談建筑鋼結構中的防火設計

郭 可

(太原市建筑設計研究院，山西太原 030002)

0 引言

眾所周知，建筑鋼結構具有自重輕、強度高、韌性好、工期短、施工污染小等自身優點。近年來，隨著我國國民經濟迅速發展，鋼材總產量大幅提高，建筑業對現代建筑提出了越來越廣、越來越高的設計要求，鋼結構得到了越來越廣泛的應用。

然而，鋼結構構件耐火極限低，耐火性能差。與其具有的優點相比，其缺點同樣明顯。鋼結構設計中，結構工程師往往僅關注于鋼材的受力優勢，而忽視了防火的相關設計，給建筑物在實際使用過程中帶來了安全隱患。近年來，美國“9·11”以及央視新址等火災事件已經給建筑鋼結構的設計敲響了警鐘。

1 建筑鋼結構防火設計的必要性

鋼材通常在450℃～650℃溫度中就會失去承載能力，發生很大的形變，導致鋼柱、鋼梁彎曲，結果不能繼續使用。一般不加保護的鋼構件的耐火極限僅為15 min左右。采取有效的防火保護，可減輕火災對鋼結構的破壞，延遲鋼結構達到臨界溫度的過程，為人員疏散和消防滅火爭取了寶貴時間，很大程度避免了人員傷亡和財產損失。

建筑鋼結構設計中，結構工程師常常忽視防火設計，隨意套用幾個設計說明，不能做到下功夫去了解防護原理和措施，沒有認識到鋼結構防火設計的重要性，這樣做的結果將大大降低結構設計的安全性和可靠性。GB 50017-2003鋼結構設計規范已明確對防護和隔熱提出了要求。結構工程師應嚴格遵照規范的相關規定，做好建筑鋼結構的防火設計。

2 建筑鋼結構防火保護措施

要做好鋼結構的防火設計，首先應當了解目前較為常用的鋼結構防火方法，從而在設計中做到措施得當，心中有數。鋼結構的防火措施多種多樣，要根據防護部位、建筑要求、防護材料可靠性以及施工成本等因素采取不同方法，總體來說可將防火方法歸為噴射防火涂料法、外包耐火保護層法、屏蔽法及水噴淋法等方式。

噴涂防火涂料施工簡便，且不受幾何形狀及部位的限制，應用最為廣泛。據統計，防火涂料在90%的鋼結構工程中發揮著重要作用。外包耐火保護層法通常采用混凝土、防火板等材料作為耐火保護層，受到鋼材幾何形狀及部位等因素的影響，且占用了較多的建筑室內空間，因此外包法應用范圍受到很大限制。

屏蔽法通常用于鋼屋蓋的防火，通過屋蓋下的耐火吊頂來延緩下部火災造成鋼屋蓋的升溫。水噴淋法是在結構頂部設噴淋供水網，火災中，自動啟動噴水至鋼構件表面，阻隔火災帶來的升溫，該法作為建筑防火的輔助措施由設備工程師確定，并與其他防火方法共同起到防火保護的作用。現將這些方法列表見表1，以供設計參考。

表1 各種防火措施的特點比較

這些方法形式雖然不同，但其工作原理一致，就是要截斷和阻滯火災產生的熱流量向構件的傳輸，使鋼構件在規定時間內升溫不超過臨界溫度，從而起到防護的作用。

3 建筑鋼結構防火設計

針對目前建筑鋼結構防火絕大多數以噴涂防火涂料為主，本文主要研究防火涂料的設計。

3．1 鋼構件耐火極限的確定

建筑師應根據建筑物功能、重要性、類別、層數及建筑部位等因素確定建筑物的耐火等級。結構工程師根據建筑物的耐火等級，依據《建筑設計防火規范》《高層民用建筑設計防火規范》確定鋼構件的耐火時限。建筑物耐火等級所要求的承重鋼構件耐火時限見表2。

表2 鋼構件的耐火時限 h

3．2 防火涂料的選擇

鋼結構防火涂料根據涂層的厚度可分為超薄型、薄型和厚涂型三種，結構設計師可會同建筑師根據耐火極限、適用部位以及裝飾要求等依照表3確定涂料的種類。

表3 防火涂料的類別

3．3 涂層厚度的選擇

防火涂料是依靠涂層的厚度來保證規定的耐火極限的。依據CECS 24∶90鋼結構防火涂料應用技術規范，涂層的厚度可按以下方法確定:

1)直接選擇有代表性的型鋼作防火涂料耐火試驗，根據實測的耐火極限確定待噴涂層的厚度。本法適用于所有類型的防火涂料。2)根據標準件防火涂料耐火試驗數據，倒算出不同規格鋼構件的同種防火涂料涂層的厚度。本法適用于厚型防火涂料。倒算公式如下:

其中，T1為待噴防火涂層的厚度，mm;T2為標準件達到規定耐火極限時的耐火試驗涂層厚度，mm;W1為待噴鋼材的質量，kg/m;W2為耐火試驗中標準件鋼材的質量，kg/m;D1為待噴型鋼防火涂層接觸面周長，mm;D2為標準件型鋼防火涂層接觸面周長，mm;K 為系數，鋼梁取1，鋼柱取1．25。

其中 W1/D1≥22，T1≥9 mm，耐火極限不小于1 h。

舉例說明:某鋼結構建筑耐火等級一級，其中某根鋼梁斷面為H500×200×10×16，擬選用厚型防火涂料防火，現要求確定其涂層厚度(標準件斷面HM300×200，耐火極限達到2 h，耐火試驗中選用的厚型防火涂料涂層厚度為10 mm)。

首先可以根據上述信息，依據表2，確定待噴鋼梁的耐火極限為2 h。W1=89．6 kg/m，D1=1 780 mm，W2=57．3 kg/m，D2=1 384 mm，代入公式得到T1=7．4 mm，所以待噴涂層厚度確定為9 mm。

3．4 防火設計中的注意事項

1)噴涂防火涂料之前，應根據鋼結構的防腐蝕要求做好表面除銹工作，并噴涂底漆。底漆不應與防火涂料產生化學反應。如防火涂料同時具有防腐蝕功能并能達到相關規范要求，可除銹后直接噴涂。

2)設計說明中應注明“防火涂料必須有國家檢測機構的耐火性能檢測報告和消防監督機關頒發的生產許可證，方可選用。”

3)當結構可能受到熾熱融化金屬的侵害時，應采用磚和耐熱材料做成的隔熱層加以保護;當結構的表面長期受輻射熱達到150℃以上或在短時間內可能受到火焰作用時，應采取有效的防火措施(如加隔熱層或水套等)。

4)重要的鋼柱應采用厚涂型防火涂料，其節點部位宜加厚處理。當防火涂料粘結強度不大于0．05 MPa時，涂層內應設置與鋼構件相連的鋼絲網。

5)承重鋼梁構件采用厚涂型防火涂料時，其重要節點部位宜加厚處理。當防火涂料粘結強度不大于0．05 MPa時，涂層內應設置與鋼構件相連的鋼絲網;受振動作用的梁，涂層內應設置與鋼構件相連的鋼絲網;涂層厚度不小于40 mm的梁，涂層內應設置與鋼構件相連的鋼絲網;梁腹板高度超過1．5 m時，涂層內應設置與鋼構件相連的鋼絲網。

6)屋蓋鋼結構，為方便噴涂防火涂料，宜采用實腹式截面，不宜采用雙角鋼或雙槽鋼組合帶節點板的斷面。

7)室內隱蔽鋼結構，高層全鋼結構及多層廠房鋼結構，當規定其耐火極限在2 h及以上時，應選用厚涂型防火涂料。

4 結語

近年來，頻繁的火災事故一次次地警示著廣大建筑從業人員:“堅韌”的鋼結構也有“脆弱”的一面。通過總結經驗和吸取教訓，我們越來越直觀、越來越清晰的認識到建筑鋼結構防火保護的必要性和重要性。因此，鋼結構項目承建各方應加強溝通并達成共識，將防火保護作為一項重要工作來抓，并做到相互監督、相互提醒。

鋼結構防火設計作為項目中先行和關鍵環節，直接關系到建筑物在后期使用中的安全性和可靠性。這就要求廣大設計人員充分了解建筑物的特點，熟知防火保護措施和設計原理。在此基礎上遵照相關規范的具體要求，將最為合理且高效的防火設計呈現于“藍圖”。

［1］GB 50017-2003，鋼結構設計規范［S］．

［2］GB 50016-2006，建筑設計防火規范［S］．

［3］GB 50045-95，高層民用建筑設計防火規范［S］．

［4］CECS 24∶90，鋼結構防火涂料應用技術規范［S］．

［5］王松巖，焦 紅．鋼結構設計與應用實例［M］．北京:中國建筑工業出版社，2007．