輕型木結(jié)構(gòu)材料防火問(wèn)題探討

劉美彤

摘要：輕型木結(jié)構(gòu)材料由于其箱型結(jié)構(gòu)體系的特性，兼具木結(jié)構(gòu)綠色環(huán)保等特點(diǎn)，同時(shí)具有更高的強(qiáng)度和耐火性能，近年來(lái)使用較為普遍。因此，對(duì)輕型木結(jié)構(gòu)材料的火災(zāi)危險(xiǎn)性及耐火性能進(jìn)行了理論分析，對(duì)火災(zāi)情況下的輕型木結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模擬比較。研究發(fā)現(xiàn)，由耐火石膏板覆蓋、不燃材料填充的輕型木結(jié)構(gòu)建筑在耐火極限內(nèi)，具有與混凝土建筑相當(dāng)?shù)陌踩院涂煽啃浴?/p>

關(guān)鍵詞：輕型木結(jié)構(gòu)；耐火性能；FDS

中圖分類(lèi)號(hào)：TU998.1? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ?文章編號(hào)：2096-1227（2023）09-0090-03

1 研究背景

輕型木結(jié)構(gòu)是指用規(guī)格材、木基結(jié)構(gòu)板或石膏板制作的木構(gòu)架墻體、樓板和屋蓋系統(tǒng)構(gòu)成的建筑結(jié)構(gòu)[1]。區(qū)別于傳統(tǒng)的純木結(jié)構(gòu)，輕型木結(jié)構(gòu)是利用木龍骨、木擱柵等主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件，與覆面板等次要結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間形成的組合框架來(lái)實(shí)現(xiàn)受力，并且由于不燃覆面材料的保護(hù)，輕型木結(jié)構(gòu)具有更高的強(qiáng)度和更好的耐火性能，在應(yīng)用上所受的限制較少。隨著輕型木結(jié)構(gòu)建造技術(shù)及防火技術(shù)的推進(jìn)，越來(lái)越多的賓館、宿舍、辦公樓等公共建筑也采用了輕型木結(jié)構(gòu)。

目前，國(guó)內(nèi)大多數(shù)建筑仍使用磚石、鋼材及混凝土等建材。就材料本身和能源消耗而言，這些材料建成的建筑物無(wú)法順應(yīng)我國(guó)低物耗、低能耗、綠色、環(huán)保等建筑發(fā)展趨勢(shì)。而木結(jié)構(gòu)建筑不僅能夠帶給人隔音、保溫的優(yōu)良感受，且與其他建筑結(jié)構(gòu)相比，還具有綠色節(jié)能、施工期短、抗震性能理想等優(yōu)勢(shì)。

輕型木結(jié)構(gòu)建筑由于其箱型結(jié)構(gòu)體系的特性，兼具了木結(jié)構(gòu)綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具有更高的強(qiáng)度和耐火性，是我國(guó)值得推廣和應(yīng)用的建筑結(jié)構(gòu)體系。最新《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)《建規(guī)》）將木結(jié)構(gòu)建筑單獨(dú)劃分為一章并作出了較詳細(xì)的防火要求，突出了今后木結(jié)構(gòu)建筑發(fā)展的重要性。但目前規(guī)范對(duì)輕型木結(jié)構(gòu)建筑的層數(shù)仍然限制在3層，單層建筑面積最大不超過(guò)1800m2，一定程度地限制了輕型木結(jié)構(gòu)在國(guó)內(nèi)的發(fā)展[2]。

2 輕型木結(jié)構(gòu)的構(gòu)造特征

輕型木結(jié)構(gòu)建筑一般以鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，上部結(jié)構(gòu)以輕型木結(jié)構(gòu)構(gòu)成，上下結(jié)構(gòu)由基礎(chǔ)內(nèi)預(yù)埋的連接構(gòu)件連接在一起。墻體木龍骨的規(guī)格一般為38mm×89mm或38mm×140mm的鋸材，樓蓋木擱柵的規(guī)格一般為38mm×235mm的鋸材或工字梁。覆面材料一般采用石膏板[3]。

作為輕型木結(jié)構(gòu)建筑中主要的承重構(gòu)件，其墻體采用的木基結(jié)構(gòu)板材能夠承受豎向荷載，并將上部結(jié)構(gòu)荷載傳遞至房屋基礎(chǔ)，同時(shí)抵抗可能由風(fēng)或地震引起的側(cè)向力，并合理控制空氣、熱量和水汽在建筑物內(nèi)外的流動(dòng)。

輕型木結(jié)構(gòu)樓蓋的主要構(gòu)成包括梁、木擱柵及樓面板。梁由緊密固定的規(guī)格材或工程木制品制成，為木擱柵提供中間支撐。樓蓋木擱柵由規(guī)格材或工程木制品制成，由一系列的工字型構(gòu)件水平排布構(gòu)成，用于支撐樓面板、吊頂及承受上部荷載。樓面板由木基結(jié)構(gòu)板材制成。

3 輕型木結(jié)構(gòu)的耐火性能

3.1? 高溫下的木材特性

高溫下由于水分蒸發(fā)，木材的密度逐漸下降，350℃時(shí)下降到常溫密度的20%～30%；導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度升高呈先上升、再下降、再上升的趨勢(shì)，同時(shí)，木材為各向異性材料，其順紋導(dǎo)熱系數(shù)比垂直紋方向大2倍左右。

木材屬于可燃固體，其燃點(diǎn)為200～290℃，自燃點(diǎn)為250～350℃。木材在有焰燃燒時(shí)，先進(jìn)行熱解，一段時(shí)間后發(fā)生炭化。有焰燃燒時(shí)的燃燒熱一般為13MJ/kg。當(dāng)木材發(fā)生無(wú)焰燃燒，燃燒熱比較大，為31MJ/kg左右。木材燃燒后會(huì)在表面留下炭化層，炭化層可以保護(hù)內(nèi)部材料避免直接暴露在火焰和氧氣中。通常認(rèn)為木材炭化的溫度為300℃。炭化層以下的內(nèi)部木材溫度升高緩慢，一方面得益于炭化層的保護(hù)，另一方面也是因?yàn)槟静谋旧韺?dǎo)熱率低。因此重型木結(jié)構(gòu)（膠合木柱、膠合木梁）也具有一定的耐火承載力[4-5]。

3.2? 覆面材料及填充材料對(duì)木框架耐火性能的影響

輕型木結(jié)構(gòu)內(nèi)墻板和樓蓋板通常使用石膏板、水泥纖維板等材料作為保護(hù)層，墻體和樓板的耐火性能主要取決于這層覆面材料。石膏板是最常用的覆面材料，不同種類(lèi)和厚度的石膏板可以提供0.5～3.0h的耐火極限。

決定墻體及樓板結(jié)構(gòu)防火性能的關(guān)鍵因素包括：石膏板的層數(shù)和厚度、石膏板的質(zhì)量、石膏板與木龍骨和木擱柵連接處的細(xì)節(jié)以及建筑構(gòu)造細(xì)節(jié)等。

石膏分子中含有約占21%重量的結(jié)晶水，因此石膏板被加熱溫升至100℃左右時(shí)會(huì)發(fā)生脫水，這一過(guò)程需要吸收大量熱，從而延緩熱傳遞，推遲了主要承重構(gòu)件（木龍骨和木擱柵）溫度升高的時(shí)間。

常用的石膏板一般為耐火石膏板。耐火石膏板是在石膏板芯中增加了玻璃纖維增強(qiáng)材料和其他添加劑，這些成分有助于保持石膏板的整體性，使其在火災(zāi)中不易脫落，從而增加石膏板對(duì)主要承重構(gòu)件的保護(hù)時(shí)間。耐火石膏板的厚度通常是12.7mm或15.9mm。兩層12.7mm厚的耐火石膏板安裝到樓蓋木擱柵的一側(cè)，能提供約1.0h的耐火極限，這是大多數(shù)建筑規(guī)范所要求的典型樓蓋結(jié)構(gòu)系統(tǒng)需要滿(mǎn)足的耐火要求[6-8]。

在2007—2008年公安部天津消防研究所進(jìn)行的輕型木結(jié)構(gòu)足尺構(gòu)件的耐火試驗(yàn)中，覆面材料為耐火石膏板，采用了巖棉和玻璃棉兩種填充材料作為保溫材料。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與《建規(guī)》中構(gòu)件的耐火極限要求進(jìn)行比較分析后發(fā)現(xiàn)，輕木結(jié)構(gòu)構(gòu)件非承重狀態(tài)下耐火性能較好，非承重墻及樓板符合一、二級(jí)耐火等級(jí)要求；墻體承重狀態(tài)下耐火表現(xiàn)一般，在三、四級(jí)之間。不同填充材料影響了構(gòu)件的整體耐火時(shí)間，巖棉作為填充材料時(shí)明顯比玻璃棉的耐火表現(xiàn)要好。總體上輕木結(jié)構(gòu)構(gòu)件具有0.5～3h的耐火極限。改進(jìn)填充材料及構(gòu)造細(xì)節(jié)、增加覆面材料層數(shù)和厚度等可進(jìn)一步提高輕型木結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耐火性能。

4 輕型木結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)的火災(zāi)模擬比較

在火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)分析中，材料對(duì)風(fēng)險(xiǎn)造成較大影響的因素在于建筑結(jié)構(gòu)的完整性和建筑構(gòu)件的可燃性。結(jié)構(gòu)完整性在人員疏散過(guò)程中體現(xiàn)為疏散通道的安全性；而構(gòu)件的可燃性增加了建筑物內(nèi)的火災(zāi)荷載，影響了火災(zāi)蔓延程度及財(cái)產(chǎn)損失范圍。一般認(rèn)為，房間隔墻、疏散通道隔墻等屬于非承重內(nèi)墻，輕木結(jié)構(gòu)構(gòu)件在非承重狀態(tài)下耐火性能良好，因此可以認(rèn)為疏散通道在建筑整體坍塌前不會(huì)發(fā)生局部的完整性失效，人員是否安全疏散僅取決于燃燒產(chǎn)物的毒害作用。而由耐火石膏板覆蓋、不燃材料填充的輕型木結(jié)構(gòu)構(gòu)件可視為難燃材料，對(duì)火災(zāi)初期發(fā)展幾乎不會(huì)造成影響。因此，輕型木結(jié)構(gòu)的火災(zāi)危險(xiǎn)性主要體現(xiàn)在其材料熱物理特性上的差異。這種特性的影響結(jié)果可由火災(zāi)模擬軟件FDS來(lái)實(shí)現(xiàn)。

4.1? 模型及場(chǎng)景設(shè)置

輕型木結(jié)構(gòu)多用于住宅、辦公、賓館等建筑，該類(lèi)建筑房間面積較小，層高較低，房間多為矩形。采用場(chǎng)模型火災(zāi)模擬軟件FDS模擬火災(zāi)過(guò)程，選取火災(zāi)危險(xiǎn)性相對(duì)較大的公共建筑作為研究對(duì)象。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)有噴淋系統(tǒng)的賓館、辦公樓等建筑的火災(zāi)最大熱釋放速率為1.5MW；未設(shè)噴淋系統(tǒng)時(shí)，其最大熱釋放速率為6MW[9]。火源為家具著火，設(shè)增長(zhǎng)類(lèi)型為t2快速火，火災(zāi)增長(zhǎng)系數(shù)α=0.04689。

由于耐火石膏板和不燃填充材料的保護(hù)，在火災(zāi)初期木質(zhì)結(jié)構(gòu)對(duì)火災(zāi)的發(fā)展沒(méi)有貢獻(xiàn)；而在火災(zāi)發(fā)展到一定階段后，木質(zhì)結(jié)構(gòu)可能會(huì)發(fā)生熱解和炭化，但在耐火石膏板失效（≥0.5h）前，并不會(huì)發(fā)生有焰燃燒，因此對(duì)火災(zāi)的貢獻(xiàn)仍然是有限的。在FDS對(duì)比模擬中，將墻體及樓板材料設(shè)置為石膏板及混凝土。火災(zāi)場(chǎng)景設(shè)置為A1、A2、B1、B2。

4.2? 模擬結(jié)果分析

在A1和A2場(chǎng)景下（噴淋失效），從煙氣層溫度變化曲線(xiàn)來(lái)看，200s前石膏板房間煙氣層溫度略高，200s后混凝土房間煙氣層升溫較快，300s后趨于穩(wěn)定，混凝土房間的煙氣層溫度高于石膏板房間約200℃。

然而石膏板頂棚和側(cè)墻溫度一直高于混凝土頂棚和側(cè)墻，400s后穩(wěn)定在1000℃左右；在模擬時(shí)間內(nèi)混凝土頂棚溫度在400s后緩慢上升至800℃，側(cè)墻溫度上升至580℃左右，并逐漸趨于穩(wěn)定。

雖然著火房間壁面溫度在短時(shí)間內(nèi)能夠達(dá)到1000℃，但由于耐火極限內(nèi)石膏板能夠保證完整性，內(nèi)部高溫的木質(zhì)結(jié)構(gòu)并未與空氣接觸，因此不存在炭化或燃燒的可能。

在B1和B2場(chǎng)景下（噴淋有效），混凝土房間與石膏板房間噴淋系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間均為85s，從滅火效果來(lái)看，石膏板房間滅火時(shí)間較混凝土房間提前13s，火勢(shì)能夠更快撲滅。但整體上兩者差別不大。

火災(zāi)中人員的耐受能力主要受熱輻射和熱煙氣的影響。輕型木結(jié)構(gòu)外覆不燃性覆面材料，對(duì)產(chǎn)煙量的影響忽略不計(jì)；同樣的火災(zāi)場(chǎng)景，其煙氣層溫度略低于混凝土房間，熱輻射對(duì)人員的傷害更低；噴淋啟動(dòng)后，材料對(duì)火災(zāi)發(fā)展的影響很不顯著。

5 結(jié)論

本文對(duì)輕型木結(jié)構(gòu)材料防火問(wèn)題進(jìn)行了探討。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，覆面材料、填充材料對(duì)輕型木結(jié)構(gòu)整體的耐火性能有一定影響，耐火石膏板覆面及巖棉填充的輕型木結(jié)構(gòu)構(gòu)件耐火性能良好。通過(guò)改進(jìn)填充材料及構(gòu)造細(xì)節(jié)、增加覆面材料層數(shù)和厚度等，輕型木結(jié)構(gòu)的耐火性能會(huì)進(jìn)一步提高。

通過(guò)FDS數(shù)值模擬對(duì)比了輕型木結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)在設(shè)定火災(zāi)條件下壁面及煙氣溫度變化，以及噴淋作用下的滅火效果。結(jié)果顯示，輕型木結(jié)構(gòu)固相升溫較快，但氣相煙氣溫度較低。在噴淋作用下，兩者對(duì)滅火效果的影響較小。可以看出，輕型木結(jié)構(gòu)材料在應(yīng)用于多層建筑時(shí)，具有與混凝土建筑相當(dāng)?shù)陌踩院涂煽啃浴Ｔ诒ＷC輕型木結(jié)構(gòu)構(gòu)件耐火完整性的前提下，可以適當(dāng)增加建筑層數(shù)及面積以滿(mǎn)足工程需要。

參考文獻(xiàn)：

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[9]GB 51251—2017 建筑防煙排煙系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[S]．

Discussion on fire protection of light wood structural materials

Liu Meitong

（Shenyang Municipal Fire and Rescue Brigade， Liaoning Shenyang 110013）

Abstract： Light wood structure materials are widely used in recent years due to the characteristics of their box structure system， both green and environmental protection of wood structures， and higher strength and fire resistance. Therefore， the fire hazard and fire resistance of light wood structure materials are theoretically analyzed. And the simulation and comparison of light wood structures and concrete structures under fire conditions are carried out. The study found that light wood structures covered by refractory gypsum board and filled with non-combustible materials have the same safety and reliability as concrete buildings within the fire resistance limit.

Keywords： light wood structure; fire resistance; FDS