性能設計方法在鋼結構建筑防火設計中的應用

■ 朱世偉 保定市消防救援支隊蠡縣大隊

目前，我國的現代化建筑呈現多樣的形式，傳統的防火設計逐漸暴露出滯后性，在各領域的不斷探索與研究下，誕生了一種全新的建筑防火設計理念，即性能設計。性能設計方法的現世，使建筑防火設計具有更高的可行性及科學性。基于此，文章以探討性能設計方法在鋼構件建筑防火設計中的實際運用為最終目的，闡述鋼結構建筑的防火舉措、性能設計方法的潛在意義和現階段發展所面臨的挑戰，旨在進一步提升鋼結構建筑的防火能力從而降低火災發生的可能性。

一、鋼結構建筑耐火保護舉措

（一）鋼結構建筑優缺點

隨著鋼材的廣泛運用，基礎建筑施工中以鋼結構為主的建設方式逐漸嶄露頭角，其優點決定了鋼結構建筑將逐步取代傳統建筑結構地位的發展趨勢。鋼結構建筑的主要優勢在于以下幾點：1.鋼構件建筑建設時間短；2.鋼構件建筑施工靈活；3.鋼構件建筑可使用的容積較大。

鋼結構建筑的缺點在于其防火性能差，耐燃性不高，如果發生大型火災，鋼材將會面臨高溫的持續炙烤。當溫度高于600℃時，鋼材的堅硬程度會出現質的改變，并且鋼材在持續15 分鐘的高溫炙烤下會出現斷裂甚至融化現象，而鋼結構建筑物也會隨之崩塌[1]。因此，在鋼構件建筑施工時，需要重點關注其防火性能以及探索鋼結構防火保護的舉措。

（二）鋼結構建筑耐火保護舉措

阻止高溫與鋼材的直接接觸是有效提升鋼構件建筑耐燃性的主要舉措。而最優質的方式便是采取隔絕法，從而在根本上避免鋼材與高溫的直接接觸，延長鋼材受熱的時間。目前，我國在鋼結構建筑施工過程中普遍采取這種隔離方式，而我國目前的隔絕方式關鍵有以下三種：

（1）使用混凝土或者耐火磚對鋼材結構進行外部包裝，使空氣與鋼結構完全隔離，從而防止高溫對鋼材的直接灼燒，但由于混凝土或耐火磚在堆砌的過程中難免會留有空隙，并且這種方式在某種層面上極大地增加了工程量以及資金的損耗，因此這種方式已不能滿足施工建設對于防火設計的需求。

（2）采用具有高強度防火性能的輕質材料對鋼結構進行外部包裝，例如石膏板、TK 板及特質防火布等，由于其質地輕巧、經濟實惠的特性，這種包裝方式也廣泛應用于小型鋼結構建筑防火設計中，并且這種材料具有較好的耐燃性，可以更好地將高溫與鋼材進行隔絕，目前我國在鋼結構建筑的防火設計中也普遍采用此方式進行防火設計。

（3）利用防火涂料使鋼材形成防火保護膜，有效地隔絕高溫對鋼材的炙烤，提高鋼材的耐燃性。但由于其價格昂貴、技術不成熟等缺點，使得這種防火方式在我國并沒有得到充分的采用。目前，我國使用的防火涂料有膨脹和非膨脹兩種類型。膨脹型在高溫持續炙烤下，會使涂料體積增大，以增加受熱面積的方式來隔斷高溫與鋼材的直接接觸，從而延長鋼材受熱時間，提升鋼材的耐燃性。而非膨脹型材料本身具有較大的厚度，基本在8mm ～55mm 之間。從嚴格意義上來講，二者都是將自身的體積增大，從而阻斷高溫與鋼材的直接接觸，但非膨脹型涂料不用通過高溫加熱來進行體積的變化，自身的厚度使得非膨脹型涂料也具有極高的隔熱性能[2]。

二、性能設計方法的意義

（一）性能化防火設計的應用性

性能化的防火設計是一個比較創新的建筑防火安全措施與方法。從科技的角度講，鋼結構建筑的防火概念往往需要深入整個建筑結構內部，而性能化防火則是指通過現代化的技術手段，可以更精確地預測火勢及其可能造成的損失并記錄下火災數據，同時以這些信息為防火設計的基礎，嚴格設計和把控可能引起火災事故的關鍵部件，以達到現代鋼結構建筑設計的防范火災的要求。從設計規范而言，性能設計利用了消防安全工程學的基本原理對建筑物進行防火規范。需要相關人員從全局出發，重點根據建筑物的實用功能、周邊實際情況、整體結構及建筑物整體耐火性等層面作出全方位的預料。盡管性能設計不能為防火工作提供直接性的解決措施，但可以根據建筑防火設計的現實狀況加以衡量，從而加大性能設計的評價和量化等工作能力，使其工作方式能被群眾所接納。并且，性能設計可以作為一種防火設計理論和建筑評價使用的具體方法。其優勢在于：一方面能更好地體現出建筑的特殊性，更全面地理解建筑的真實用處，更客觀地表現出建筑的差異，從而擬定具體的設計方法；另一方面在于可以依據建筑的地理環境，做出對應的設計方法，亦可以改善設計的思路，做到全方位統籌設計方法；最后可以采用多元化的分析手段，以此來確保設計的正確性。在實際的操作中，性能化防火設計可以依照以下幾方面推進：

（1）嚴格依據鋼結構建筑的使用功能，將其防火設計的目標進行明顯化，并進行有針對性的量化分析。

（2）嚴格遵循鋼結構建筑的現實狀況，分析其內部存在的易燃物量及人員主要工作場所的布局，從而對疏散通道及火災易發根源進行科學的設計。

（3）嚴格按照消防安全的規定，對防火效果進行評估，撰寫相關報告，實施全面的設計內容。

（二）性能化防火設計的必要性

雖然并不是每個建筑物都必須通過性能化方法來完成設計，但性能防火設計方法的運用是目前鋼結構建筑中安全防火舉措的一種必然發展走向。我國目前在高性能化防火設計與評價等方面的科學研究上已經獲得了很大的進展，但由于我國性能化防火設計的發展起步較晚，存在著火災基礎科學研究還比較薄弱、相關工程研究少等問題，因此我國在性能化的防火設計和評估上仍有不少的技術難題和使用技巧需要攻克。這就需要我國相關領域加速對性能化防火的研究腳步，充分結合國內外現有的研究成果，加大對消防安全相關研究力度，全方位推動性能設計方法在鋼構件建筑防火設計中的應用，從而加強我國基層建筑在發展及運營中的安全性及科技性。

三、目前我國鋼結構建筑防火設計所面臨的挑戰

鋼結構建筑主要有體積較大、結構繁瑣的特征，如大型火車站、購物中心、飛機航站樓等。由于此類建筑需要很大的占地范圍，致使由鋼構件組成的建筑物體積龐大。因此，在對鋼結構建筑物進行防火設計時，需要充分利用性能設計方式來達到防火目的。目前我國在對大型鋼結構建筑物進行防火設計的工作中主要有以下兩方面的難題：

（一）難以劃分防火區域

根據我國相關防火設計規范的要求，需要對大面積建筑平面采用防火墻或防火卷簾等材料進行區域防火的劃分，這種按“處方式”的防火設計，雖然能夠有效地阻止火勢蔓延，但可能會從根本上改變建筑物的實用功能，不僅如此，現代建筑對美學的要求極為苛刻，如果防火區域劃分不合理，會從外觀上影響建筑物美學價值[3]。由于不同的建筑物之間具有較為明顯的差異性，因此在進行建筑物防火設計時，應該根據建筑物的實際情況，運用合理、科學的性能防火措施，通過火災模擬實驗，分析出適合建筑物本身功能的防火方式。

（二）防火方式單一

即使對于鋼結構建筑的防火保護措施有多種方式，但依據目前的科學技術水平而言，防火噴涂成為鋼結構建筑防火保護的主要手段。根據我國相關的建筑防火規定，鋼結構建筑物在進行防火設計時，必須考慮建筑物內各個鋼構件的承重能力及防火能力。施工方還要嚴格把控防火涂料的耐燃性，結合這兩個層面，施工方需要對噴有防火涂料的鋼構件進行進一步的耐燃能力的測試。盡管如此，這種防火保護方式依舊有以下兩方面的缺陷：

1.滅火設施基礎建設不全面

我國在鋼結構建筑物的防火設計層面上，不能依據建筑物的具體實用功能來進行，主要就體現在滅火設施的基礎建設方面，例如機場與購物中心這兩種建筑，它們的建設具有其獨特的功能，在滅火設施的建設上也需要根據其各自的功能來進行，因此需要防火設計人員根據二者發生火災時的情景，做出相應的滅火設施建設，這樣才能起到有效的滅火、控火效果。

2.防火保護方法缺少科學的檢測方法

無論是哪種鋼結構防火保護方式都需要對其進行科學、合理的檢測，例如在使用防火涂料的保護方式時，需要相關人員對其進行使用前、使用時、使用后的科學檢測，以確保在性能防火設計時能夠高效地進行對鋼結構建筑的防火保護。另外，由于鋼構件在建筑結構中存在端對端的限制條件，無法從火災實驗中提取有效的防火數據，因此需要相關人員在設計防火方案時重點關注鋼構件兩端部的連接部位，確保端部防火性能的極限，以此作為鋼結構整體構造的防火性能建設。再者，結構受火后在結構中也會形成高溫應力，而這一影響在構件的試驗方法中難以準確反映[4]。需要從科學的角度全面考察鋼結構建筑物的實際情況，通過科學的力學計算方式，從而提升鋼結構建筑物的整體防火性能。

四、性能設計在鋼結構建筑防火設計中的運用

（一）火災場景設計

首先，火災情景設計須結合相關建筑的基本情況，尤其是其內部現存的可燃物數量及類型、火災蔓延趨勢等方面，識別建筑物和損失；其次，通過相關計算方式估算火勢蔓延各個階段的狀況，重點在于熱力傳播對建筑周邊環境的損害；最后，在設置火災現場情景時，要充分考慮火災爆發的來源以及在大火處理過程中撲救的進度，而火災爆發的現場情景設置需要充分反映火災現場的實際情況，這將直接影響性能化防火方法的真實性與科學性。

（二）控火、防火系統設計

1.空間模擬

發生火災時，由于溫度及時間的改變，上層氣體的結構和狀態也會隨之改變，而室內設計不同于室外，氣體在轉移過程中會受到空間約束。因此，利用性能化設計的空間模擬可以根據提起轉移的方向，準確定位火災發生的位置及蔓延趨勢，有利于及時有效地控制火災的蔓延，從而減少火災所帶來的損失。

2.區域分區模擬

在空間結構較大的區域，防火設計具有極高的靈活性和延展性。采取區域分區的模式可以有效降低火災發生的概率，防火分區在材料的選擇上必須具有極高的防火功能，才能有效地實現火災隔離，防火分區的主要目的是針對特定區域設置專用的滅火排煙設施，以達到阻止火勢蔓延的效果。具體來講，在鋼結構建筑物的小空間區域可采用高效的噴淋實驗裝置，但在大空間地區常規噴淋實驗裝置無法有效應用，取而代之的是更為有效的水泡滅火系統。合理的防火分區有利于從根源上杜絕火勢的蔓延，減少對周邊區域的危害。

（三）人員安全疏散設計

性能化的防火設計方法，能夠將火災中出現的煙霧、溫度及有毒氣體等危害作為人員安全標準的主要評價因素。火災中最主要的目的是保障人員的生命安全，合理、科學的疏散逃生通道是保障人員生命安全的有效途徑，利用性能化防火設計方式能夠對逃生通道的選擇進行有效計算與分析，以確保針對不同區域的人員制定不同的逃生疏散路徑，降低火災發生時對人員生命安全的威脅，并減輕其心理負擔[5]。

（四）鋼建筑結構耐燃性能設計

從鋼結構建筑的安全性角度及整體的穩定性層面進行全面考慮，利用性能設計防火方式研究鋼構件在火災中的反應，從而制定安全消防方案，以確保在著火狀態下鋼結構建筑物的穩定性，避免坍塌的劇烈變化。因此，對鋼結構建筑做好火災風險評價并及時掌握火災的發展規模，從而做好相應的消防措施，有利于防止發生嚴重火災時鋼結構建筑物倒塌后造成的嚴重損失。五、結語

綜上所述，性能設計方法在鋼結構建筑防火的設計中起到至關重要的作用，與傳統的處方式規范設計相比，性能化的防火設計可以根據不同的功能區進行細致的研究、測算，把工作人員的撤離時刻和火災事故威脅來臨時刻進行比較研究，進而強化各類消防設施的管理，最終得出結論：性能化的滅火系統可以確保工作人員的安全，可以有效控制火勢的蔓延擴展，最大限度降低火災事故風險，維護國家和公民的財產安全。