性能設(shè)計(jì)方法在鋼結(jié)構(gòu)建筑防火設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

陳凱

現(xiàn)如今，性能設(shè)計(jì)方法已經(jīng)應(yīng)用在建筑防火設(shè)計(jì)中，與傳統(tǒng)的防火設(shè)計(jì)相比，性能化防火設(shè)計(jì)是一種較為先進(jìn)的消防設(shè)計(jì)。性能化防火設(shè)計(jì)方法不僅能滿足《建筑防火規(guī)范》的要求，而且能根據(jù)業(yè)主和建筑的特點(diǎn)改變設(shè)計(jì)方案，提高建筑的耐火能力，降低火災(zāi)風(fēng)險。性能設(shè)計(jì)方式可以降低火災(zāi)發(fā)生的可能性。

1.鋼結(jié)構(gòu)建筑防火措施

當(dāng)前城市建筑中鋼結(jié)構(gòu)建筑數(shù)量不斷增加，鋼結(jié)構(gòu)建筑有較多優(yōu)勢：（1）鋼結(jié)構(gòu)建筑施工期較短；（2）鋼結(jié)構(gòu)建筑施工較為靈活；（3）鋼結(jié)構(gòu)建筑可用空間較大。雖然在鋼結(jié)構(gòu)建筑中鋼結(jié)構(gòu)并不是易燃燒的部分，但是鋼材耐燃性較差，如果火勢變大，那么鋼材的硬度也會隨之降低。當(dāng)火災(zāi)現(xiàn)場溫度超過600℃時，鋼材就會完全失去其承載力。在一般情況下，鋼材如果被高溫持續(xù)灼燒15min，那么鋼材就會失去承載力，建筑物也會逐漸倒塌，所以在建筑時一定要重視鋼結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì)。

如果想要提高鋼結(jié)構(gòu)耐火性，就應(yīng)該采取相應(yīng)措施隔離高溫與鋼材，從而降低鋼材受熱程度，更好地延長鋼材在高溫時的承載時間。當(dāng)前，我國施工普遍使用的是鋼材外包方式延長鋼材在面臨高溫情況下的承載時長。鋼材外包主要有三種形式。

（1）使用混凝土對建筑鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行外包，這種方式必須確保鋼材完全被混凝土包裹住。

（2）利用防火性較強(qiáng)的材料對鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行外包。防火性較強(qiáng)的材料有石膏板、TK 板材等，這類材料普遍具有較強(qiáng)抗燃性，使用這類材料可以將高溫與鋼材進(jìn)行隔離。防火性材料在國外已經(jīng)被廣泛使用，而我國則是近些年來才開始將其使用到建筑防火設(shè)計(jì)中。

（3）在建筑鋼材上噴涂防火性較強(qiáng)的材料，這樣也能起到隔離高溫的效果。這種防火材料可以在鋼材上形成保護(hù)膜，從而提高鋼材的耐火性。我國對防火涂料的使用也制定了相關(guān)規(guī)定，確保建筑防火涂料質(zhì)量有所提高，從而對鋼結(jié)構(gòu)建筑有一定保障[1]。我國主要的防火材料分為膨脹型和非膨脹型兩種。膨脹型防火涂料在高溫灼燒情況下，其體積會逐漸擴(kuò)大，從而提高鋼材耐火性。非膨脹防火材料要比膨脹型材料厚度強(qiáng)，非膨脹防火材料的厚度基本在8mm～55mm，雖然非膨脹型防火材料面對高溫灼燒不會出現(xiàn)體積變化，但是，非膨脹防火材料具有良好隔熱性能，可以有效將高溫與鋼結(jié)構(gòu)建筑鋼材隔開。

2.性能設(shè)計(jì)方法

性能化防火設(shè)計(jì)是一種新型的建筑工程防火設(shè)計(jì)思路。從科學(xué)的角度來看，建筑系統(tǒng)的防火理念需要深入到建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，加強(qiáng)對防火效果的重視，采用先進(jìn)的技術(shù)估算火災(zāi)所帶來的經(jīng)濟(jì)損失并記錄火災(zāi)信息，并將該數(shù)據(jù)作為防火設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。嚴(yán)格組織和控制可能發(fā)生火災(zāi)的重點(diǎn)區(qū)域，實(shí)現(xiàn)建筑綜合防火的目標(biāo)。

就設(shè)計(jì)規(guī)范而言，性能設(shè)計(jì)運(yùn)用防火安全工程學(xué)的原理制定防火工程中的性能化目標(biāo)。需要對建筑物的整體環(huán)境、結(jié)構(gòu)、耐火性、機(jī)械及防火相關(guān)規(guī)定進(jìn)行預(yù)測。性能設(shè)計(jì)在不同方面符合政策要求，即使沒有為防火設(shè)計(jì)工作提供解決方案，也可根據(jù)建筑物的實(shí)際狀況進(jìn)行定性，增加性能設(shè)計(jì)中的評估、預(yù)測、定量、定性等工作，使其設(shè)計(jì)方法能夠被人們接受。與此同時，性能設(shè)計(jì)可以概括為面向性能的設(shè)計(jì)，面向性能的設(shè)計(jì)根據(jù)規(guī)范要求描述環(huán)境和對象，它可以作為消防技術(shù)理論和建筑評價使用的具體方法。其優(yōu)點(diǎn)是：體現(xiàn)建筑的獨(dú)特性，明確用途，根據(jù)個別建筑的差異，制定出具有針對性的設(shè)計(jì)方案；根據(jù)建筑物的存在位置，給出相應(yīng)的設(shè)計(jì)方案，可以變換設(shè)計(jì)思路；使用多種分析工具保證設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。在應(yīng)用過程中采用基于性能的防火方法，一般來說，可以通過以下幾個步驟進(jìn)行：（1）設(shè)計(jì)人員必須根據(jù)建筑物的功能明確建筑物的防火目的，并進(jìn)行定量分析；（2）設(shè)計(jì)人員必須對建筑物的實(shí)際情況進(jìn)行分析，包括對建筑物內(nèi)可燃物數(shù)量、人員分布情況等進(jìn)行分析，方便工作人員識別火災(zāi)指標(biāo)并進(jìn)行合理設(shè)計(jì)；（3）設(shè)計(jì)人員對設(shè)計(jì)的消防方案進(jìn)行安全性分析，并對消防效果進(jìn)行評價，編制報告，落實(shí)具體的設(shè)計(jì)內(nèi)容。

3.性能設(shè)計(jì)方法在鋼結(jié)構(gòu)建筑防火設(shè)計(jì)的運(yùn)用

建筑性能化防火設(shè)計(jì)是一個長期而復(fù)雜的過程，它可以促進(jìn)防火壁爐的規(guī)劃、人員的疏散、煙氣的流動和控制等，只有研究這些關(guān)鍵技術(shù)，才能促進(jìn)我國消防技術(shù)的發(fā)展。

3.1 火災(zāi)場景設(shè)計(jì)

火災(zāi)現(xiàn)場的設(shè)計(jì)應(yīng)以有關(guān)建筑物為基礎(chǔ)，特別包括建筑物內(nèi)可燃材料的數(shù)量和類型、火災(zāi)的發(fā)展和火災(zāi)類型的選擇，識別建筑物和損失；其次，根據(jù)建立的公式計(jì)算火災(zāi)發(fā)展不同階段的情況，主要是熱量釋放對周圍環(huán)境的破壞；最后，在設(shè)計(jì)火災(zāi)現(xiàn)場時，要考慮火災(zāi)發(fā)生的可能性和火災(zāi)過程中滅火的進(jìn)度，即火災(zāi)現(xiàn)場的設(shè)計(jì)是否能真實(shí)反映火災(zāi)現(xiàn)場，將直接影響性能化防火技術(shù)的可靠性和功能性。

3.2 火災(zāi)煙氣流動和控制設(shè)計(jì)

在火災(zāi)流量的構(gòu)建中，建筑防火性能化構(gòu)建主要采用區(qū)域模擬和空間模擬兩種方式。

如果發(fā)生火災(zāi)，時間會發(fā)生變化，上方熱氣層的狀態(tài)和高度也會發(fā)生變化，由于室內(nèi)設(shè)計(jì)的不同，煙氣流動會受到一定限制。因此，可以利用空間模擬的范圍確定火災(zāi)發(fā)生的位置和程度，在消防系統(tǒng)的建設(shè)中，利用這兩條路徑可以有效控制火災(zāi)發(fā)生的可能性，降低火災(zāi)的風(fēng)險。

在防火方面，中庭公共空間是次安全區(qū)域。在這個區(qū)域，公共空間相對較大，空間靈活性也很高。結(jié)合這些特點(diǎn)，設(shè)置防火分區(qū)，設(shè)計(jì)專用滅火器和排煙滅火器，以達(dá)到防火的目的。

中庭周圍的空間可采取嚴(yán)格措施，確保消防系統(tǒng)的安全，防火分區(qū)所用材料必須具有良好的防火性能，走廊與房屋之間采用防火結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)防火分隔，同時必須用防火墻將房屋劃分為不同的防火區(qū)。如果發(fā)生火災(zāi)，可設(shè)置獨(dú)立的自動噴水滅火系統(tǒng)，控制火災(zāi)和煙霧，不會對周圍公共區(qū)域造成危害，防煙墻設(shè)置在走廊和中庭之間，公共走廊更為重要，通道用于運(yùn)送人員，因此必須用不可燃材料裝飾，走廊內(nèi)嚴(yán)禁堆放可燃材料[2]。

3.3 人員安全疏散設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)這些內(nèi)容時，必須考慮建筑物使用者的年齡、性別、職業(yè)、教育等信息，以保證建筑物使用者的體力和疏散過程中疏散系統(tǒng)的可理解性。特別要考慮逃生路線，確保根據(jù)不同的人流設(shè)計(jì)不同的逃生路線，以及逃生后人員的安排，為避免恐慌的發(fā)生，疏散后要進(jìn)行心理疏導(dǎo)，減輕火災(zāi)造成的心理壓力[3]。

4.建筑鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的性能化防火保護(hù)實(shí)例

某建筑中間有一個大中庭，它直接與高層相連。中庭上部為鋼構(gòu)采光頂，中庭每層四周為5m 寬的走廊。屋頂?shù)淖罡吆妥畹筒糠址謩e距地面50m 和40m。

4.1 最不利火災(zāi)場景的選擇

高層鋼結(jié)構(gòu)性能化施工的思路是：根據(jù)建筑物的具體情況和有關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，對火災(zāi)規(guī)模、火災(zāi)性質(zhì)、最危險情況、燃燒廠狀況等進(jìn)行分析評價，再參考不同燃料的放熱率，確定最不利的火場。該建筑中庭的主要火源是下廳商鋪的服裝和各層走廊上的垃圾桶。分析了該建筑的結(jié)構(gòu)圖，在各種廊道火災(zāi)中，上部廊道的焦點(diǎn)是距鋼結(jié)構(gòu)建筑場地的最小距離，火災(zāi)直接威脅著鋼結(jié)構(gòu)。根據(jù)NFPA92B 提供的數(shù)據(jù)，該建筑的火災(zāi)釋放量為1.25mw。

4.2 鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件溫度分析

首先計(jì)算最不利火災(zāi)情況下煙羽到達(dá)鋼結(jié)構(gòu)的溫度，然后判斷煙羽是否高于臨界溫度，分析火災(zāi)對鋼結(jié)構(gòu)的影響。根據(jù)該公式，煙羽的平均溫度為58℃，中心溫度是87℃,低于200℃。

4.3 根據(jù)構(gòu)件溫升結(jié)果采取最佳防火措施

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，鋼結(jié)構(gòu)附近頂層火災(zāi)煙羽中心溫度為87℃,遠(yuǎn)低于200℃鋼的臨界溫度。因此，鋼屋蓋是安全的，沒有額外的防火措施。

實(shí)例分析表明，在最危險的火災(zāi)場景下，如果鋼構(gòu)件的升溫未達(dá)到臨界火災(zāi)溫度，其整體性能可以滿足建筑要求，無須防火，鋼構(gòu)件不需采取額外的防火措施；但是，當(dāng)計(jì)算結(jié)果超過鋼結(jié)構(gòu)的臨界溫度時，應(yīng)按照性能導(dǎo)向的防護(hù)理念，采取經(jīng)濟(jì)、合理、有效的防護(hù)措施，以保護(hù)鋼結(jié)構(gòu)不受火災(zāi)的影響。

5.總結(jié)

總的來說，性能化防火設(shè)計(jì)在建筑設(shè)計(jì)中占有重要地位。建筑設(shè)計(jì)與消防安全是統(tǒng)一整體。現(xiàn)行消防規(guī)范在建筑總體設(shè)計(jì)中具有重要的引領(lǐng)作用，而性能化設(shè)計(jì)技術(shù)可以突破傳統(tǒng)消防法的界限，使建筑師更具創(chuàng)造性，追求建筑設(shè)計(jì)與消防功能的統(tǒng)一。