现代木结构建筑防火性能的研究与展望

谢雨宏， 张慕瑶， 张 陆， 王孜怡， 陈清平， 王 正

(1.南京林业大学材料科学与工程学院，江苏 南京 210037；2.南京林业大学土木工程学院，江苏 南京 210037；3.福建鑫恒达车厢底板有限公司，福建 三明 366035)

21 世纪以来，随着我国经济的快速发展和对环保领域的日益重视，现代木结构建筑得到了推广，逐渐成为新的热点。 木材是唯一可再生的环境友好型建筑材料，纹理美观，具有温湿度调节好、强重比大、加工性能好、能源消耗低等优点。 木结构建筑抗震性能好、装配方便、舒适友好。 但由于木材是可燃材料，人们会担心木结构建筑的防火性能是否合格可靠。 观念认知上的偏差、我国木结构建筑规范的不完善以及木结构建筑防火性能研究的缺失，都一定程度上造成了木结构建筑在我国推广难、发展速度慢的现状。 近年来，国内外的专家学者们在现代木结构建筑的防火研究中，主要从木材的阻燃处理、构件和节点的防火性能等方面展开，并取得一定的成果。

1 现代木结构建筑防火性能研究进展

1.1 木材的阻燃处理

木材作为可燃材料，通常在作为构件进行使用前进行阻燃处理，以提高其防火性能。 国内外学者主要从阻燃剂、阻燃处理方法和阻燃性能测量方法等方面进行研究。

2004 年，Jacques Michel Njankouo 等[1]采用测试小样本和测试由单一材料制成的建筑元件两种方法，对建筑界应用率较高的热带阔叶材进行耐火性能的炭化率试验，为其建立信息模型数据库，并得出木材密度对炭化率有显著影响的结论。 2020 年，Huizhang Guo 等[2]采用GC/MS 系统分析研究了鸟粪石矿物对木材燃烧行为的影响。 研究结果表明，木材的矿化处理对木材的热分解行为有明显的影响。 它促进了炭层形成，从而减缓热量和氧气的渗透，是一种提高木材耐火性能的整体改性技术。2023 年，Esra Korkmaz 等[3]基于目前木材防火性能研究多是单独分析而未综合考虑各个因素共同影响的现状，提出了一种基于模糊软集的算法来处理这类多因素影响考虑问题的方法。 同时发现了云杉木是最适合火灾高风险地区的木材材料以及山毛榉木材会对处于火灾之中的人造成最大的伤害。

对木材添加阻燃剂是常用的方法，阻燃剂渗入木材之后能在火灾高温条件之下降低木材的热量传递和热分解，一定程度延长了木材的燃烧时间，是一种深入木材的化学试剂处理方法。 直接浸渍相变材料(PCM)进入木材中是常用的一种增加木结构建筑物热质量，降低室内空气温度日变化的方法，但PCM易挥发耗尽且增加了结构可燃性。 2022 年，Xiaochun Hu 等[4]研究了膨胀型阻燃剂(IFR)防火涂料与CaAlCO3层双氢氧化物(LDH) 或蒙脱土(MMT)填料在提高涂料防火性能上的协同作用。 研究结果表明它们提供了更长的耐火时间，降低了比消光面积和热释放。 同时结合密度泛函理论计算发现MMT-IFR 防火涂料改善其防火性能的原因在于硅氮掺杂石墨烯(SiEN-G)结构的化学稳定性提高了炭层的抗氧化性。 此外，有限晶格变形的Sien-G结构形成稳定了炭层的多孔形貌，从而提高了炭层的隔热性能。 Jinhan Lu 等[5]提出一种通用循环浸渍法来制作吸湿性好、耐久耐燃抗真菌的阻燃胶合板，采用2%三聚氰胺(MEL)溶液、15%氨基三甲膦酸(AP)溶液和2%三聚氰胺溶液循环浸渍单板的工艺，通过原位合成不溶于水的MEL 氨基三甲磷酸(MEL-AP)在木结构中制备耐久阻燃胶合板。 研究发现，经此法制作出的胶合板的着火时间明显延长。同时，在木材微孔中沉积的Mel-AP 在热作用下分解成多聚磷酸，促进木材的炭化，在凝聚相中形成光滑的气泡状磷碳结构。 同时释放惰性气体，稀释在气相中木材分解时产生的可燃挥发物，改善了直接浸渍法。

1.2 木结构建筑构件的防火性能

在木结构建筑的防火处理中，除了对所使用的木材采取阻燃措施外，构件的防火设计和研究也是很重要的组成部分。 在轻型框架木结构中常常使用对木构件包裹防火材料的方法以提高木构件整体防火性能，减缓木材部分着火时间。 另外的一种常见思路是通过对较大尺寸木材进行截面设计来保证木材炭化后仍能有一定的结构承载力，这是设计重型木结构常用的方法。 木构件的防火研究多集中在墙体、木梁和木柱等部位上。

木框架结构墙体是轻型木结构的重要组成部分，也是通过构造和组成成分来进行防火设计的典型代表，通常在木构件之间填充保温隔热材料，并在表面包裹防火材料，如石膏板。 2014 年，Dionysios I.Kolaitis 等[6]进行了一次足尺的自然火灾试验，以研究石膏板和木基板作为轻型木框架结构墙体和重木结构构件胶合木的防火板包层的实力。 实验舱采用轻重两种结构组合建造，模拟了真实的火灾场景并采用测量设备记录一系列物理参数。 研究结果表明，在裸露表面和表面附有石膏板的两种情况对比下，石膏板具有较好的防火性能，石膏板在特征失效时间的测量值与欧洲法规5 对比取得良好的一致性。 石膏板(GB)拥有良好的耐火性能被用作木结构建筑中重要的防火材料，但在高温下由于化学结合水的释放导致其开裂和分离。 2021 年，K.Yue等[7]提出了一种在石膏颗粒复合材料中添加胶粘剂的创新制备方法，提出了用这种三聚氰胺-脲醛(MUF)含量为7.6%及更高的创新石膏颗粒复合材料(IGP)可用作承重复合材料。 根据ISO 834 标准对8 种中等尺寸的轻型木结构墙体进行火灾试验，以确定IGP 这种新型材料对墙体耐火性能的影响并与GB 作对比。 研究结果表明，IGP 墙的耐火极限时间比GB 墙提高12.9%，IGP 墙的声誉和在弹性剪切刚度和延性都比GB 要低。 GB 在火灾试验中由于化学结合水的释放，材料中针状晶体的长度趋于缩短，导致高温裂纹。 与GB 相比较，IGP 在相同的火灾试验后的残余形态表现较为完整。 因此，在轻型木结构墙体上，IGP 可以较好地替代GB。

木梁木柱的防火性能是木构件防火研究中的重点部分。 2010 年，李向民等[8]对比试验了四面受火的木柱耐火极限，来探究不一样的荷载水平和有无石膏抹面对木柱火灾性能的影响。 研究表明，试件耐火极限将随持荷水平的提高显著降低。 石膏抹面能显著降低温度上升速率，并能推迟木柱起始炭化时间，降低木柱炭化速率，增加木柱耐火极限。 2011年，许清风等[9]对三面受火木梁开展力学性能对比试验，以期获得木梁在不同受火时间下残余承载力、破坏形态及炭化速度的数据。 把三面受火烧后的木梁断面划分成3 个区域:外层是炭化层，木梁承载力全部丧失；中间是高温分解层，承载力明显劣化；内部是正常层，承载力未受到影响。 研究结果表明，三面受火作用后木梁的初始刚度和残余承载力显著下降。 其中承载力下降主要是由于受火灾后木梁表面炭化导致有效面积减小，与炭化层相近的高温分解层木材强度出现明显劣化。 对石灰膏抹覆的木梁受火后受力性能进行对比研究，分析石膏抹面对木梁火灾性能的影响。 发现有石灰膏抹面的木梁与没有抹面的木梁的破坏形式是相似的，抹面木梁荷载下的应变明显减小，石灰膏抹面能够显著减缓三面受火木梁内部温度上升速度，并有效减小外部火场温度对其产生的负面影响，能够有效地提高其耐火极限。 2013 年，张晋等[10]对国内常见树种木构件进行了四面受火试验及受火后残余受弯承载力试验。 研究表明:经火炭化处理后木梁有效面积减少、边角棱角丧失呈圆弧状分布、炭化层附近高温分解层处木材强度显著劣化；受火木柱在受压破坏过程中四面中心的竖向应变存在一定的差别，具有较为明显偏压特征的防火涂料能有效地减小炭化速度并增加受火后的残余承载力、极限位移和刚度。

2008 年，Mohamed A.Sultan 等[11]探讨了石膏板吊顶饰面保护的轻型木结构楼盖的耐火性能影响因素，采用与ASTM E119 标准相似的ULC 标准火灾暴露时间-温度曲线，对22 个足尺承重木质龙骨楼盖进行了耐火试验。 研究所考察的参数包括石膏板螺钉与板边缘的间距、绝缘安装、绝缘类型、石膏板与弹性通道连接的组件的龙骨间距、龙骨深度、弹性通道安装、弹性通道间距、底板顶部、底板层数和荷载大小对木楼盖防火性能的影响。 木框架楼盖的耐火性能，在只有一层石膏板的组合中，主要由石膏板与板边的螺丝间距和隔热类型决定；在两层石膏板的组合中，由弹性通道间距和石膏板与板边的螺丝间距决定。 2017 年，Guillaume Cueff 等[12]为建立一个模拟木质材料门套耐火试验的热-力模型而提出了一个研究方案，首先进行木质制品火灾降解数值模型的建立和参数研究，再对小型门的热传递和热机械性能进行试验模拟，将数值计算结果和实验数据进行比较。 研究结果表明，木制品未暴露侧的热传递和温度较为符合，面板变形与实验过程中观察到的比较相似，但在火灾期间位移的演变拟合不太好，提出力学模型继续改进的可能性。 2023 年，Shaorun Lin 等[13]提出了一种新的木材预炭化方法，通过慢速热解生成表面均匀而坚固的炭层，并用最小炭层厚度和燃烧预炭化处理过的木材的峰值热释放率来量 化 预 炭 化 木 材 的 防 火 性 能。 Matías Godoy Dellepiani 等[14]进行了由CLT 板和钢梁组成的钢-木复合(STC)结构在火灾下的热力响应试验，以了解这一新型楼盖结构的抗火性能。 采用了计算流体力学(CFD)和有限元法(FEM)的单向耦合方法对三种不同的STC 楼板结构形式进行评估。 研究结果表明，在30 min 的火灾暴露后，CLT 板的暴露表面出现了25 mm 厚的烧焦层。 此外，在CLT 板上部纤维中发现了压缩破坏。 对于钢梁，观察到端支座附近的局部屈曲和断裂。 在不同的STC 楼板结构中，封闭截面钢梁的STC 结构比工字形等开口截面的STC 结构表现出更好的抗火性能。

1.3 木结构建筑节点的防火性能

现代木结构建筑的连接节点有多种连接形式，大多依靠木质或金属连接件，也有将榫接运用于现代木结构的方式。 节点处因其需要开孔开槽，很大程度削弱了该部位的力学性能和防火性能，且木结构节点使用金属连接件更普遍，而火灾高温下，金属件具有很高的传热性能，对温度敏感，容易融化变形，力学性能大大下降。 因此，连接节点是火灾性能设计的关键部位。 近年来，国内外众多学者开展了木材连接节点耐火极限试验研究并取得系列研究成果。

1996 年，Noren 等[15]对不同持荷水平钉接木节点进行抗火试验，结果表明:连接板厚越大，木节点耐火极限越高。 连接板的厚度由28 mm 提高至40 ～45 mm 后耐火极限提高了13.4 ～14.8 min。 欧洲木结构设计规范EN1995-1-2 提出了一种经验方法，即“减载法”，确定一个与火灾暴露时间和连接类型有关的减载系数η 来确定暴露在火灾之下的连接节点的承载能力。 2006 年，Benichou 等[16]在进行木楼盖的整体火灾性能试验中发现当固定用螺钉距离石膏板边缘越远，木楼盖的耐火性能越好。 2010 年，Carsten Erchinger 等[17]为了准确预测多剪切刚-木材插拔连接节点的耐火性能、节点截面的温度分布以及钢构件对木材构件炭化的影响，在大量试验和数值分析后，考虑节点的不同几何形状以及钢构件对截面温度分布的影响，建立了多层受拉钢-木材剪力插拔节点火灾承载力计算的设计模型，与木构件防火设计常用的EN 1995-1-2 中的减截面法相似。2011 年，汝华伟等[18]以胶合木与钢填板螺栓联接抗火性能试验为基础，探讨侧材厚度、螺栓直径、螺栓数量、端距、荷载水平和防火保护措施对联接火灾性能的影响。 2015，张晋等[19]对木板和钢填板螺栓连接的抗火性能进行了实验，并根据试验结果，提出刚夹板和钢填板螺栓连接的耐火极限在持荷载水平增大后会显著下降，在对木质表面进行防火处理后，连接的耐火极限也会显著地改善。

作为木结构建筑的防火薄弱点，节点的防火问题对整体建筑的防火性能有极大的影响。 基于前期的研究成果，木结构节点的火灾性能今后亟需重点研究。

2 木结构建筑防火设计规范研究

中国拥有悠久的木结构建筑历史，但更多集中在古建筑上，近半个世纪以来，由于林业资源缺乏和保护政策的实施，以及混凝土钢结构等建筑形式大规模运用，中国在现代木结构建筑的发展上与国外存在较大的差距，在木结构建筑的防火设计规范上也处于逐渐完善的阶段。

我国所使用的旧版GB 50016-2006《建筑设计防火规范》中缺少对现代木结构建筑的专门章节规定，对木结构建筑的认知和接受程度也比较低，设计规定较为严苛，一定程度制约了木结构的发展。 直到2015 年，新版GB 50016-2014《建筑设计防火规范》[20]新增了"木结构建筑"一章内容，参考结合了国际通行的做法与国内调研试验，更全面具体地规定了木结构防火设计方法，更便于木结构防火设计，有利于木结构在中国的推广应用[21]。 在旧版GB 50016-2006《建筑设计防火规范》中，建筑物的耐火分级是由构成建筑物结构的燃烧性能和耐火极限所决定的，并将其分为四级。 一级耐火能力最好，四级耐火能力最差。 木结构的耐火分级处在三到四之间[22]。 而新版GB 50016-2014 中对木结构建筑的防火评估和规定作出了更细致具体的划分，对不同建筑部件的燃烧性能及耐火极限的要求进行了详细的阐述。 列出了不同建筑构件的燃烧性能和耐火极限规定，对不同类型用途的木结构建筑有具体对应的防火设计准则，在安全疏散、管道电气铺设和防火间距等方面进行了补充。 对比新旧版的建筑设计防火规范，木结构建筑得到更多的关注，有更多针对性的具体的设计要求，在保证安全和合理性的前提下，新版规范降低了对一些指标的硬性规定，更便于木结构防火设计，有利于木结构在中国的推广应用。

加拿大规范中，结构的耐火分级依赖于结构的耐火极限，多次火灾的经验表明，火灾导致人员伤亡和结构材料的燃烧特性并不直接相关，不管是哪类材料，只要在规定的耐火分级中就能渡过危险。 也就是说，应仅关注建筑部件的耐火极限，而忽略其可燃性。 在国外的设计实践中，引入了1 h 防火极限概念，在60 min 的试验阶段，每个部件都要能够承受住其荷载。 若能达到要求，就是合格的1 h 防火极限构件。 同时，各部件的全部连接都要具有同样的能力。1 h 防火技术已经在木质部件的试验和ASTME-199火灾试验中被验证[22]。

3 结论与展望

木材资源可再生、绿色节能，作为建筑材料对环境和人体都十分友好。 发展至今，现代木结构建筑的研究也越来越深入，尤其在防火设计这一重要环节上，国内外学者展开了更深入细致的探索研究。中国将木材用作建筑结构材料拥有悠久的历史，但在现代木结构建筑的掌握上处于比较浅的阶段。 近年来国内学者、行业研究者也逐步开始对木结构建筑尤其防火性能展开了学习研究，但与国际先进水平仍有一段距离。 结合目前现代木结构建筑防火性能研究现状和我国的木结构特征，提出以下可以使木结构建筑防火性能有更多发展的主要措施。

(1)目前国内外学者对木结构防火性能的研究多集中在木构件等这类局部的领域，对木结构整体结构的防火性能研究较少，所以从不同的布置方式、构件组合、结构形式、防火措施、房屋整体层面限制火灾蔓延、如何评估整体房屋组合效应等方面可以展开更多的探讨和深入研究。

(2)对木结构建筑的防火研究多集中在燃烧过程中的火灾特性，然而火灾对人的生命造成威胁的一个重要因素在于火灾过程中产生的混合浓烟雾，建议多从此方面研究木结构建筑火灾所产生气体烟雾的特性，并讨论研究能有效改善烟气产生情况的措施。

(3)近年来胶合木等大型木结构形式的出现给建筑形式和规模带来了更多的可能性，目前重型木结构领域的规范不够完善。 建议完善国内木结构建筑防火设计规范，更多地展开对胶合木结构等重型木结构和大型木结构建筑的防火性能研究。

(4)建立我国木结构建筑常用树种的燃烧性能数据库，有利于进行防火研究和设计的推进。