钢结构建筑防火设计探究

索朗旺扎

【摘要】钢结构系统具有综合优势，适合大量生产。与钢筋混凝土结构相比，钢结构具有“高、大、轻”的独特优点，在全世界的工商业中被广泛使用。为了满足建筑规则的功能要求，必须在火灾安全性方面做好工作，以便在规定的期间内确保建筑物的安全稳定性。本文讨论了钢结构建筑物的耐火设计和耐火对策的基本方法。

【关键词】钢结构;防火设计;防火保护;防火涂料

【中图分类号】TU998.1

【文献标识码】B

【文章编号】1671-3362（2020）11-0076-02

从钢结构建筑的历史来看，在19世纪初建筑物的用途中获得了非常好的成果。随着结构力学理论和实验相结合的静力学系统的建立，锻造铁钢的普及，钢结构建筑也迎来了新的时代。1880年以后，轧钢结构一直被用于建筑结构。这时，出现了许多车站、仓库、展示场等钢筋建筑物。这些建筑物到今天为止还保持着各自的功能并完全能够使用，钢结构在建筑工程中起着越来越重要的作用。特别是1985年，建成了中国第一座超高层建筑“深圳开发中心大楼”。本文主要介绍了钢结构的特征和防火的重要性。钢结构防火设计的关键在于正确确定火灾危险度和耐火性等级，合理确定火灾范围。加强自动洒水系统和烟气排放对策，充分考虑人们的避难问题，以此形成钢结构物的正确防火对策。适当的防火方法和良好的施工材料质量，是钢构造物防火保证最好的方法。利用合适的方法进行钢结构建筑的防火已经是未来要研究的重要方向之一，而随着钢结构建筑的大量涌现，未来建筑防火问题也是每一个设计者应该着重考虑的事情。

1.钢结构在火灾时的破坏机理

火灾产生的热量通过放射线和对流传递到钢结构部件上。即使成分不可燃，温度上升也会引起膨胀及强度降低。在材料为刚性的钢结构建筑结构中，由于梁的延伸而引起的约束力减小使柱远离轴承位置，导致钢结构损伤和崩溃。温度的上升往往会大幅度降低钢结构内部构件的元素强度。一旦钢结构的构件条件达到屈曲强度临界点，整个钢结构就会发生变形的现象，用肉眼就可以非常容易地观察到。

2.钢结构的防火保护设计

钢材是具有耐震性和抗弯曲性的一种不燃性建筑材料。在实际应用中，不仅增加了建筑物的负荷容量，还满足了建筑设计中审美建模的必要性，能避免混凝土及其他建筑材料的缺陷。但是，作为建筑材料，钢铁也有一些不可规避的缺陷，像屈服点、拉伸强度、弹性模量等机械性质随着温度的升高而急剧下降。钢会随着温度的增加而失去强度和刚性。在火灾感知中，钢材的设计负荷是环境温度，而钢材是特殊防火材料，钢材的某些温度不超过极限温度[1]。

2.1防火保護方法设计

在钢结构建筑中要考虑到整体结构防火的安全设计。在钢结构建筑中设计防火的基本准则就要利用耐火性以及绝热性和吸热性，利用三种特性来进行火焰和热量的阻止，减缓钢结构的加热速度，以此来有效延缓钢表面临界温度的到来时间。主要的方式有密封式、屏蔽式、水冷式、喷雾式、涂饰式等，本文主要介绍屏蔽式和涂饰式。

（1）屏蔽式：屏蔽防火的原则是，用耐火材料从火源中隔离金属构成要素，保护钢的结构。盾牌是最经济的防火方法之一[2]。也就是说，在由耐火构造物构成的墙壁和天花板上设置钢构造物，在两个墙壁的间隙中包裹部件，减少耐火物，达到防火目的。此外，钢结构的阻燃涂层也用于保护组件。该工艺具有良好的耐火性和保温性，不受钢结构形状的限制。一般来说，不需要追加辅助设备，重量轻，有特定的美观装饰效果，属于现代先进的防火技术手段。

从建筑构造的角度看有以下几种常见形式：

①特殊的防火墙是由一部分防火墙组成的。例如，钢梁下面的耐火性平的屋顶的设置和钢柱外侧的特定宽度的耐火板可以保留钢轨和钢格子框架的耐火保护层。在室内防止火灾的过程中，使用该方法，能够从主要的结构要素中分离出火焰。另外，在许多现代金属建筑中，也有结构暴露的现象。除了显示结构和结构节点强度之美外，它也对火灾的保护非常有益。金属构成要素被放置在密封结构的周边，保持一定的距离。一旦发生火灾，金属部件就会在火焰的作用中被解放出来，隔板可以起到绝热的作用。另外，在发生火灾的情况下，外部的空气进不来保证了不能自然换气，起到金属部件的自然冷却的作用，是伪装的防火墙。

②钢材结构整体被混凝土材料以及耐火砖所包裹。而混凝土材料以及耐火砖是非常有用并且天然的耐火物之一。有耐火性，耐火性因厚度而异。因此，也可以利用混凝土材料以及耐火砖来进行钢结构的保护。混凝土或砖包裹钢结构以后，能够实现隔离并且加强钢的耐火极限。此种办法已经在上海浦东世界金融大楼的钢铁专栏上使用了。然而这种办法最大的缺点就是耐火性随着材料的厚度而呈现线性变化。因此，通常情况下这种方法下的材料的体积较大，占有更多的土地。同时，很难对一些部件形成保护特别是钢梁和斜线片。同时，不能节约材料。这种保护方法在钢结构建筑中是非常困难的，达不到透明而轻盈的效果。耐火的主要材料是柱状石、陶瓷纤维、砂石、耐火和无毒材料。

（2）涂饰式：涂覆型防火的原理相对简单，可以通过覆盖耐火涂层来抵抗火灾。一般来说，阻燃性涂料分为膨胀式和非膨胀型薄型、厚型两种。

①薄型涂料（膨胀型涂料） ：涂敷膜厚度为1～2mm，常温下稳定。用火力加热的话，会发泡数十次膨胀，保护钢材不受火灾影响。由这种耐火材料构成的保护层非常薄，具有各种颜色和出色的装饰性能。它有助于显示金属部件的强度美，因为它适合于金属建筑的裸露结构[3]。

②厚型涂料（非膨胀型涂料） ：主要是无机绝热材料，加热后不膨胀。绝热性好。涂敷膜厚度为7mm～50mm。相对应的耐火性界限在0.5～3h以上，柱状矿物纤维为主要隔热骨材，分为干湿两种。现在也有混合的方式。非常适合室内的耐火涂料不能用于室外构造物等[4]，但本文不深入介绍。“9.11”事件发生后，专家一直对阻燃涂料的耐冲击性表示担忧，但对于这个领域的研究却没有太多人的参与，令人遗憾。另外，也有将水冷却方式即钢管填充在空心断面的水中，与上部或高处的水槽连接形成密封式冷却装置的情况。加热的时候，水为了冷却在钢的空间栏里循环。然而，这种方法需要特殊的结构设计，相对复杂，几乎不使用。匹兹堡的美国钢铁公司大楼使用了这种方法的防火设计。

另外，将类似水冷却法那样的空心钢管柱（或钢梁）连接到管道网络，填充含有不冻剂和防锈剂的水溶液，使水的溶液循环，由于火灾时的温差作用而导致热量流失的方法很多。此外，在钢材的上面设置了铁板结构的自动水洗装置放置在钢材表面，在连续的水膜上自动喷涂水，起到了防火的作用，和屏蔽类型相似。

2.2防火需要兼顾的地方

为了室外的钢结构，必须选择适合室外使用的钢结构阻燃性涂层。（1）在选择钢构造物的阻燃涂料时，不能使用技术性能不符合室外而使用符合室内要求的涂层。（2）为保护钢构造物而选择装饰性防火涂料。（3）请勿使用有毒涂料。钢结构建筑物的防火对策之一是外层。通过在钢结构的表面上增加外层，可以作为现场或喷涂方式。为了限制收缩裂缝，确保壳的强度，钢铁网状物或增强于固体混凝土的外层。

3.选用恰当的防火方法、材料

钢结构的有效保护是将钢结构的耐火极限增加到钢结构承载值当中，防止火灾发生时钢材结构会出现变形、崩塌的现象。现在一般使用的是在钢材表面设置保护材料层。可以有效提高钢构造物的耐火性，确保钢构造物的安全性。在使用阻燃涂料时，要注意防火涂层和下部防锈涂层的匹配，防止防锈涂层产生的化学反应，不影响防锈效果和防火效果。但是，为了追求经济利益，有些建设单位会用阻燃涂层产品制作的粗糙的产品。有些项目是用阻燃涂料涂饰的，但不能起到防火的作用。因此，必须严格管理材料的质量，在施工工程中认真负责，加强监督，确保施工质量。为了加强职员的防火意识，还可以进行相关火灾预防知识的教育和训练，减少火灾事故的发生，职员内部制定必要的火灾预防紧急计划。

4.结束语

现在，高层钢结构建筑物数量增加，钢结构使用更广泛。一旦发生火灾事故，不能在短时间内灭火。而且，为了强化建筑物的耐火物保护和强化耐火限度，减少牺牲者和资产损失，需要建筑师制定建筑物内部必要的紧急防火计划。在目前的施工过程中，钢铁结构在发展建设产业中的应用已成为大势所趋，有关钢结构保护的研究正在进行中。在钢结构应用过程中，为了确保良好的性能和更好的应用，需要对钢结构进行合理的防火设计，同时为了保证钢结构的更好利用，有必要采取有效的防火措施来预防火灾。只有这样才能够实现钢结构的防火设计。钢结构发生火灾以后会变形，变形就会导致整个结构坍塌，极其容易发生安全事故，而使用这些材料和方法也并不能完全杜绝火灾的发生，杜绝火灾发生更為重要的方法其实是预防，预防每一个安全细节，杜绝安全隐患。只有做好预防的检查工作，才能够有效避免事故的发生。

参考文献

[1]GB50016-2006建筑设计防火规范[S].

[2]徐晓楠，周政懋.防火涂料[M].化学工业出版社，2008（9）.

[3]王华进，王贤明，赵锐.钢结构防火涂料存在的问题及对策[J].中国涂料，2010（3）.

[4]倪建春，梁海.钢结构防火涂料的应用与施工要点[J].涂料技术与文摘，2011（8）.

（作者单位：拉萨消防救援支队墨竹工卡县大队）