工業建筑設計中應注意的問題

黃 明

(昆明有色冶金設計研究院股份公司，云南 昆明 650051)

0 引 言

工業建筑是指供人們從事各類生產活動的建筑物和構筑物，主要由生產廠房和生產輔助用房組成，其中生產輔助用房包括倉庫、公用輔助用房、構筑物等。工業建筑種類繁多，例如鋼鐵業冶煉廠建筑、石油化工廠建筑、有色冶金工業建筑、煙花爆竹廠建筑、水泥建材廠建筑、藥廠建筑、紡織廠建筑等等，不勝枚舉。這些建筑從生產的原材料、生產工藝到最終產品都千差萬別，這也導致了服務于這些生產活動的建筑各式各樣，甚至同一類廠房的設計理念和建筑形態，也會因為工藝布置、設備選型、場地條件、結構型式、氣候條件、建筑材料等的不同而存在明顯差異。從事這些建筑設計的設計人員在設計過程中遇到的問題也各不相同，而有些問題容易被忽略或者認識不清晰。

1 廠房火災危險性分類的問題

生產的火災危險性分類在相關工業建筑設計規范中都是重點闡述的，如《建筑設計防火規范》《有色金屬工程設計防火規范》《火力發電廠與變電設計防火規范》《鋼鐵冶金企業設計防火規范》等，這是設計人員在進行建筑設計時首先要明確的一個問題，它直接影響到建筑物耐火等級、建筑防火分區面積、安全疏散、防火間距等。因此，建筑設計人員在開始進行廠房設計時，要同工藝專業就生產中所用到的原材料、生產過程中產生的物質和產品進行火災危險性分析，這種分析包括這些物質的燃燒性能和產出量。但由于對建筑防火設計概念的認識存在差異，會造成對火災危險性分類的不同結果。這里主要討論一下在密閉容器中進行生產的火災危險性如何確定？筆者設計的某項目就涉及到這個問題。

該項目是1個金屬冶煉廠的廠房設計，工藝為氧壓浸出，其生產流程是將原料礦漿和濃硫酸經過不同的管道同時注入合金預浸出槽進行預浸出，然后進行稀釋，再將稀釋的礦漿加入立式加壓釜，加入氧氣進行反應也就是氧壓浸出，產品(壓濾渣和壓濾液)通過管道送入后續工序，整個生產過程都在密閉容器中進行。那么如何確定該廠房的火災危險性分類呢？

從原料的燃燒性能來看，礦漿為不燃燒物質，其火災危險性分類為戊類；濃硫酸具有較強氧化性，其火災危險性分類為乙類；氧氣為助燃氣體，其火災危險性分類為乙類；產品壓濾渣和壓濾液為不燃燒物質，其火災危險性分類為戊類。從以上分析來看，該廠房的火災危險性分類應為乙類。但在同工藝專業設計人員的交流中得知，該氧壓浸出過程中會產生大量的氫氣，氫氣是屬于爆炸下限小于10 %的氣體，其火災危險性分類為甲類，產生的氫氣量已經超過了《建筑設計防火規范》(以下簡稱《建規》)中“可不按物質危險特性確定生產火災危險性類別的最大允許量”，并且產生氫氣的工段在廠房中無法進行有效的防火分隔。因此，我們認為該廠房的火災危險性分類為甲類。

但在與甲方的討論中，他們并不認可該廠房火災危險性的分類。他們認為：①整個生產過程均在封閉的容器中進行，與外界空氣不接觸，氫氣也不會泄漏，因此不會引起火災；②對整個生產過程均有24 h監控和檢測，任何泄漏均會報警，并能立即停止生產。因此，他們認為該廠房的火災危險性分類應為戊類。

我們分析后認為，如甲方所說，在正常生產過程中，確實不會發生火災。但是《建規》的制定，除了預防建筑火災外，還有一個重要的目的就是保護人身和財產安全，減少火災危害。通過安全的工藝防火措施和控制火源的措施，達到預防建筑火災的目的；設置必要的防火分隔、合理的安全疏散設施以及有效的滅火、報警與防排煙等設施，控制和撲滅火災，實現保護人身安全，減少火災危害的目的。從大量工業建筑的火災案例來看，很多火災都發生在設備安裝、調試、檢修、工人誤操作或長時間生產后設備線路老化、檢測系統出現故障的時候，因此不能保證該廠房在整個使用期間沒有任何火災隱患。戊類廠房和甲類廠房在建筑耐火等級、每個防火分區允許的最大建筑面積、安全出口類型、疏散距離等都存在較大差異，一旦出現極端狀況，如果按戊類廠房設計，現場工作人員無法及時疏散到安全區域，人身安全無法保障；而且，一旦發生爆炸，還回危及到相鄰建筑。綜合以上分析，我們仍然將該廠房的火災危險性分類定為甲類，并且按照”有爆炸危險的廠房“進行了防爆和泄壓的設計。

可以看出，廠房火災危險性分類的確定需要做細致的工作，要結合整個生產過程進行綜合分析，不可只根據以往的做法或者甲方意見來確定。

2 鋼結構防火和防腐保護的問題

鋼結構在工業建筑中應用非常廣泛，它的優點很多，如：自重輕、強度高、可以工業化生產、施工周期短、綠色節能等；它的缺點也很明顯，就是耐高溫性能差，易腐蝕。建筑一旦發生火災，無防火保護措施的鋼結構在0.25～0.50 h內就會失穩破壞。同時，很多工業建筑都存在一定的腐蝕介質，無防腐保護或者保護不好的鋼結構很容易銹蝕，影響結構安全。因此，對于有腐蝕介質的廠房來說，鋼結構的防火、防腐是必不可少的防護措施。

2.1 鋼結構的防火保護

目前鋼結的防火保護措施可以分為這幾種：①外包混凝土或砌筑砌體；②涂敷防火涂料；③防火板包覆；④復合防火保護，即在鋼結構表面涂敷防火涂料或采用柔性氈狀隔熱材料包覆，再用輕質防火板飾面板；⑤柔性氈狀隔熱材料包覆。

對于鋼結構工業建筑來說，采用外包混凝土或砌筑砌體將會加大結構斷面和自重，施工難度大，施工周期會增加，特別對一些輕型鋼結構來說無法做到。采用柔性氈狀隔熱材料包覆的方法僅適用于平時不受機械損傷和不易人為破壞，且不易受潮的部位。對于工業建筑來說，多數無法滿足其適用條件。采用防火板包覆時，需要根據構件形狀和所在部位進行構造設計，并應確保安裝牢固穩定。這無疑增加了設計難度和施工難度，同樣會增加施工周期。采用涂敷防火涂料這種方法，由于其施工快，有的可以在工廠完成，成本低，因此，在大量工業建筑中，鋼結構的防火保護都采用涂敷防火涂料。在設計中要引起注意的是，鋼結構采用防火保護的最大耐火極限一般不超過3.0 h。

筆者曾參與了一個火災危險性分類為丙類的鋼結構倉庫設計，由于倉庫面積大，要采用防火墻將倉庫分為2個防火分區，防火墻也采用鋼結構來設計，并在圖紙中注明鋼結構涂防火涂料，使其耐火極限不低于4 h。在對圖紙進行消防審查時，消防部門提出“鋼材無法達到4h耐火極限，不應選用”。我們在《建規》的附錄中鋼結構確實找不到耐火極限達到4 h的做法。從理論上來說，鋼結構采用復合防火保護，其耐火極限可以達到4 h，但是由于沒有具體做法供參考和燃燒試驗的支持，最終該防火墻放棄了鋼結構做法，而采用砌體結構。

當然，隨著新型防火涂料的研發和構造措施的加強，鋼結構達到4 h的耐火極限是可期的。但是在目前來看，確實很難找到一種可靠的做法使其滿足4 h的耐火極限，因此，在設計中應謹慎選用。

另外，在鋼結構建筑中，有一些受力構件如柱間支撐、樓蓋支撐、桁架、吊車梁、屋面支撐和系桿等，在《建規》中其耐火極限沒有相應規定，設計圖上往往也沒有說明，這會給施工帶來問題，如果不進行防火保護，會威脅到建筑的安全。從這些構件的破壞后果來看，它們的失效破壞會直接造成主要承重構件柱、梁、屋面承重構件的整體失效。因此，這些構件的耐火極限應與相應的主要承重構件一致。如，柱間支撐的耐火極限應與柱相同，樓蓋支撐、桁架、吊車梁的耐火極限應與梁相同，屋蓋支撐和系桿的設計耐火極限應與屋頂承重構件相同。

2.2 鋼結構的防腐保護

在有腐蝕介質作用的鋼結構工業建筑中，對鋼結構進行有效防腐保護必不可少。根據所處環境的腐蝕程度不同，會采用不同的防護方法。一般在微弱腐蝕環境(工業大氣、海洋大氣)中，可以在鋼結構表面噴鍍金屬涂層，如鋁層、鋅層；在弱、中、強腐蝕環境中，多數采用防腐蝕涂料涂層防護；在重腐蝕環境中，可采用金屬涂層與防腐涂料涂層的復合涂層。這3種方法各有優缺點，采用何種防護方法應根據腐蝕原因、介質濃度、施工難易與經濟效益等進行綜合考慮。由于涂刷防腐涂層施工難度低、工期短、價格經濟，在鋼結構防腐保護中被大量采用。

但是，由于涂料的選擇和應用不當或者施工質量不合格等造成一些鋼構件短時間內就被腐蝕，威脅到結構安全。因此，作為設計者在選擇防腐涂料時應該仔細分析腐蝕介質的種類、濃度和生產時的環境溫度、濕度等，才能做出針對性的選擇。特別應注意的是，在一些經常有蒸汽作用和濕度很大的廠房內，對鋼屋架、鋼檁條和金屬屋面板等部位要加強防護。

另外，由于防腐蝕構造設計多數是由建筑專業人員完成，而結構設計人員很少參與，往往就會造成了對鋼構件防護的不利后果。例如，在腐蝕環境中，鋼柱柱腳按規范均應置于高出地面不小于300 mm的混凝土基礎上。而有的結構設計人員則是按照通常做法，將鋼柱插入地下基礎內，再包裹混凝土。由于鋼柱于地上、地下形成陰陽極，雨季環境溫度高或積水時，電化學腐蝕嚴重。還有，按規范在“腐蝕性等級為強、中時，不應采用由雙角鋼組成的T形截面或由雙槽鋼組成的工形截面”，而有的結構設計者卻采用雙角鋼焊接起來作為屋頂承重構件，由于兩角鋼之間的縫隙很難進行防護，形成腐蝕的集中點，造成該鋼構件的腐蝕。而且日后修補起來也很難對縫隙進行完全封閉，給結構安全留下隱患。這些在設計中要引起重視。

在鋼結構防腐涂料的選擇中，設計人員經常會選用聚氯乙烯螢丹涂料。這種涂料含有螢丹顏料成分，對被涂覆的基層表面起到較好的屏蔽和隔離介質作用，與鋼鐵的附著力優越，而且對金屬基層具有磷化、鈍化作用。該涂料對鹽酸及中等濃度的硫酸、硝酸、醋酸、堿和大多數的鹽類等介質，具有較好的耐腐蝕性，而且該涂料耐高溫、耐候性好、耐油性佳。而不含螢丹的聚氯乙烯涂料的防腐性能則很差，所以該涂料不能沒有“螢丹”。應該注意的是，由于該涂料是專利產品，一些沒有該項專利技術的企業生產的產品雖然名字相同，但其產品質量是很難保證的。

2.3 鋼結構同時進行防火、防腐保護

根據現行的《建筑設計防火規范》GB50016-2014，任何生產火災危險類別的廠房，不論是單層還是多層，其建筑構件都有耐火極限的要求。所以，任何鋼結構廠房的柱、梁、樓板、隔墻、樓梯、屋頂承重構件等均需要進行防火保護。在有防腐蝕要求的鋼結構建筑中，鋼結構就要同時進行防火和防腐保護。那么，如何進行設計呢？

一般在弱腐蝕環境環境中，由于防火涂料在一定程度上可起到防腐中間漆的作用，可在外面直接做防腐面漆，能達到很好的外觀效果，所以，它們的組合方式是：防腐底漆+防火涂料+防腐面漆。中、強腐蝕作用時，它們的組合方式是：防腐底漆+防腐中間漆+防火涂料+防腐面漆。為了保證膨脹型防火涂料膨脹不受影響，防腐面漆不應過硬，構件外部應留有足夠的膨脹空間，也不應包裹防火毯等。施工時應控制防腐底漆、中間漆的厚度，避免由于防腐底漆、中間漆的高溫變性導致防火涂料層的脫落，避免因面漆過厚過硬而影響膨脹型防火涂料的發泡膨脹。

鋼結構進行防腐、防火涂料涂裝時，需要防腐涂料和防火涂料相互配合，形成配套體系，共同承擔對鋼結構的防護作用。涂層配套體系要求在選擇各類涂料配套時，要適應環境腐蝕，而且能滿足使用要求。各類涂料相配套時要彼此相容，發揮正常功效。

在工程實踐中，有時會出現不同廠家的防腐底漆、中間漆、面漆與防火涂料交互涂裝。有些涂料相互間不能很好的相容，涂裝后發生反應，如起泡、起皺，將下層涂料咬起。這些涂裝不僅沒取到防護作用，還加速了鋼結構的腐蝕。一旦出現這種情況就必須將所有的涂層全部打掉，從鋼結構表明重新除銹做起，重新進行涂裝。結果就是不僅延長了工期，還在經濟上造成嚴重損失。

為了避免這種不必要的損失，在設計時對于采用的防腐涂料和防火涂料要充分了解，謹慎選用，并且要求施工時要進行相容性試驗，只有結合性和相容性均好的涂料才能組合涂裝。這樣才能保證鋼結構建筑工程的順利施工，才能保證防腐、防火涂料取到應有的防護作用。

3 結 語

隨著科技的不斷發展，新材料、新產品的不斷涌現，傳統的生產工藝不斷被新的生產工藝所代替，設計規范和標準也在不斷更新，作為設計人員，必須不斷的學習研究，提高設計水平，才能更好地解決工業建筑設計中出現的新問題，設計出既滿足工藝要求，又安全可靠的工業建筑來。