鋼結構建筑防火設計探究

索朗旺扎

【摘要】鋼結構系統具有綜合優勢，適合大量生產。與鋼筋混凝土結構相比，鋼結構具有“高、大、輕”的獨特優點，在全世界的工商業中被廣泛使用。為了滿足建筑規則的功能要求，必須在火災安全性方面做好工作，以便在規定的期間內確保建筑物的安全穩定性。本文討論了鋼結構建筑物的耐火設計和耐火對策的基本方法。

【關鍵詞】鋼結構;防火設計;防火保護;防火涂料

【中圖分類號】TU998.1

【文獻標識碼】B

【文章編號】1671-3362（2020）11-0076-02

從鋼結構建筑的歷史來看，在19世紀初建筑物的用途中獲得了非常好的成果。隨著結構力學理論和實驗相結合的靜力學系統的建立，鍛造鐵鋼的普及，鋼結構建筑也迎來了新的時代。1880年以后，軋鋼結構一直被用于建筑結構。這時，出現了許多車站、倉庫、展示場等鋼筋建筑物。這些建筑物到今天為止還保持著各自的功能并完全能夠使用，鋼結構在建筑工程中起著越來越重要的作用。特別是1985年，建成了中國第一座超高層建筑“深圳開發中心大樓”。本文主要介紹了鋼結構的特征和防火的重要性。鋼結構防火設計的關鍵在于正確確定火災危險度和耐火性等級，合理確定火災范圍。加強自動灑水系統和煙氣排放對策，充分考慮人們的避難問題，以此形成鋼結構物的正確防火對策。適當的防火方法和良好的施工材料質量，是鋼構造物防火保證最好的方法。利用合適的方法進行鋼結構建筑的防火已經是未來要研究的重要方向之一，而隨著鋼結構建筑的大量涌現，未來建筑防火問題也是每一個設計者應該著重考慮的事情。

1.鋼結構在火災時的破壞機理

火災產生的熱量通過放射線和對流傳遞到鋼結構部件上。即使成分不可燃，溫度上升也會引起膨脹及強度降低。在材料為剛性的鋼結構建筑結構中，由于梁的延伸而引起的約束力減小使柱遠離軸承位置，導致鋼結構損傷和崩潰。溫度的上升往往會大幅度降低鋼結構內部構件的元素強度。一旦鋼結構的構件條件達到屈曲強度臨界點，整個鋼結構就會發生變形的現象，用肉眼就可以非常容易地觀察到。

2.鋼結構的防火保護設計

鋼材是具有耐震性和抗彎曲性的一種不燃性建筑材料。在實際應用中，不僅增加了建筑物的負荷容量，還滿足了建筑設計中審美建模的必要性，能避免混凝土及其他建筑材料的缺陷。但是，作為建筑材料，鋼鐵也有一些不可規避的缺陷，像屈服點、拉伸強度、彈性模量等機械性質隨著溫度的升高而急劇下降。鋼會隨著溫度的增加而失去強度和剛性。在火災感知中，鋼材的設計負荷是環境溫度，而鋼材是特殊防火材料，鋼材的某些溫度不超過極限溫度[1]。

2.1防火保護方法設計

在鋼結構建筑中要考慮到整體結構防火的安全設計。在鋼結構建筑中設計防火的基本準則就要利用耐火性以及絕熱性和吸熱性，利用三種特性來進行火焰和熱量的阻止，減緩鋼結構的加熱速度，以此來有效延緩鋼表面臨界溫度的到來時間。主要的方式有密封式、屏蔽式、水冷式、噴霧式、涂飾式等，本文主要介紹屏蔽式和涂飾式。

（1）屏蔽式：屏蔽防火的原則是，用耐火材料從火源中隔離金屬構成要素，保護鋼的結構。盾牌是最經濟的防火方法之一[2]。也就是說，在由耐火構造物構成的墻壁和天花板上設置鋼構造物，在兩個墻壁的間隙中包裹部件，減少耐火物，達到防火目的。此外，鋼結構的阻燃涂層也用于保護組件。該工藝具有良好的耐火性和保溫性，不受鋼結構形狀的限制。一般來說，不需要追加輔助設備，重量輕，有特定的美觀裝飾效果，屬于現代先進的防火技術手段。

從建筑構造的角度看有以下幾種常見形式：

①特殊的防火墻是由一部分防火墻組成的。例如，鋼梁下面的耐火性平的屋頂的設置和鋼柱外側的特定寬度的耐火板可以保留鋼軌和鋼格子框架的耐火保護層。在室內防止火災的過程中，使用該方法，能夠從主要的結構要素中分離出火焰。另外，在許多現代金屬建筑中，也有結構暴露的現象。除了顯示結構和結構節點強度之美外，它也對火災的保護非常有益。金屬構成要素被放置在密封結構的周邊，保持一定的距離。一旦發生火災，金屬部件就會在火焰的作用中被解放出來，隔板可以起到絕熱的作用。另外，在發生火災的情況下，外部的空氣進不來保證了不能自然換氣，起到金屬部件的自然冷卻的作用，是偽裝的防火墻。

②鋼材結構整體被混凝土材料以及耐火磚所包裹。而混凝土材料以及耐火磚是非常有用并且天然的耐火物之一。有耐火性，耐火性因厚度而異。因此，也可以利用混凝土材料以及耐火磚來進行鋼結構的保護。混凝土或磚包裹鋼結構以后，能夠實現隔離并且加強鋼的耐火極限。此種辦法已經在上海浦東世界金融大樓的鋼鐵專欄上使用了。然而這種辦法最大的缺點就是耐火性隨著材料的厚度而呈現線性變化。因此，通常情況下這種方法下的材料的體積較大，占有更多的土地。同時，很難對一些部件形成保護特別是鋼梁和斜線片。同時，不能節約材料。這種保護方法在鋼結構建筑中是非常困難的，達不到透明而輕盈的效果。耐火的主要材料是柱狀石、陶瓷纖維、砂石、耐火和無毒材料。

（2）涂飾式：涂覆型防火的原理相對簡單，可以通過覆蓋耐火涂層來抵抗火災。一般來說，阻燃性涂料分為膨脹式和非膨脹型薄型、厚型兩種。

①薄型涂料（膨脹型涂料） ：涂敷膜厚度為1～2mm，常溫下穩定。用火力加熱的話，會發泡數十次膨脹，保護鋼材不受火災影響。由這種耐火材料構成的保護層非常薄，具有各種顏色和出色的裝飾性能。它有助于顯示金屬部件的強度美，因為它適合于金屬建筑的裸露結構[3]。

②厚型涂料（非膨脹型涂料） ：主要是無機絕熱材料，加熱后不膨脹。絕熱性好。涂敷膜厚度為7mm～50mm。相對應的耐火性界限在0.5～3h以上，柱狀礦物纖維為主要隔熱骨材，分為干濕兩種。現在也有混合的方式。非常適合室內的耐火涂料不能用于室外構造物等[4]，但本文不深入介紹。“9.11”事件發生后，專家一直對阻燃涂料的耐沖擊性表示擔憂，但對于這個領域的研究卻沒有太多人的參與，令人遺憾。另外，也有將水冷卻方式即鋼管填充在空心斷面的水中，與上部或高處的水槽連接形成密封式冷卻裝置的情況。加熱的時候，水為了冷卻在鋼的空間欄里循環。然而，這種方法需要特殊的結構設計，相對復雜，幾乎不使用。匹茲堡的美國鋼鐵公司大樓使用了這種方法的防火設計。

另外，將類似水冷卻法那樣的空心鋼管柱（或鋼梁）連接到管道網絡，填充含有不凍劑和防銹劑的水溶液，使水的溶液循環，由于火災時的溫差作用而導致熱量流失的方法很多。此外，在鋼材的上面設置了鐵板結構的自動水洗裝置放置在鋼材表面，在連續的水膜上自動噴涂水，起到了防火的作用，和屏蔽類型相似。

2.2防火需要兼顧的地方

為了室外的鋼結構，必須選擇適合室外使用的鋼結構阻燃性涂層。（1）在選擇鋼構造物的阻燃涂料時，不能使用技術性能不符合室外而使用符合室內要求的涂層。（2）為保護鋼構造物而選擇裝飾性防火涂料。（3）請勿使用有毒涂料。鋼結構建筑物的防火對策之一是外層。通過在鋼結構的表面上增加外層，可以作為現場或噴涂方式。為了限制收縮裂縫，確保殼的強度，鋼鐵網狀物或增強于固體混凝土的外層。

3.選用恰當的防火方法、材料

鋼結構的有效保護是將鋼結構的耐火極限增加到鋼結構承載值當中，防止火災發生時鋼材結構會出現變形、崩塌的現象。現在一般使用的是在鋼材表面設置保護材料層。可以有效提高鋼構造物的耐火性，確保鋼構造物的安全性。在使用阻燃涂料時，要注意防火涂層和下部防銹涂層的匹配，防止防銹涂層產生的化學反應，不影響防銹效果和防火效果。但是，為了追求經濟利益，有些建設單位會用阻燃涂層產品制作的粗糙的產品。有些項目是用阻燃涂料涂飾的，但不能起到防火的作用。因此，必須嚴格管理材料的質量，在施工工程中認真負責，加強監督，確保施工質量。為了加強職員的防火意識，還可以進行相關火災預防知識的教育和訓練，減少火災事故的發生，職員內部制定必要的火災預防緊急計劃。

4.結束語

現在，高層鋼結構建筑物數量增加，鋼結構使用更廣泛。一旦發生火災事故，不能在短時間內滅火。而且，為了強化建筑物的耐火物保護和強化耐火限度，減少犧牲者和資產損失，需要建筑師制定建筑物內部必要的緊急防火計劃。在目前的施工過程中，鋼鐵結構在發展建設產業中的應用已成為大勢所趨，有關鋼結構保護的研究正在進行中。在鋼結構應用過程中，為了確保良好的性能和更好的應用，需要對鋼結構進行合理的防火設計，同時為了保證鋼結構的更好利用，有必要采取有效的防火措施來預防火災。只有這樣才能夠實現鋼結構的防火設計。鋼結構發生火災以后會變形，變形就會導致整個結構坍塌，極其容易發生安全事故，而使用這些材料和方法也并不能完全杜絕火災的發生，杜絕火災發生更為重要的方法其實是預防，預防每一個安全細節，杜絕安全隱患。只有做好預防的檢查工作，才能夠有效避免事故的發生。

參考文獻

[1]GB50016-2006建筑設計防火規范[S].

[2]徐曉楠，周政懋.防火涂料[M].化學工業出版社，2008（9）.

[3]王華進，王賢明，趙銳.鋼結構防火涂料存在的問題及對策[J].中國涂料，2010（3）.

[4]倪建春，梁海.鋼結構防火涂料的應用與施工要點[J].涂料技術與文摘，2011（8）.

（作者單位：拉薩消防救援支隊墨竹工卡縣大隊）