高層建筑鋼結構性能化防火設計方法與運用

陽向杰

高層建筑鋼結構在建筑設計中起到重要的作用，當前我國經濟不斷發展，城市化水平持續提升，在高層建筑以及超高層建筑中，鋼結構起到重要的作用，占據的比例也比較多。由于鋼結構的強度高，整體剛性好，因此利用幾率高。在本次研究中對高層建筑鋼結構的防火設計現狀為基礎，結合實際情況，對具體的優化設計方式分析。

在城市化發展的背景下，建筑行業成為我國重要的支柱產業，當前高層建筑，尤其是超高層建筑中，鋼結構的比例逐漸增多。由于鋼材料的強度高，自重輕，抗震性突出，工業利用程度高。但是鋼結構在實際應用中也存在很多的問題，耐火性差，因此在高層建筑鋼結構設計中注意的是做好耐火性分析工作。

一、高層建筑鋼結構性能分析

1.基于試驗的構件防火設計

此類設計形式主要是針對建筑鋼結構的梁和柱等結構，在防火設計的過程中，要重點分析構件在不同荷載和標準下的耐火效果。結合GB 50016 －2006《建筑設計防火規范》的要求可知，對鋼梁和鋼柱結構的防火設計的時候，明確具體的規范。在試驗中，防火構件的設計很重要，要明確防火設計的效果，提升防火質量，實現優化設計后可從根本上提升建筑的安全質量。

2.基于計算的構件防火設計

在構件防火設計階段，通過經典分析方式和有限元分析的方式，實現防火的建模處理。在整個階段，計算出構件防火的具體要求，將任意荷載形式和端部的約束狀態可以作為設計的基礎，在現有基礎上實現優化設計。依據DG/TJ08-008 － 2000《鋼結構防火技術規程》的防范要求，在內部設計中流程復雜，涉及到的隱患也很多，針對不同的建筑鋼結構進行承載力分析，明確最大承載力，在這個范圍內進行設計，合理地選擇防火設施，完成基礎防火內容設置，進而降低隱患。

3.基于火災隨機性的結構防火設計

結合概率和鋼結構的變化等可知，在后續設計中實現防火設計的優化設計。例如，在火災的隨機控制階段，設計人員需要對結構防火的影響因素以及出現的防火意外情況等評估，了解火災因素和氣溫的變化，出現火災的時候需要及時處理。火災出現隨機性大，必須把握住其中的安全隱患，在初期的鋼結構設計就要預防這一點，實現合理防火預設。

二、高層建筑鋼結構防火設計的現狀

近些年來我國的鋼結構設計取得了突出的作用，在整個設計階段要注意的是實現整體管控，在實際操作中，防火設計依然存在很多問題，詳細如下：

1.疏散寬度設計不合理

高層建筑結構本身比較特殊，在鋼結構設計的過程中，存在很多的問題，可能會導致火災災害上升的情況。設計人員在展廳設計的時候，要優化現有結構，在展廳的樓梯間設計的時候，疏散通道，提升疏散出口的質量。等到樓梯間設置之后，進行安全檢查，如果存在不符合安全設計要求的現象，需要在現有基礎上優化設計，避免出現設計誤差。

2.主體建筑高度設計不符合要求

在當前的主體建筑大樓設計階段，設計人員需要提前測量中庭高度，依據現有的防火規范要求實施。此外對防火機械和設施的進行管控，參照國外先進的工程經驗，采取現金的防火設施和操作方式，建立完善的操作章程，明確具體的設計要求，并且將其落實。

3.建筑結構主體效益差

主體防火設計一直是重點和關鍵，但是在設計中也稱為設計難點所在，要求相關人員嚴格按照防火的基本設計要求落實。由于建筑結構的空間復雜，結合防火要求進行火災煙霧的模擬設計，保證及時完成補風量的控制，可依據實際要求對補風量管控。

三、高層建筑鋼結構的防火設計措施

在高層建筑鋼結構設計中，對防火設計本身有嚴格的要求，根據現有設計要求，要注意的是明確具體設計的流程和要求，進行性能評估，實現合理應用。具體的設計措施如下：

1.制定結構防火設計目標

在對高層建筑鋼結構優化設計的時候，需要達到安全化控制的效果，明確設計目標。

（1）總體目標

防火預設的主要目標是保證大家的安全，避免出現受眾人身安全和財產安全受到威脅。出現火災之后，最關鍵的逃生，如果出現危險，在滅火的時候，縮短時間，避免結構破壞，蔓延到其他區域。

（2）功能目標

在建筑設計中，出現火災后，對大的主體結構產生影響，會出現坍塌的現象，其功能目標則是避免出現坍塌，保證主體結構的穩定。只有結構穩定，大家才可能盡快地逃生。如果在逃生的時候出現坍塌現象，則堵住了逃生路線。部分結構構件在應用的過程中減少變形的幾率，在火災后可對建筑進行修復，盡量恢復建筑結構，減少建筑火災的損失。

（3）性能要求

高層建筑結構的部分構件必須具有承載力。整體建筑結構在出現火災后，也要具備承載力，便于消防員對火勢進行控制。結構的某些部位的構件或者子結構等，如果超過了一定的期限值，會導致損失增加，因此減少殘余變形現象。

2.火災場景的性能化評估設計

在建模設計的階段，進行性能的分析，動態監督起到突出的效果。科學合理地選擇火災場景，對影響因素控制，從本質上改善火災的控制力度，降低鋼結構出現火災的概率。

（1）火災荷載

火災的荷載設定是個重要的過程，在實施中需實現性能化的安全設置，完成上述內容之后，設計人員實現現場的模擬設計，掌握溫度，結合結果確定荷載力，進而提升性能化評估的質量和效果。設計人員要選擇合適的火災場景，對火災區間合理劃分，依據建筑物的可燃物構成和火災情況等，進行全方位的分析，制定對應的控制對策。

（2）火災發展

火災出現后經過三個階段，初期的燃燒階段，火勢迅猛以及后期的衰弱階段。在防火中的時候，在前期需要進行滅火，如果到了火勢迅猛的階段，滅火難度比較大。在前期需要實現動態的管控，掌握建筑的基本結構，對火勢發展的時候可能出現的結構問題及時排查，做好資料收集和處理等工作，要計算火災狀況下的承受溫度，了解主體結構的耐火情況，總結耐火數據，實現優化設計。

3.確定火災場景和設計火災

火災場景是對整個火災發展過程的一個描述，需要明確火災的位置、原因等。如果火災在場景描述的時候，出現了影響因素，則會導致火勢發展迅速。因此在火災現場選擇的階段，要選擇可能出現的火災區域進行演示，如果選擇的建筑物安全系數比較高，不容易出現火災，則演示的效果不佳。在選擇的過程中，設計火災同時也是對火災場景的定量描述，常用的參數主要是火源熱釋放速率HRR（Heat ReleaseRate） 等。設計火災也是以大量的數據參數作為背景的，可通過數值模擬確定。火災場景指的是火災的一個全過程定性描述，要識別火災特性，和其他可能的火災區分開，可結合火災場景設計對一個特定的火災場景進行分析。

4.提出可行性方案

防火設計方案的安全評估是結構優化設計的核心所在，在整個階段，應用到多種火災分析模型、溫度傳導分析模型和結構分析模型等。設計方案經過不斷的完善后改進，最終形成了特有的設計方案，達到既定的性能設計目標，進而實現總體管控。在報告編制中也要以優化作為基礎，及時得到可行性的報告，數據報告要通過批準。在報告中進行數據的分析和設計，實現全過程監督，明確評估的范圍，提前設定消防安全的目標，對設定的場所進行多方調查，保證防火設計的真實性。加強所采用的分析模型和工具以及參數等分析，提出切實可行的方案。

四、結語

在當前高層建筑結構的防火設計中，針對具體設計形式和變化可知，在后期設計中必須明確鋼結構的防火性能設計要求，形成完善的預防和控制體系。此外設計人員要對防火設計的工程資料進行了解，強化對防火現場的調研，提前制定防火設計模型，對出現火災的概率進行評估。在高層的建筑防火設計中，由于其隱患多，很多人員在檢查的時候無法及時察覺，因此不定期的現場進行檢查，對防火現場、防火模型和概率等進行深化，確保從根本上提升建筑結構的安全性，降低火災幾率。