周長(zhǎng)，mm;K 為系數(shù)，鋼梁取1，鋼柱取1．25。

其中 W1/D1≥22，T1≥9 mm，耐火極限不小于1 h。

舉例說(shuō)明:某鋼結(jié)構(gòu)建筑耐火等級(jí)一級(jí)，其中某根鋼梁斷面為H500×200×10×16，擬選用厚型防火涂料防火，現(xiàn)要求確定其涂層厚度(標(biāo)準(zhǔn)件斷面HM300×200，耐火極限達(dá)到2 h，耐火試驗(yàn)中選用的厚型防火涂料涂層厚度為10 mm)。

首先可以根據(jù)上述信息，依據(jù)表2，確定待噴鋼梁的耐火極限為2 h。W1=89．6 kg/m，D1=1 780 mm，W2=57．3 kg/m，D2=1 384 mm，代入公式得到T1=7．4 mm，所以待噴涂層厚度確定為9 mm。

3．4 防火設(shè)計(jì)中的注意事項(xiàng)

1)噴涂防火涂料之前，應(yīng)根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)的防腐蝕要求做好表面除銹工作，并噴涂底漆。底漆不應(yīng)與防火涂料產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)。如防火涂料同時(shí)具有防腐蝕功能并能達(dá)到相關(guān)規(guī)范要求，可除銹后直接噴涂。

2)設(shè)計(jì)說(shuō)明中應(yīng)注明“防火涂料必須有國(guó)家檢測(cè)機(jī)構(gòu)的耐火性能檢測(cè)報(bào)告和消防監(jiān)督機(jī)關(guān)頒發(fā)的生產(chǎn)許可證，方可選用。”

3)當(dāng)結(jié)構(gòu)可能受到熾熱融化金屬的侵害時(shí)，應(yīng)采用磚和耐熱材料做成的隔熱層加以保護(hù);當(dāng)結(jié)構(gòu)的表面長(zhǎng)期受輻射熱達(dá)到150℃以上或在短時(shí)間內(nèi)可能受到火焰作用時(shí)，應(yīng)采取有效的防火措施(如加隔熱層或水套等)。

4)重要的鋼柱應(yīng)采用厚涂型防火涂料，其節(jié)點(diǎn)部位宜加厚處理。當(dāng)防火涂料粘結(jié)強(qiáng)度不大于0．05 MPa時(shí)，涂層內(nèi)應(yīng)設(shè)置與鋼構(gòu)件相連的鋼絲網(wǎng)。

5)承重鋼梁構(gòu)件采用厚涂型防火涂料時(shí)，其重要節(jié)點(diǎn)部位宜加厚處理。當(dāng)防火涂料粘結(jié)強(qiáng)度不大于0．05 MPa時(shí)，涂層內(nèi)應(yīng)設(shè)置與鋼構(gòu)件相連的鋼絲網(wǎng);受振動(dòng)作用的梁，涂層內(nèi)應(yīng)設(shè)置與鋼構(gòu)件相連的鋼絲網(wǎng);涂層厚度不小于40 mm的梁，涂層內(nèi)應(yīng)設(shè)置與鋼構(gòu)件相連的鋼絲網(wǎng);梁腹板高度超過(guò)1．5 m時(shí)，涂層內(nèi)應(yīng)設(shè)置與鋼構(gòu)件相連的鋼絲網(wǎng)。

6)屋蓋鋼結(jié)構(gòu)，為方便噴涂防火涂料，宜采用實(shí)腹式截面，不宜采用雙角鋼或雙槽鋼組合帶節(jié)點(diǎn)板的斷面。

7)室內(nèi)隱蔽鋼結(jié)構(gòu)，高層全鋼結(jié)構(gòu)及多層廠房鋼結(jié)構(gòu)，當(dāng)規(guī)定其耐火極限在2 h及以上時(shí)，應(yīng)選用厚涂型防火涂料。

4 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，頻繁的火災(zāi)事故一次次地警示著廣大建筑從業(yè)人員:“堅(jiān)韌”的鋼結(jié)構(gòu)也有“脆弱”的一面。通過(guò)總結(jié)經(jīng)驗(yàn)和吸取教訓(xùn)，我們?cè)絹?lái)越直觀、越來(lái)越清晰的認(rèn)識(shí)到建筑鋼結(jié)構(gòu)防火保護(hù)的必要性和重要性。因此，鋼結(jié)構(gòu)項(xiàng)目承建各方應(yīng)加強(qiáng)溝通并達(dá)成共識(shí)，將防火保護(hù)作為一項(xiàng)重要工作來(lái)抓，并做到相互監(jiān)督、相互提醒。

鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì)作為項(xiàng)目中先行和關(guān)鍵環(huán)節(jié)，直接關(guān)系到建筑物在后期使用中的安全性和可靠性。這就要求廣大設(shè)計(jì)人員充分了解建筑物的特點(diǎn)，熟知防火保護(hù)措施和設(shè)計(jì)原理。在此基礎(chǔ)上遵照相關(guān)規(guī)范的具體要求，將最為合理且高效的防火設(shè)計(jì)呈現(xiàn)于“藍(lán)圖”。

［1］GB 50017-2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．

［2］GB 50016-2006，建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范［S］．

［3］GB 50045-95，高層民用建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范［S］．

［4］CECS 24∶90，鋼結(jié)構(gòu)防火涂料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范［S］．

［5］王松巖，焦 紅．鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與應(yīng)用實(shí)例［M］．北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2007．