裝配式多高層鋼結構住宅防火技術研究與應用

姚源博（龍元明筑科技有限責任公司，上海 201106）

鋼結構建筑體系作為裝配式建筑三大體系之一，基于產(chǎn)業(yè)化程度高、自重輕、抗震性能好、構件截面小、綠色節(jié)能、施工周期短等優(yōu)勢，開始逐步從公共建筑向居住建筑延伸。2019 年住建部接連批復浙江、山東、四川、湖南、江西、河南、青海等 7 個省份開展鋼結構裝配式住宅建設試點，并已明確試點目標和試點范圍，裝配式鋼結構住宅作為一種綠色環(huán)保建筑已被列為重點推廣項目。

與傳統(tǒng)混凝土現(xiàn)澆建筑體系相比，鋼結構住宅的防火性能和構造技術要求更為嚴格，防火設計還需結合建筑功能需求、施工構造工藝及全裝修交付，實現(xiàn)防火功能與施工便捷、造價可控的綜合目標。研究鋼結構住宅主體結構系統(tǒng)防火技術能夠有效推進鋼結構住宅的技術發(fā)展及推廣應用。

1 鋼結構住宅主體構件防火方案的優(yōu)化選擇

基于國家標準要求，鋼結構建筑主體結構的防火保護可采用下列措施之一或其中幾種的復（組）合：① 噴涂（抹涂）防火涂料；② 包覆防火板；③ 包覆柔性氈狀隔熱材料；④ 外包混凝土、金屬網(wǎng)抹砂漿或砌筑砌體。這幾類防火保護技術原理是依靠材料自身的低導熱性、高隔熱性和不燃燒性，阻隔熱量傳遞，在被保護物體表面隔離熱量，延緩鋼材升溫，從而保護鋼構件的強度不喪失，延緩建筑的破壞倒塌，為人員疏散和滅火、營救爭取寶貴的時間[1]。

針對多高層鋼結構住宅主體結構采用的鋼框架+支撐的體系，分析鋼柱、梁及支撐可應用的新型防火材料及防火措施，對比其施工工藝、性能特點及適用范圍，總結出與之對應的防火技術方案。不同防火材料性能特點及適用范圍列于表 1。

表1 不同防火材料性能特點及適用范圍

鋼結構住宅選用防火材料應具備不燃、高溫穩(wěn)定性及較小的熱傳導系數(shù)等特征，易燃燒或者使用溫度范圍較低的泡沫玻璃、聚苯乙烯、泡沫塑料等材料不適用于防火功能。通過對不同材料制作試件并進行耐火試驗檢測，ALC 材料、膨脹蛭石、泡沫混凝土、硅酸鈣、巖棉、石膏、保溫砂漿、發(fā)泡陶瓷、膠粉苯顆粒等材料可作為防火材料。

基于不同防火材料特點，根據(jù)不同工況及施工便捷性綜合考慮防火技術方案設計，并開展多高層鋼結構住宅防火構造優(yōu)化。針對不同部位形成與之對應的組合防火方案：鋼柱部位擬采用內(nèi)灌混凝土 ＋ 外涂厚型防火涂料，鋼梁部位擬采用厚型防火涂料或“防火板 ＋ 厚型防火涂料”組合防火方式。并通過耐火試驗對鋼柱、鋼梁防火技術方案及性能進行驗證。

2 鋼結構住宅主體構件防火方案試驗測試

針對柱 ＋ 梁 ＋ 外墻節(jié)點試驗試件，通過耐火試驗對研究開發(fā)的組合防火方案、防火性能進行驗證。基于規(guī)范和國內(nèi)研究成果，在一定的設定參數(shù)下測定，設定的參數(shù)條件包括構造方式、保護層厚度、耐火極限時間要求[2]。各類防火材料的性能好壞主要體現(xiàn)在被保護的鋼構件在火災下的升溫速度大小，因此主要記錄并比較不同防火方案的鋼構件在火災下的時間-溫度曲線，評價判斷其耐火性能的好壞。同時觀察防火材料及構造做法在受火過程中是否存在開裂、脫落等現(xiàn)象。

本次試驗采用的升溫加載方式基于 GB/T 9978《建筑構件耐火試驗辦法》中給出的升溫加載制度，試驗爐內(nèi)的升溫曲線為 ISO 834 標準升溫曲線，該加載制度能使試件受到與一般建筑發(fā)生纖維類火災時的溫度作用相似，測試要求受火3 h 后，試件鋼板的溫度 ≤ 550℃。

在標準升溫條件下，本次試驗的試件升溫緩慢，在排除保護層脫落的情況下，試驗 90 min 前，溫度基本保持在150℃ 以下；90～180 min，試件溫度基本保持一定升溫速度，最終溫度保持在 280℃ 以內(nèi)，構件防火保護層隔熱效果良好，能滿足構件防火保護要求。

對于柱 ＋ 梁 ＋ 外墻節(jié)點試件耐火試驗現(xiàn)象進行分析，可以得出以下結論：對裝配式住宅鋼結構體系采用的組合防火保護方案進行 ISO 834 標準火災下的柱 ＋ 梁 ＋ 節(jié)點防火保護傳熱試驗，受火 180 min 后構件截面各測點溫度均不超過 280℃，背火面測點溫度未超過 100℃，表明防火保護隔熱性能良好，能滿足結構耐火性能要求，證明了柱 ＋ 梁 ＋墻節(jié)點防火保護方案切實可行。

3 結合建筑圍護系統(tǒng)的防火技術創(chuàng)新應用

鋼結構防火技術方案中為達到耐火極限 2 ～ 3 h 要求，防火涂料厚度一般為 25 ～ 35 mm，鑒于防火涂料強度不高，厚度及面積過大后，需分層噴涂并增加防脫、防裂構造措施，導致成本較高。如何與建筑圍護系統(tǒng)進行結合，在滿足結構防火功能的前提下，兼顧實用性、經(jīng)濟性及使用功能的實際需求,基于以上問題開展鋼結構住宅防火圍護一體化技術應用研究[3]。

（1）鋼結構住宅外圍護系統(tǒng)墻體采用內(nèi)嵌或嵌掛組合方式時，鋼柱與圍護墻體接觸的部位，可由內(nèi)、外墻體與鋼柱連接構造措施來實現(xiàn)建筑圍護功能需求及防火性能要求，如圖 1 所示，鋼柱防火采用內(nèi)灌混凝土+石膏基防火涂料組合方式，與內(nèi)外墻體（ALC 條板）接觸部位，不噴涂防火涂料，搭接處填充巖棉、專用砂漿等來實現(xiàn)圍護功能指標，同時滿足防火性能要求。

圖1 鋼柱 防火圍護一體化構造示意圖

（2）鋼梁的防火圍護一體化技術主要由樓板及內(nèi)隔墻結合防火材料共同作用組成[3]，如圖 2 所示，鋼梁防火采用石膏基防火涂料，與內(nèi)隔墻、樓板接觸部位，不再噴涂防火涂料，樓板、內(nèi)隔墻與鋼梁接觸部位的材料及構造措施可滿足鋼梁防火性能要求，有效減少防火涂料用量，提高施工效率，降低施工成本。

圖2 鋼梁 防火圍護一體化構造示意圖

（3）鋼支撐部位結合建筑功能需求應用防火圍護一體化技術，可采用防火涂料與砌體填充的組合方式實現(xiàn)防火性能指標，鋼支撐與砌體墻連接處，由砌體包覆形成防火保護，其他部位噴涂石膏基防火涂料，節(jié)約材料、提高效率，降低成本，同時保證結構的完整性，達到防火性能要求。鋼支撐部位防火構造示意圖如圖 3 所示。

圖3 鋼支撐部位防火構造示意圖

4 結 語

裝配式鋼結構住宅建筑體系具有施工便捷、安全耐久、綠色低碳、品質(zhì)保證、利于推進建筑工業(yè)化發(fā)展等明顯優(yōu)勢，目前，在應用推廣中還有一些技術問題有待解決。通過試驗論證了鋼柱采用內(nèi)灌混凝土+石膏基的防火涂料，鋼梁優(yōu)先考慮石膏基防火涂料或防火板+石膏基防火涂料組合防火方式，鋼支撐部位采用石膏基防火涂料與砌體填充的組合方式。相比于采用水泥基防火涂料，在材料性能、施工便利性、綜合成本上具有顯著優(yōu)勢。

本文通過分析裝配式多高層鋼結構住宅主體結構采用防火涂料及組合防火方式的構造工藝及試驗結論，結合裝配式鋼結構住宅系統(tǒng)集成、一體化設計理念，研究開發(fā)防火圍護一體化技術方案，分析了其構造組成、特點、性能指標，后續(xù)將持續(xù)完善形成鋼結構住宅防火技術應用圖集、工法等科技成果。希望有效促進裝配式鋼結構住宅建筑體系的發(fā)展，并且對設計和施工人員起到一定的參考指導作用。