钢结构建筑防火设计中性能设计方法的应用分析

王雪松

摘要：为满足社会需求，建筑业不断发展，钢结构建筑数量增多，为达到建筑防火等级，性能设计方法受到关注。现以某建筑为例，分析性能设计的应用方法，借此提升钢结构建筑防火合理性，为同类建筑防火设计提供有益参考。

关键词：建筑防火；钢结构；性能设计；应用策略

中图分类号：TU998.1      文献标识码：A       文章编号：2096-1227（2024）02-0103-04

目前，现代化建筑样式不断增多，传统的建筑防火思路显然存在滞后性，无法满足现代建筑有效防火的需求。在各领域的探索下，一种新的钢结构防火设计理念形成。实践证明，性能设计实践性较强，该方法的现世为钢结构建筑防火提供了更多优质保障，防火设计更具科学性。性能设计是一种较新的防火设计方法，主要是利用火灾科学和消防知识建立设计指标，基于对火灾风险的有效评估，通过合理的预警方式，消除建筑的火灾风险，提高建筑使用安全性。

1 性能防火设计的概念和必要性

1.1  性能防火设计的概念

性能设计方法属于科学的建筑防火设计手段，需要建立在消防安全工程相关知识的基础上，运用消防安全工程学作为核心知识体系，同时结合建筑物特点和内部可燃物的特征实施全面剖析，系统评估建筑火灾危险性，并进行定量预测，在综合技术保障下制定等级较强以及效果合理的防火设计方案。总而言之，性能设计实践过程中，为达到理想的效果，要利用各种火灾知识，同时融合防护工程理论内容去建立设计指标，在指标的指引下不断优化设计方案，与此同时分析火灾隐患，掌握火灾场景需要的参数[1]。通过高效的性能设计，保障建筑消防安全，合理强化建筑使用性能。

1.2  性能防火设计的必要性

建筑性能防火设计是高效的建筑防火安全措施，其应用具有必要性。

从科技的角度讲，不断优化建筑防火设计，可改善建筑防火性能。性能防火较多凭借的是技术手段，借助精准的火勢预测，记录下火灾数据，同时合理完善防火设计，提升建筑防火等级。严格设计火灾事故的关键部件，合理满足防范火灾的要求，降低建筑使用风险。

从设计规范而言，该种设计方法利用的是消防工程学原理知识，合理保障建筑防火的规范性，从而强化防火设计效果。人员需从全局出发，结合建筑物实用功能，合理参照整体结构特征以及相关的建筑物整体耐火性，实施全方位的预测分析，及时发现火灾隐患。同时，为防火设计优化提供重要参考。

在实际的操作中，想要发挥性能防火设计优势，需从以下方向推进：①结合建筑的使用功能，制定清晰的建筑防火目标，确保设计目标的明确。同时，实施针对性量化分析，对火灾隐患全面掌握。②遵循钢结构建筑状况，合理评估建筑内部的布局，科学设计疏散路线。③按照消防安全的规定，建筑防火设计中对防火效果实施评估，通过科学、全面评估，逐级完善设计内容。

目前，建筑类型增多，建筑防火难度升级，为保障安全的居住环境，在建筑防火体系中应用性能防火设计已经成为必然。虽然不是每个建筑物均可以借助性能化方法来确保防火设计质量的提升，但性能防火在钢结构建筑中还是有一定优势的。截至目前，我国高性能化防火设计成果显著，得到了普遍推广，但由于起步晚，所以性能防火设计还有待完善。存在着研究底子薄弱以及设计不具系统性的问题，技术难题有待攻克。新时期，需提高防火设计水平，利用高质量的性能设计，强化建筑防火效果，提高建筑安全性和建筑防火科技性。

2 钢结构建筑的优缺点和防火设计面临的挑战

2.1  钢结构建筑的优缺点

随着钢材的广泛运用，目前整体建筑施工中出现了新的建设方式，这种以钢结构为主的建筑施工框架优点较多，夯实了钢结构建筑的基础地位。结合现实经验可知，钢结构建筑优势鲜明，主要体现在：①构件加工时间短，施工便捷性较高。②钢构件建筑施工灵活，这是其他建筑形态不具备的，对环境的压力小，属于环境友好型的建筑结构。③可使用的容积较大。上述是钢结构建筑普遍存在的原因，但其缺点同样明显，结构耐燃性不高，造成结构使用中风险较大。研究发现，当温度高于600℃时，由于钢结构表面被炙烤，会让建筑结构构件发生质的变化，影响结构耐久性。在剧烈的高温下，钢材的坚硬程度会弱化，结构性能也会不断受损，从而出现质的改变。值得注意的是，应用钢结构的项目中如果火灾炙烤超过15min，还要合理规避结构熔化风险。基于此，钢构件建筑施工时，要科学探究防火举措，避免建筑受到威胁，不断降低火灾风险。

2.2  防火设计面临的挑战

通过上文分析可知，钢结构建筑的特征明显，有体积大、结构复杂的特征，通常在购物中心、火车站等项目施工中会应用到此类结构。此类建筑占地面积大，在实施防火设计时难度较高，需借助性能设计方法，改善钢结构建筑防火性能，确保建筑达到防火目的。钢结构建筑防火设计面临的挑战可总结为：①防火区域难以精准划分。结合我国建筑防火的设计要求，建筑平面应该采用优质的防火墙或增添一定数量的防火卷帘，提高建筑防火性[2]。这种应用高质量防火材料的方法，虽然可规避火势扩大，但整体防火能力有限。建筑的功能不同，其防火设计也要尊重一定的差异性，在实施防火设计时需综合考虑多种要素，结合工程的实际情况，选用科学的性能防火，借助仿真的火灾模拟实验，找出最佳的建筑防火方式，提升建筑防火合理性。②防火方式较为固定。随着钢结构的普及，其防火设计方法有很多，其中防火喷涂成为较为重要的手段。结合行业防火规定，在实施防火设计时需考虑建筑自身情况，保障各个钢构件承重力，同时科学评估构件的防火能力，提升建筑安全等级。施工方还要严控使用涂料的耐燃性，落实好耐燃能力的测试。从现实经验了解到，传统防火方式存在两方面的隐患：①灭火设施建设不全面。②防火保护方法没有检测方法作为支撑。综上可以看出，钢结构建筑防火要求严格，需站在科学角度分析建筑的综合防火性能，考察钢结构建筑情况，借助力学计算方式，安全提升整体防火性能。

3 性能设计的具体运用

3.1  性能设计的三要素

性能规范。性能规范的作用显著，具体应用中是制定防火安全等级的指导目标。性能规范的制定想要取得理想的效果，必须有配套科研项目的支撑。

技术指南。技术指南原则上是与性能规范相配套的，属于成熟的性能设计技术指导方案，需要科学评估建筑消防系统有效性，在此基础上获得性能参数的取值范围。

评估模型。性能设计中评估模型是不可或缺的，起到基础保障作用。该评估模型主要建立在计算模型、实验和概率分析前提下，可预测建筑防火的实际效果，同时模拟建筑防火的场景，实现既定的性能目标。目前在所应用的评估模型当中，有两类模型是受到认可的，一种是区域模型，还有一种是场模型。区域模型应用形式较为特殊，会把建筑房间分为不同的控制体，除了上部热烟气层之外，还有房间的下部冷空气层。以CFAST模型为例，CFAST模型在使用中可以用来预测用户所处的安全环境，设定建筑内火灾环境（火源条件下的）。场模型也称作CFD，可借助数学方法预测流体流动和相关化学反应。现实应用中，FLUENT和FDS软件是主要代表。

性能设计的基本步骤如下：首先，确定性能设计核心内容和工程参数。其次，确定消防整体目标。再次，確定火灾场景。最后，提出和评估设计方案。

3.2  火灾场景设计

首先，火灾情景设计属于性能设计实施步骤中的重点内容，为确保场景设计的质量，应结合建筑的基本情况，重点分析建筑内部可燃物数量和这些可燃物的类型，做好现场火灾蔓延趋势分析等工作。在模型功能作用下识别建筑物和损失，确保火灾的影响面最小。其次，借助科学的计算手法，评估火灾中火势的蔓延等级，掌握火势可能性分布。重点内容在于科学分析热力传播阶段所形成的周边环境损害，确保建筑防火设计规范性、合理性。最后，火灾现场情景科学设置时，为强化效果要结合钢结构实际情况，设置中充分考虑火灾爆发的来源，同时兼顾扑救的进度等，确保性能防火方法的有效性。

3.3  火灾烟气流动设计

在性能设计模型的构建中，火灾烟气流动设计至关重要，需采用区域模拟同时辅助户空间模拟的方法完成设计内容。

区域模拟。在空间结构大的区域，需实施区域模拟策略。基于性能设计的钢结构建筑防火方案有极高的灵活性。现实工作中，采取区域分区的模式，能够控制灾害的发生，降低火灾的发生率，强化火灾的预防效果。防火分区设计至关重要，在材料的选择上要偏向于有极高防火属性的材料，科学实现火灾隔离。结合现实经验可知，防火分区的目的明确，主要操作原理是借助建筑空间的不同分区，设置专用的排烟设施，提升防火的针对性和有效性。在设施的辅助下，强化阻止火势蔓延的效果[3]。例如：可设置喷淋实验装置（小空间中），或者使用水炮灭火系统（大空间中），保障消防效果合理性。合理的防火分区可科学抑制火势蔓延，同时减少周边区域的危害，提高防火设计质量。

空间模拟。发生火灾时，空间温度的改变会导致空间气体的流动。基于此，在实施性能设计期间，需借助空间模拟的方法，结合气体转移的方向，对火灾发生位置准确定位，从而判断火灾蔓延趋势，为火灾救援提供参考，借此降低火灾的损失。

3.4  人员安全疏散设计

火灾发生后，关键是保障人员安全，因此设计人员疏散路线是非常重要的内容，不容忽视。结合实践经验可知，利用性能化防火设计，可弥补传统火灾救援方式的不足，能够合理计算逃生通道的选择，同时对人员疏散情况有效分析，确保人员在不同区域内可以安全逃生，提升逃生疏散路径设计的合理性。借助性能设计理念，降低火灾发生时建筑内部人员的威胁，从而减轻搜救人员的心理负担。

3.5  结构耐燃性能设计

站在建筑安全角度和稳定性层面分析，利用性能设计强化建筑防火效果优势显著，其特别之处是可系统完成钢构件的整体性能剖析，在此前提下制定行之有效的防火方案，从而保障着火状态下建筑物的耐久性，合理规避坍塌的风险[4]。基于此，现实建筑防火设计中，为达到理想的效果，需要对钢结构建筑实施综合性评价，做好火灾风险评估，从而科学把控火灾的发展规模。与此同时，做好相应的消防措施，合理保障火灾时钢结构建筑物的整体状态，避免其受到严重威胁，产生巨大经济损失。

4 案例分析

某建筑施工规模较大，建筑分上下两层，中间有一个大中庭可以和高层相连。建筑部分采用钢结构框架，中庭上部被设计成了钢构采光顶，此外中庭四周有5m宽的走廊。经实际测量，屋顶的最高和最低处距地面分别有50m和40m。

4.1  最不利火灾场景选择

结合钢结构性能设计的指导思路，该建筑的防火设计需要参考建筑物的情况，统计有效的数据，同时对火灾规模、性质等实施科学分析，掌握最危险情况，为火灾救援提供保障。依据不同燃料的放热率，在模型下计算出最不利的火场信息。本案例中，建筑中庭的主要火源威胁来自下厅商铺的垃圾桶。在综合分析了结构图之后发现，上部廊道的焦点在各种廊道火灾中是距钢结构建筑距离最短的，火灾一旦发生，会直接威胁钢结构。

4.2  构件温度分析

首先，计算烟到达钢结构的温度（最不利火灾情况下），从而判断出钢结构遭遇的威胁，合理分析烟羽的温度是否已经达到结构安全性的临界温度。其次，选择最佳防火措施，确保建筑安全性。根据（下转第134页）（上接第105页）计算结果可知，烟羽中心温度为87℃，该温度较低，低于200℃钢临界温度。在此基础上可判断钢屋盖是安全的，结构施工中无需额外的防火措施。但如果烟羽中心温度较高，已经趋于200℃钢临界温度，此时可选择追加钢材保护层的方法，保护钢结构不受影响[5]。现实中，可在建筑钢材上喷涂一层保护膜，借此达到隔离高温的效果，保障钢材的耐火属性。

5 结束语

综上所述，对于钢结构建筑来说，性能设计方法作用显著，可起到良好防火作用。与传统规范设计相比，这种最新的性能防火设计适用范围更广，可根据不同的功能区实施防火测算和研究，同时精准将人员安全撤离，借此降低事故威胁。钢结构建筑中广泛应用性能设计方法，可确保钢结构建筑的可持续发展，提高钢结构设计安全性。

参考文献

[1]朱世伟.性能设计方法在钢结构建筑防火设计中的应用[J].消防界（电子版），2022，8（19）：62-64.

[2]陈凯.性能设计方法在钢结构建筑防火设计中的应用研究[J].中国建筑金属结构，2021，478（10）：46-47.

[3]匡文杰.大跨度钢结构建筑防火设计分析[J].中国建筑金属结构，2021，475（7）：44-45.

[4]李超.预制装配式钢结构建筑设计的相关问题研究[J].科技与创新，2020，162（18）：95-96.

[5]时靖.Z型隐藏梁及结构防火设计在装配式钢结构建筑中的应用[J].住宅与房地产，2020，570（11）：25-27.