建筑钢结构防火设计关键技术与应用

摘要：钢结构在现代建筑和工业领域中得到了广泛应用，然而，其在火灾中的脆弱性使得防火问题成为至关重要的研究课题。现全面阐述钢结构防火技术的性能特点、应用现状，并展望其未来的发展趋势，为钢结构防火技术的进一步发展和应用提供参考。

关键词：钢结构；火灾脆弱性；防火性能

中图分类号：TU892 文献标识码：A 文章编号：2096-1227（2024）08-0113-03

钢结构凭借其高强度、轻重量、施工进度快等显著优势，在建筑工程、桥梁建设、工业厂房等领域获得了广泛的应用。然而，钢材在高温环境下的力学性能会急剧下降，这一特性使得钢结构在火灾发生时面临极大的安全隐患。无保护的钢结构构件仅需15min即可达到500℃左右的高温，此时钢材强度衰退至常温下的零值，随后其强度、刚度等力学性能随温度的持续升高而快速衰退，因此，为确保建筑钢结构达到设计耐火极限，采取有效的防火保护措施极其重要。

1 钢结构的火灾特性

钢结构的耐火性能相对较弱，因其热传导系数较高，导致火灾中钢构件升温较快，钢材强度随温度升高而迅速降低，进而影响钢结构的整体承载能力。当发生火灾时，在高温作用下，钢材的强度、塑性、硬度等力学性能均会发生显著的变化。

1.1 强度变化

随着温度的升高，钢材的强度呈现出逐步减弱的趋势。在温度较低时，即0～250℃之间，钢材的强度基本保持稳定，甚至在接近250℃时还会略有增强。然而，一旦温度超过300℃，钢材的强度便开始显著下降。达到500℃时，其强度降至原来强度的1/2；到600℃时，强度更是锐减至原来的1/6至1/7之间。这种强度降低的主要原因是，高温导致钢材晶粒的长大和晶粒界面的移动，使得金属整体强度减弱。同时，高温还激发了钢材内部的扩散、恢复和再结晶等现象，进一步削弱了钢材的强度。

1.2 塑性变化

当温度升高时，钢材的塑性会发生改变。在较低的温度范围内，钢材的塑性变化相对较小。然而，随着温度的持续上升，钢材的塑性逐渐增强。如在250℃左右时钢材会出现蓝脆现象，此时塑性有所下降。一旦温度持续升高，超过这一范围后，塑性又会显著上升。这是因为高温使得钢材内部的原子活动能力增强，位错移动更加容易，从而提高了钢材的塑性变形能力。

1.3 硬度变化

温度对钢材硬度的影响较为复杂。一般来说，随着温度的升高，钢材的硬度通常会逐渐降低。在低温阶段，硬度变化相对较小。当温度超过一定值后，如300℃以上，硬度下降速度加快，主要是高温促使钢材内部组织结构发生改变，如马氏体分解、碳化物的转变和聚集等，导致硬度降低。然而，对于含碳量较高的钢材，在100℃左右回火时，硬度可能会略有升高，这是由于马氏体中碳原子的偏聚及ε-碳化物析出引起的弥散硬化所致。

综上，高温下钢材的物理和力学变化，使得钢结构在火灾中容易发生变形、失稳，甚至坍塌。因此，为了避免建筑中钢结构的火灾危险，需对钢结构进行科学的防火设计，并采取可靠、安全、成本合理的防火保护措施。

2 钢结构防火技术分类

2.1 防火涂料

2.1.1 厚型防火涂料

厚型防火涂料通常由无机绝热材料组成，如蛭石、珍珠岩等，涂层厚度较大，一般在7～45mm之间。其防火原理主要是通过自身的低导热性和多孔结构，阻隔热量向钢结构传递，从而延缓钢结构的升温速度。厚型防火涂料具有隔热性能好、耐火极限高的优点，通常可达2.0～3.0h，甚至更长，且耐久性较好，能在一定年限内保持稳定的防火性能，对钢结构的附着力强。然而，施工难度较大，需要多次涂抹，增加了施工周期，同时，涂层自重大，会增加钢结构的负担，影响外观。常适用于对耐火极限要求较高的大型钢结构建筑，如高层钢结构建筑、甲乙类工业厂房等。

2.1.2 薄型防火涂料

薄型防火涂料以有机树脂为基料，添加膨胀阻燃剂等成分，涂层厚度一般在3～7mm之间。其防火机理在于，一旦发生火灾，涂层能够迅速膨胀，形成紧密的隔热炭层，阻断热量的传递。薄型防火涂料具有施工方便的优点，仅需一次或两次涂抹作业即可完成，且装饰性较好，颜色选择多样，对钢结构的重量增加较小。然而，薄型防火涂料也存在一定的局限性，其耐火极限相对较低，一般仅为1.5～2.0h之间，耐久性有待提高，易受环境因素影响。常用于中、小型钢结构建筑，如多层钢结构办公楼、小型工业厂房等。

2.1.3 超薄型防火涂料

超薄型防火涂料涂层厚度小于3mm，具有优异的理化性能和防火性能。该涂料采用高效的膨胀阻燃体系，确保在火灾中迅速膨胀形成厚实的隔热层。超薄型防火涂料具有施工简便、干燥快的优点，通常数小时即可干燥，且装饰性好，涂层表面光滑平整，能够保持钢结构的美观。值得注意的是，其耐火极限相对较短，一般在1.0～1.5h之间，因价格较高，在一定程度上增加了项目的建设成本。适用于对装饰要求较高、耐火极限要求适中的钢结构建筑，如商场、展览馆、美术馆等。

2.2 防火板材

防火板材通常由硅酸钙板、蛭石板等无机材料制成，通过将防火板材固定在钢结构表面，形成隔热保护层，阻止热量向钢结构内部传递。以某工业厂房的钢结构屋顶为例，采用防火板材进行保护后，即便周边发生火灾，也能显著保护钢结构的完整、安全。防火板材的优点为耐火性能好、耐火极限高。然而，防火板材的安装工艺复杂，需由专业人员施工，增加了建筑成本，且可能增加钢结构的自重。一般适用于对防火性能及外观要求较高的钢结构建筑，如机场航站楼、体育馆等。

目前，防火板材领域正持续进行技术创新与研发，不断探索新型无机材料及复合材料的应用，旨在进一步提高防火板材的抗压强度、抗折强度、隔热性能等关键指标。同时，也有各种研究，以提高防火板材的安装技术，改进优化防火板材的安装工艺，提高安装效率和质量，降低安装成本。

2.3 水冷却系统

水冷却系统通过在钢结构内部设置循环水管，利用水的高比热容吸收热量，降低钢结构的温度。水冷却系统的防火效果显著，能够迅速降低钢结构的温度，也可根据火场情况灵活调节冷却效果，但该系统结构复杂，安装和维护成本较高，为确保系统的有效运行，对建筑的给排水系统设计提出了较高要求[1]。一般用于对防火要求极高的特殊钢结构建筑，如核电站、大型石化工厂等。

3 钢结构防火技术的应用

以某高频高速碳氢树脂产业化项目生产车间为例，火灾危险性类别为甲类，采用门钢结构结合镀铝锌金属压型屋面板与镀铝锌金属压型钢墙板设计方案，耐火等级一级，防火墙不燃性要求≥4.0h，柱不燃性要求≥3.0h，梁不燃性要求≥2.0h，一级耐火要求的甲类车间危险性高，防火防爆的要求高于一般项目，经过对项目的研判，采用钢柱和钢梁先刷2.5h防火涂料再侧包3.0h防火板的技术方案，防火墙则采用双层钢板防爆墙，以达到防火防爆要求。以GB51249—2017《建筑钢结构防火技术规范》临界温度法为依据，在设计耐火极限时间内，火灾下钢结构构件的最高温度不应高于其临界温度。基于以上原理，使用PKPM钢结构设计软件进行防火涂料涂层厚度计算。

该案例防火涂料类型为非膨胀型，热传导系数为0.10W/（m·℃），密度为680.0kg/m³，比热容为100J/（kg·℃）。经计算后，部分钢柱涂层厚度为35.45mm，等效热阻0.3545m2·℃/W，部分钢梁涂层厚度18.21mm，等效热阻0.1821m2·℃/W。

同时，该案例还采用了以硅酸盐板为基材的防火板，经国家防火建筑材料质量检验检测中心（NFTC）检测，该基材在93mm时耐火性能达到180min。该防火板在实验过程中的耐火性能测试见表1

此案例采用多种防火技术，将防火涂料与防火板材相结合，在钢柱中采用35.45mm厚防火涂料再包覆93mm厚硅酸盐防火板，既满足了耐火时间要求，又达到业主要求建筑美观的意见，充分发挥了不同材料的优势[2]。

4 钢结构防火技术的发展趋势

4.1 新型防火材料的研发

基于各行业对防火材料的高需求，材料生产厂家不断致力于各类新型防火材料研发中。高性能纳米防火材料为钢结构防火材料的创新开辟了新的途径。纳米级防火添加剂可以均匀分散于涂料或板材中，可显著提升其防火性能。例如，纳米氢氧化镁、纳米二氧化硅等材料，因其优异的阻燃和隔热性能而备受瞩目。智能相变材料能够根据温度的变化自动发生相变，在火灾发生时迅速吸收大量热量，从而有效保护钢结构等设施。相变材料包括石蜡、脂肪酸等有机物，有望在未来得到更广泛的应用。陶瓷基复合材料，其在超过1500℃的高温下，仍能保持良好的机械性能和防火效果，这类材料在航空航天领域的发动机部件防火、核电站的关键设施防护等方面发挥着重要作用。随着技术的不断进步，高耐火性能的材料将在更多普通建筑和工业设施中得到应用。

4.2 智能化火灾监测与预警系统

基于计算机技术的不断发展，各类智能化防火系统也在不断研发与更新，部分计算机火灾监测与预警系统已能达到以下要求：

4.2.1 实时温度监测

利用先进的传感器技术，如光纤传感器、红外传感器等，对钢结构的温度进行实时监测。这些传感器可以安装在钢结构的关键部位，可将温度数据传输到监控中心，实现远程监测。

4.2.2 火灾预警与自动灭火

结合人工智能和大数据分析技术，构建一套火灾预警模型，一旦监测到异常温度升高或其他火灾迹象，立即进行分析，并发出预警信号，自动触发相应的应急响应机制，包括但不限于启动细水雾灭火系统、泡沫灭火系统等自动灭火装置，将火灾消灭在萌芽状态。

4.3 优化防火设计

在防火设计中，积极采用协同设计理念，将防火需要与结构设计、建筑设计紧密结合，综合考虑建筑的整体布局、结构形式、材料选择等多方面因素，提升钢结构的耐火性能。例如，合理规划防火分区，确保火灾时能够有效控制火势蔓延；设计清晰、便捷的疏散通道，保障人员安全撤离。

4.4 多学科融合研究与发展

4.4.1 材料科学与消防工程的融合

通过促进材料科学家和消防工程师的紧密合作，深入探索防火材料的微观结构与其防火性能之间的内在联系，为创新设计并开发出具有更高耐火极限、更优隔热性能的新型防火材料提供理论基础。

4.4.2 信息技术与防火技术的结合

借助物联网（IoT）、云计算等信息技术，实现钢结构防火系统的全面智能化升级，通过构建智能监测网络，实时采集并分析防火系统的运行状态及环境参数，实现远程监控、故障预警及自动维护等功能，提高防火系统的响应速度及可靠性。

5 结束语

钢结构防火技术的研究对于确保钢结构建筑的安全具有至关重要的意义。目前，各类钢结构防火技术正处于不断发展和完善中，未来，应进一步加强对防火材料性能的探索，力求在提升其耐久性、环保性和适用性的同时，降低其成本，增强其实用价值。通过持续研究与创新，有望为钢结构建筑提供更加坚实、智能、高效的防火保障，为其在各类建筑领域中的广泛应用奠定坚实基础。

参考文献

[1]张佳利.建筑钢结构防火技术规范理解与软件应用[J].建筑结构，2022，52（S1）：1278-1281.

[2]宋谦益.建筑钢结构防火设计规范及要点[J].建筑结构，2020，50（24）：1-10.