建筑鋼結構防火與性能化的設計分析

王慶元

（安徽省機械工業設計院有限公司　安徽省　合肥市　230000）

建筑鋼結構防火與性能化的設計分析

王慶元

（安徽省機械工業設計院有限公司安徽省合肥市230000）

隨著城市化進程的加快和社會經濟的發展，建筑中的防火安全受到了廣泛的關注。同時以火災性能為基礎的“性能化”設計已經成為了設計的共識。如何提高建筑的防火安全能力成為了亟待解決的問題。本文主要通過對鋼結構建筑和其防火性能化設計的深入分析，來介紹建筑鋼結構防火與性能化的設計內容，提出了相應的設計方法來增強鋼結構建筑在防火時的整體性和穩定性。

建筑鋼結構；防火；性能化；設計分析

近年來，隨著我國城市化水平顯著提高，社會經濟的高速發展，我國的建筑業的發展也開始突飛猛進，躍居為國家的四大支柱行業。在現今的高層建筑中，尤其是在超高層的建筑建設中，鋼結構作為一種強度高、自重輕、整體剛性好、抗震性能強、工業化程度高、變形能力強、并可再次利用的一類建筑材料，在建筑建設中被使用的比例也在日趨上升。鋼結構使用在大跨度和超高、超重型的建筑物建設中時，有較高的優越性。但是鋼結構也有一個很大的缺點，耐火性能較差，因此在建筑鋼結構中防火和性能化設計變得尤為重要。本文主要通過對鋼結構建筑和其防火性能化設計的深入分析，來介紹建筑鋼結構防火與性能化的設計內容，提出了相應的設計方法來增強鋼結構建筑在防火時的整體性和穩定性。

1　建筑的火災特點

1.1火災途徑多、危害大

火災的蔓延途徑很多，疏散又比較的困難，所以極易造成重大傷亡事故的發生。因為建筑中消防設施的不完善，導致了火災發生后撲救會變得十分的困難。建筑中的功能比較的復雜，導致起火的因素很多，如果發生了火災，會因為建筑材料和構件被燃燒或破壞，導致整個建筑結構遭到不同程度的破壞，造成人員傷亡和財產損失。

1.2造成影響大

對鋼結構的影響：鋼的耐火性能是較差的，因此在出現火災時，鋼結構受熱后很快出現塑性變形，當火災發生了了15～20min左右，構件會出現嚴重變形的情況，并隨著鋼結構收到局部的破壞，會導致整體失去穩定或者破壞的情況，嚴重的還會出現倒塌的情況。

2　鋼結構防火與性能化的設計的必要性

鋼結構在建筑中最主要的缺陷就是抗火性能太差。鋼材的熱膨脹系數很高，在高溫下其結構容易發生屈曲，另外由于鋼材的導熱性能良好，更容易使整體結構遭到破壞。鋼結構在高溫時，其屈服強度、彈性模量會隨著溫度的升高而降低。在400℃的溫度下，其屈服強度為室溫下強度的一半；在600℃的溫度下，鋼材基本喪失全部的強度和剛度。

2.1鋼結構抗火災設計存在缺陷

在火災發生時，延緩建筑的倒塌或者破壞的時間，及時的疏散人群和滅火，是在設計建筑時要考慮的。目前在建筑鋼結構抗火設計規范所采用的方法是根據建筑物類別決定耐火等級的，然后根據耐火的等級來規定結構構件的耐火的極限。在進行結構設計的過程中，需要設計者根據結構的極限狀態，對火災結構的耐火時間進行計算，并根據結果看看是否符合規定的耐火極限要求。但是隨著城市化水平顯著提高，社會經濟的高速發展，建筑業發展的突飛猛進，現行的規范的不足逐漸顯露。傳統的結構抗火設計是屬于格式化的設計方式，規范對設計人員造成了一定的被動性。再設計時結構耐火極限要求主要考慮了發生火災的危險性、建筑的重要性和結構構件的必要性，但是沒有考慮到人員安全逃生及結構性能的要求。

2.2性能化規范的防火設計優勢

鋼結構防火和性能化設計提出的目標是“更好、更安全、更經濟”。要進行消防性能化設計的主建筑項目通常比較復雜、建造成本高，對設計方案來說，尤其在是否符合建筑規范方面有著十分嚴格的要求。但是隨著性能化設計方案的引進逐漸開始放寬了對設計方案的要求，這樣做降低了成本，增強建筑方案的自由度。以性能為基礎的設計方案能顯著地節約長短期成本。

3　提高建筑鋼結構耐火極限的措施

3.1應用防火涂料

在設計中對建筑鋼結構采用防火涂料，能夠利用防火涂料在火災高溫的作用下出現迅速膨脹發泡的情況，形成一個較為結實和緊密的海綿狀隔熱泡沫層或空心泡沫層，可以讓火焰和基材隔離開來，這就有效的阻止了火焰的進一步傳播和蔓延，也能有效阻止火災的擴大。防火涂料的種類是十分多的，從涂層的厚度來說，則可以分為薄涂型和厚涂型。薄涂型的厚度為2～7mm，主要用于鋼構件上，耐火的極限可以達到0.5～1.5h；而厚涂型厚度則在8～50mm，耐火極限可以達到0.5～3.0h。防火涂料分為遇到高溫后發生膨脹和不發生膨脹兩類。由于膨脹型防火涂料在高溫時膨脹，形成數十倍的泡沫碳質層，能有效隔離外部熱源對鋼結構的作用，其效果要優于非膨脹型涂料。

3.2增加構建截面尺寸

有效改善結構的細部構造，很好的提高耐火性能。一般來說構件的防護層有三類：耐火保護層、耐火吊頂和防火涂料。鋼結構的的耐火性能是很低的，如果不加其他保護措施，鋼結構的耐火極限僅為0.25h，這完全不能滿足防火設計要求的，所以鋼結構需要增加構建的截面尺寸。

4　建筑鋼結構防火及性能化設計

4.1設計的基本思想

在進行建筑鋼結構防火和性能化設計的時候，必須要針對火災特點，采用可靠的防火措施，做到技術先進、保障安全、方便使用、經濟合理。在高層建筑鋼結構防火設計的基本思想就是要使高層建筑的基本構件遇火時要有足夠的耐火極限，保證結構不破壞，不會因為失穩而出現倒塌的情況，在火災過后可以進行加固和維修。高層建筑鋼結構的防火設計的目的是在規定的時間內，使結構在火災作用下，達不到承載能力或變形的極限狀態，以保證結構完整，有利于消消防人員的及時趕到并能保證人們逃離現場。

4.2鋼結構的防火設計

鋼結構防火設計的主要方向是：讓鋼結構的實際耐火時間大于或等于允許的耐火極限，這樣就可以保證在出現火災情況的時候，鋼結構構件在火災中不會遭到破壞。目前來說，鋼結構防火設計主要是在高溫作用的情況，以構件的承載力極限狀態作為一個主要的標準，并對溫度應力的影響繼續進行考慮，就是說應用確定的防火措施，讓結構設置覆蓋一定的防火厚度，并計算構件在確定的防火措施和耐火極限條件下的內部溫度，應用確定高溫下的材料參數，來計算結構中的該構件在荷載和溫度作用下的內力，再進行荷載效應組合。

4.3鋼結構的性能化設計

結構防火是根據建筑和結構的火災防治要求，采用一定的方法、按照一定的步驟確定結構防火措施的行動。高層和超高層建筑的結構復雜，傳統的防火形式已經不適用。性能化防火的概念是從20世紀60年代開始在建筑領域廣泛傳播和應用的，主要的理念是建立結構模型，模擬整個火災過程，從中預測和判斷結構的安全性能。采用這種防火方法能使設計方案合理，達到有效的防火目的。性能化設計的理念也能讓防火安全、火災損失和預期目標更好結合。性能化結構抗火設計方法，可以有效防止整體結構坍塌和人員安全與火災經濟損失發生，將損失降到最低，是一種比較先進的抗火設計方法。

5　結束語

在實際的設計中，防火是設計的主體，防火的最終目標也是為了盡可能的保障人員的生命財產安全。減少建筑物在火災中的損壞，避免結構在火災中的局部或整體坍塌引起的滅火及人員疏散困難，減少人員的傷亡和火災后建筑物的修復成本等。

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TU391

A

1673-0038（2015）17-0038-02

2015-4-5

王慶元（1977-），男，安徽廬江人，助理工程師，大專，從事結構設計工作。