工业建筑设计中应注意的问题

2019-02-26黄明

有色金属设计 2019年3期

黄明

(昆明有色冶金设计研究院股份公司，云南昆明 650051)

0 引言

工业建筑是指供人们从事各类生产活动的建筑物和构筑物，主要由生产厂房和生产辅助用房组成，其中生产辅助用房包括仓库、公用辅助用房、构筑物等。工业建筑种类繁多，例如钢铁业冶炼厂建筑、石油化工厂建筑、有色冶金工业建筑、烟花爆竹厂建筑、水泥建材厂建筑、药厂建筑、纺织厂建筑等等，不胜枚举。这些建筑从生产的原材料、生产工艺到最终产品都千差万别，这也导致了服务于这些生产活动的建筑各式各样，甚至同一类厂房的设计理念和建筑形态，也会因为工艺布置、设备选型、场地条件、结构型式、气候条件、建筑材料等的不同而存在明显差异。从事这些建筑设计的设计人员在设计过程中遇到的问题也各不相同，而有些问题容易被忽略或者认识不清晰。

1 厂房火灾危险性分类的问题

生产的火灾危险性分类在相关工业建筑设计规范中都是重点阐述的，如《建筑设计防火规范》《有色金属工程设计防火规范》《火力发电厂与变电设计防火规范》《钢铁冶金企业设计防火规范》等，这是设计人员在进行建筑设计时首先要明确的一个问题，它直接影响到建筑物耐火等级、建筑防火分区面积、安全疏散、防火间距等。因此，建筑设计人员在开始进行厂房设计时，要同工艺专业就生产中所用到的原材料、生产过程中产生的物质和产品进行火灾危险性分析，这种分析包括这些物质的燃烧性能和产出量。但由于对建筑防火设计概念的认识存在差异，会造成对火灾危险性分类的不同结果。这里主要讨论一下在密闭容器中进行生产的火灾危险性如何确定？笔者设计的某项目就涉及到这个问题。

该项目是1个金属冶炼厂的厂房设计，工艺为氧压浸出，其生产流程是将原料矿浆和浓硫酸经过不同的管道同时注入合金预浸出槽进行预浸出，然后进行稀释，再将稀释的矿浆加入立式加压釜，加入氧气进行反应也就是氧压浸出，产品(压滤渣和压滤液)通过管道送入后续工序，整个生产过程都在密闭容器中进行。那么如何确定该厂房的火灾危险性分类呢？

从原料的燃烧性能来看，矿浆为不燃烧物质，其火灾危险性分类为戊类；浓硫酸具有较强氧化性，其火灾危险性分类为乙类；氧气为助燃气体，其火灾危险性分类为乙类；产品压滤渣和压滤液为不燃烧物质，其火灾危险性分类为戊类。从以上分析来看，该厂房的火灾危险性分类应为乙类。但在同工艺专业设计人员的交流中得知，该氧压浸出过程中会产生大量的氢气，氢气是属于爆炸下限小于10 %的气体，其火灾危险性分类为甲类，产生的氢气量已经超过了《建筑设计防火规范》(以下简称《建规》)中“可不按物质危险特性确定生产火灾危险性类别的最大允许量”，并且产生氢气的工段在厂房中无法进行有效的防火分隔。因此，我们认为该厂房的火灾危险性分类为甲类。

但在与甲方的讨论中，他们并不认可该厂房火灾危险性的分类。他们认为：①整个生产过程均在封闭的容器中进行，与外界空气不接触，氢气也不会泄漏，因此不会引起火灾；②对整个生产过程均有24 h监控和检测，任何泄漏均会报警，并能立即停止生产。因此，他们认为该厂房的火灾危险性分类应为戊类。

我们分析后认为，如甲方所说，在正常生产过程中，确实不会发生火灾。但是《建规》的制定，除了预防建筑火灾外，还有一个重要的目的就是保护人身和财产安全，减少火灾危害。通过安全的工艺防火措施和控制火源的措施，达到预防建筑火灾的目的；设置必要的防火分隔、合理的安全疏散设施以及有效的灭火、报警与防排烟等设施，控制和扑灭火灾，实现保护人身安全，减少火灾危害的目的。从大量工业建筑的火灾案例来看，很多火灾都发生在设备安装、调试、检修、工人误操作或长时间生产后设备线路老化、检测系统出现故障的时候，因此不能保证该厂房在整个使用期间没有任何火灾隐患。戊类厂房和甲类厂房在建筑耐火等级、每个防火分区允许的最大建筑面积、安全出口类型、疏散距离等都存在较大差异，一旦出现极端状况，如果按戊类厂房设计，现场工作人员无法及时疏散到安全区域，人身安全无法保障；而且，一旦发生爆炸，还回危及到相邻建筑。综合以上分析，我们仍然将该厂房的火灾危险性分类定为甲类，并且按照”有爆炸危险的厂房“进行了防爆和泄压的设计。

可以看出，厂房火灾危险性分类的确定需要做细致的工作，要结合整个生产过程进行综合分析，不可只根据以往的做法或者甲方意见来确定。

2 钢结构防火和防腐保护的问题

钢结构在工业建筑中应用非常广泛，它的优点很多，如：自重轻、强度高、可以工业化生产、施工周期短、绿色节能等；它的缺点也很明显，就是耐高温性能差，易腐蚀。建筑一旦发生火灾，无防火保护措施的钢结构在0.25～0.50 h内就会失稳破坏。同时，很多工业建筑都存在一定的腐蚀介质，无防腐保护或者保护不好的钢结构很容易锈蚀，影响结构安全。因此，对于有腐蚀介质的厂房来说，钢结构的防火、防腐是必不可少的防护措施。

2.1 钢结构的防火保护

目前钢结的防火保护措施可以分为这几种：①外包混凝土或砌筑砌体；②涂敷防火涂料；③防火板包覆；④复合防火保护，即在钢结构表面涂敷防火涂料或采用柔性毡状隔热材料包覆，再用轻质防火板饰面板；⑤柔性毡状隔热材料包覆。

对于钢结构工业建筑来说，采用外包混凝土或砌筑砌体将会加大结构断面和自重，施工难度大，施工周期会增加，特别对一些轻型钢结构来说无法做到。采用柔性毡状隔热材料包覆的方法仅适用于平时不受机械损伤和不易人为破坏，且不易受潮的部位。对于工业建筑来说，多数无法满足其适用条件。采用防火板包覆时，需要根据构件形状和所在部位进行构造设计，并应确保安装牢固稳定。这无疑增加了设计难度和施工难度，同样会增加施工周期。采用涂敷防火涂料这种方法，由于其施工快，有的可以在工厂完成，成本低，因此，在大量工业建筑中，钢结构的防火保护都采用涂敷防火涂料。在设计中要引起注意的是，钢结构采用防火保护的最大耐火极限一般不超过3.0 h。

笔者曾参与了一个火灾危险性分类为丙类的钢结构仓库设计，由于仓库面积大，要采用防火墙将仓库分为2个防火分区，防火墙也采用钢结构来设计，并在图纸中注明钢结构涂防火涂料，使其耐火极限不低于4 h。在对图纸进行消防审查时，消防部门提出“钢材无法达到4h耐火极限，不应选用”。我们在《建规》的附录中钢结构确实找不到耐火极限达到4 h的做法。从理论上来说，钢结构采用复合防火保护，其耐火极限可以达到4 h，但是由于没有具体做法供参考和燃烧试验的支持，最终该防火墙放弃了钢结构做法，而采用砌体结构。

当然，随着新型防火涂料的研发和构造措施的加强，钢结构达到4 h的耐火极限是可期的。但是在目前来看，确实很难找到一种可靠的做法使其满足4 h的耐火极限，因此，在设计中应谨慎选用。

另外，在钢结构建筑中，有一些受力构件如柱间支撑、楼盖支撑、桁架、吊车梁、屋面支撑和系杆等，在《建规》中其耐火极限没有相应规定，设计图上往往也没有说明，这会给施工带来问题，如果不进行防火保护，会威胁到建筑的安全。从这些构件的破坏后果来看，它们的失效破坏会直接造成主要承重构件柱、梁、屋面承重构件的整体失效。因此，这些构件的耐火极限应与相应的主要承重构件一致。如，柱间支撑的耐火极限应与柱相同，楼盖支撑、桁架、吊车梁的耐火极限应与梁相同，屋盖支撑和系杆的设计耐火极限应与屋顶承重构件相同。

2.2 钢结构的防腐保护

在有腐蚀介质作用的钢结构工业建筑中，对钢结构进行有效防腐保护必不可少。根据所处环境的腐蚀程度不同，会采用不同的防护方法。一般在微弱腐蚀环境(工业大气、海洋大气)中，可以在钢结构表面喷镀金属涂层，如铝层、锌层；在弱、中、强腐蚀环境中，多数采用防腐蚀涂料涂层防护；在重腐蚀环境中，可采用金属涂层与防腐涂料涂层的复合涂层。这3种方法各有优缺点，采用何种防护方法应根据腐蚀原因、介质浓度、施工难易与经济效益等进行综合考虑。由于涂刷防腐涂层施工难度低、工期短、价格经济，在钢结构防腐保护中被大量采用。

但是，由于涂料的选择和应用不当或者施工质量不合格等造成一些钢构件短时间内就被腐蚀，威胁到结构安全。因此，作为设计者在选择防腐涂料时应该仔细分析腐蚀介质的种类、浓度和生产时的环境温度、湿度等，才能做出针对性的选择。特别应注意的是，在一些经常有蒸汽作用和湿度很大的厂房内，对钢屋架、钢檩条和金属屋面板等部位要加强防护。

另外，由于防腐蚀构造设计多数是由建筑专业人员完成，而结构设计人员很少参与，往往就会造成了对钢构件防护的不利后果。例如，在腐蚀环境中，钢柱柱脚按规范均应置于高出地面不小于300 mm的混凝土基础上。而有的结构设计人员则是按照通常做法，将钢柱插入地下基础内，再包裹混凝土。由于钢柱于地上、地下形成阴阳极，雨季环境温度高或积水时，电化学腐蚀严重。还有，按规范在“腐蚀性等级为强、中时，不应采用由双角钢组成的T形截面或由双槽钢组成的工形截面”，而有的结构设计者却采用双角钢焊接起来作为屋顶承重构件，由于两角钢之间的缝隙很难进行防护，形成腐蚀的集中点，造成该钢构件的腐蚀。而且日后修补起来也很难对缝隙进行完全封闭，给结构安全留下隐患。这些在设计中要引起重视。

在钢结构防腐涂料的选择中，设计人员经常会选用聚氯乙烯萤丹涂料。这种涂料含有萤丹颜料成分，对被涂覆的基层表面起到较好的屏蔽和隔离介质作用，与钢铁的附着力优越，而且对金属基层具有磷化、钝化作用。该涂料对盐酸及中等浓度的硫酸、硝酸、醋酸、碱和大多数的盐类等介质，具有较好的耐腐蚀性，而且该涂料耐高温、耐候性好、耐油性佳。而不含萤丹的聚氯乙烯涂料的防腐性能则很差，所以该涂料不能没有“萤丹”。应该注意的是，由于该涂料是专利产品，一些没有该项专利技术的企业生产的产品虽然名字相同，但其产品质量是很难保证的。

2.3 钢结构同时进行防火、防腐保护

根据现行的《建筑设计防火规范》GB50016-2014，任何生产火灾危险类别的厂房，不论是单层还是多层，其建筑构件都有耐火极限的要求。所以，任何钢结构厂房的柱、梁、楼板、隔墙、楼梯、屋顶承重构件等均需要进行防火保护。在有防腐蚀要求的钢结构建筑中，钢结构就要同时进行防火和防腐保护。那么，如何进行设计呢？

一般在弱腐蚀环境环境中，由于防火涂料在一定程度上可起到防腐中间漆的作用，可在外面直接做防腐面漆，能达到很好的外观效果，所以，它们的组合方式是：防腐底漆+防火涂料+防腐面漆。中、强腐蚀作用时，它们的组合方式是：防腐底漆+防腐中间漆+防火涂料+防腐面漆。为了保证膨胀型防火涂料膨胀不受影响，防腐面漆不应过硬，构件外部应留有足够的膨胀空间，也不应包裹防火毯等。施工时应控制防腐底漆、中间漆的厚度，避免由于防腐底漆、中间漆的高温变性导致防火涂料层的脱落，避免因面漆过厚过硬而影响膨胀型防火涂料的发泡膨胀。

钢结构进行防腐、防火涂料涂装时，需要防腐涂料和防火涂料相互配合，形成配套体系，共同承担对钢结构的防护作用。涂层配套体系要求在选择各类涂料配套时，要适应环境腐蚀，而且能满足使用要求。各类涂料相配套时要彼此相容，发挥正常功效。

在工程实践中，有时会出现不同厂家的防腐底漆、中间漆、面漆与防火涂料交互涂装。有些涂料相互间不能很好的相容，涂装后发生反应，如起泡、起皱，将下层涂料咬起。这些涂装不仅没取到防护作用，还加速了钢结构的腐蚀。一旦出现这种情况就必须将所有的涂层全部打掉，从钢结构表明重新除锈做起，重新进行涂装。结果就是不仅延长了工期，还在经济上造成严重损失。

为了避免这种不必要的损失，在设计时对于采用的防腐涂料和防火涂料要充分了解，谨慎选用，并且要求施工时要进行相容性试验，只有结合性和相容性均好的涂料才能组合涂装。这样才能保证钢结构建筑工程的顺利施工，才能保证防腐、防火涂料取到应有的防护作用。