鋼結構建筑防火設計中性能設計方法的應用分析

王雪松

摘要：為滿足社會需求，建筑業不斷發展，鋼結構建筑數量增多，為達到建筑防火等級，性能設計方法受到關注。現以某建筑為例，分析性能設計的應用方法，借此提升鋼結構建筑防火合理性，為同類建筑防火設計提供有益參考。

關鍵詞：建筑防火；鋼結構；性能設計；應用策略

中圖分類號：TU998.1? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ?文章編號：2096-1227（2024）02-0103-04

目前，現代化建筑樣式不斷增多，傳統的建筑防火思路顯然存在滯后性，無法滿足現代建筑有效防火的需求。在各領域的探索下，一種新的鋼結構防火設計理念形成。實踐證明，性能設計實踐性較強，該方法的現世為鋼結構建筑防火提供了更多優質保障，防火設計更具科學性。性能設計是一種較新的防火設計方法，主要是利用火災科學和消防知識建立設計指標，基于對火災風險的有效評估，通過合理的預警方式，消除建筑的火災風險，提高建筑使用安全性。

1 性能防火設計的概念和必要性

1.1? 性能防火設計的概念

性能設計方法屬于科學的建筑防火設計手段，需要建立在消防安全工程相關知識的基礎上，運用消防安全工程學作為核心知識體系，同時結合建筑物特點和內部可燃物的特征實施全面剖析，系統評估建筑火災危險性，并進行定量預測，在綜合技術保障下制定等級較強以及效果合理的防火設計方案。總而言之，性能設計實踐過程中，為達到理想的效果，要利用各種火災知識，同時融合防護工程理論內容去建立設計指標，在指標的指引下不斷優化設計方案，與此同時分析火災隱患，掌握火災場景需要的參數[1]。通過高效的性能設計，保障建筑消防安全，合理強化建筑使用性能。

1.2? 性能防火設計的必要性

建筑性能防火設計是高效的建筑防火安全措施，其應用具有必要性。

從科技的角度講，不斷優化建筑防火設計，可改善建筑防火性能。性能防火較多憑借的是技術手段，借助精準的火勢預測，記錄下火災數據，同時合理完善防火設計，提升建筑防火等級。嚴格設計火災事故的關鍵部件，合理滿足防范火災的要求，降低建筑使用風險。

從設計規范而言，該種設計方法利用的是消防工程學原理知識，合理保障建筑防火的規范性，從而強化防火設計效果。人員需從全局出發，結合建筑物實用功能，合理參照整體結構特征以及相關的建筑物整體耐火性，實施全方位的預測分析，及時發現火災隱患。同時，為防火設計優化提供重要參考。

在實際的操作中，想要發揮性能防火設計優勢，需從以下方向推進：①結合建筑的使用功能，制定清晰的建筑防火目標，確保設計目標的明確。同時，實施針對性量化分析，對火災隱患全面掌握。②遵循鋼結構建筑狀況，合理評估建筑內部的布局，科學設計疏散路線。③按照消防安全的規定，建筑防火設計中對防火效果實施評估，通過科學、全面評估，逐級完善設計內容。

目前，建筑類型增多，建筑防火難度升級，為保障安全的居住環境，在建筑防火體系中應用性能防火設計已經成為必然。雖然不是每個建筑物均可以借助性能化方法來確保防火設計質量的提升，但性能防火在鋼結構建筑中還是有一定優勢的。截至目前，我國高性能化防火設計成果顯著，得到了普遍推廣，但由于起步晚，所以性能防火設計還有待完善。存在著研究底子薄弱以及設計不具系統性的問題，技術難題有待攻克。新時期，需提高防火設計水平，利用高質量的性能設計，強化建筑防火效果，提高建筑安全性和建筑防火科技性。

2 鋼結構建筑的優缺點和防火設計面臨的挑戰

2.1? 鋼結構建筑的優缺點

隨著鋼材的廣泛運用，目前整體建筑施工中出現了新的建設方式，這種以鋼結構為主的建筑施工框架優點較多，夯實了鋼結構建筑的基礎地位。結合現實經驗可知，鋼結構建筑優勢鮮明，主要體現在：①構件加工時間短，施工便捷性較高。②鋼構件建筑施工靈活，這是其他建筑形態不具備的，對環境的壓力小，屬于環境友好型的建筑結構。③可使用的容積較大。上述是鋼結構建筑普遍存在的原因，但其缺點同樣明顯，結構耐燃性不高，造成結構使用中風險較大。研究發現，當溫度高于600℃時，由于鋼結構表面被炙烤，會讓建筑結構構件發生質的變化，影響結構耐久性。在劇烈的高溫下，鋼材的堅硬程度會弱化，結構性能也會不斷受損，從而出現質的改變。值得注意的是，應用鋼結構的項目中如果火災炙烤超過15min，還要合理規避結構熔化風險。基于此，鋼構件建筑施工時，要科學探究防火舉措，避免建筑受到威脅，不斷降低火災風險。

2.2? 防火設計面臨的挑戰

通過上文分析可知，鋼結構建筑的特征明顯，有體積大、結構復雜的特征，通常在購物中心、火車站等項目施工中會應用到此類結構。此類建筑占地面積大，在實施防火設計時難度較高，需借助性能設計方法，改善鋼結構建筑防火性能，確保建筑達到防火目的。鋼結構建筑防火設計面臨的挑戰可總結為：①防火區域難以精準劃分。結合我國建筑防火的設計要求，建筑平面應該采用優質的防火墻或增添一定數量的防火卷簾，提高建筑防火性[2]。這種應用高質量防火材料的方法，雖然可規避火勢擴大，但整體防火能力有限。建筑的功能不同，其防火設計也要尊重一定的差異性，在實施防火設計時需綜合考慮多種要素，結合工程的實際情況，選用科學的性能防火，借助仿真的火災模擬實驗，找出最佳的建筑防火方式，提升建筑防火合理性。②防火方式較為固定。隨著鋼結構的普及，其防火設計方法有很多，其中防火噴涂成為較為重要的手段。結合行業防火規定，在實施防火設計時需考慮建筑自身情況，保障各個鋼構件承重力，同時科學評估構件的防火能力，提升建筑安全等級。施工方還要嚴控使用涂料的耐燃性，落實好耐燃能力的測試。從現實經驗了解到，傳統防火方式存在兩方面的隱患：①滅火設施建設不全面。②防火保護方法沒有檢測方法作為支撐。綜上可以看出，鋼結構建筑防火要求嚴格，需站在科學角度分析建筑的綜合防火性能，考察鋼結構建筑情況，借助力學計算方式，安全提升整體防火性能。

3 性能設計的具體運用

3.1? 性能設計的三要素

性能規范。性能規范的作用顯著，具體應用中是制定防火安全等級的指導目標。性能規范的制定想要取得理想的效果，必須有配套科研項目的支撐。

技術指南。技術指南原則上是與性能規范相配套的，屬于成熟的性能設計技術指導方案，需要科學評估建筑消防系統有效性，在此基礎上獲得性能參數的取值范圍。

評估模型。性能設計中評估模型是不可或缺的，起到基礎保障作用。該評估模型主要建立在計算模型、實驗和概率分析前提下，可預測建筑防火的實際效果，同時模擬建筑防火的場景，實現既定的性能目標。目前在所應用的評估模型當中，有兩類模型是受到認可的，一種是區域模型，還有一種是場模型。區域模型應用形式較為特殊，會把建筑房間分為不同的控制體，除了上部熱煙氣層之外，還有房間的下部冷空氣層。以CFAST模型為例，CFAST模型在使用中可以用來預測用戶所處的安全環境，設定建筑內火災環境（火源條件下的）。場模型也稱作CFD，可借助數學方法預測流體流動和相關化學反應。現實應用中，FLUENT和FDS軟件是主要代表。

性能設計的基本步驟如下：首先，確定性能設計核心內容和工程參數。其次，確定消防整體目標。再次，確定火災場景。最后，提出和評估設計方案。

3.2? 火災場景設計

首先，火災情景設計屬于性能設計實施步驟中的重點內容，為確保場景設計的質量，應結合建筑的基本情況，重點分析建筑內部可燃物數量和這些可燃物的類型，做好現場火災蔓延趨勢分析等工作。在模型功能作用下識別建筑物和損失，確保火災的影響面最小。其次，借助科學的計算手法，評估火災中火勢的蔓延等級，掌握火勢可能性分布。重點內容在于科學分析熱力傳播階段所形成的周邊環境損害，確保建筑防火設計規范性、合理性。最后，火災現場情景科學設置時，為強化效果要結合鋼結構實際情況，設置中充分考慮火災爆發的來源，同時兼顧撲救的進度等，確保性能防火方法的有效性。

3.3? 火災煙氣流動設計

在性能設計模型的構建中，火災煙氣流動設計至關重要，需采用區域模擬同時輔助戶空間模擬的方法完成設計內容。

區域模擬。在空間結構大的區域，需實施區域模擬策略。基于性能設計的鋼結構建筑防火方案有極高的靈活性。現實工作中，采取區域分區的模式，能夠控制災害的發生，降低火災的發生率，強化火災的預防效果。防火分區設計至關重要，在材料的選擇上要偏向于有極高防火屬性的材料，科學實現火災隔離。結合現實經驗可知，防火分區的目的明確，主要操作原理是借助建筑空間的不同分區，設置專用的排煙設施，提升防火的針對性和有效性。在設施的輔助下，強化阻止火勢蔓延的效果[3]。例如：可設置噴淋實驗裝置（小空間中），或者使用水炮滅火系統（大空間中），保障消防效果合理性。合理的防火分區可科學抑制火勢蔓延，同時減少周邊區域的危害，提高防火設計質量。

空間模擬。發生火災時，空間溫度的改變會導致空間氣體的流動。基于此，在實施性能設計期間，需借助空間模擬的方法，結合氣體轉移的方向，對火災發生位置準確定位，從而判斷火災蔓延趨勢，為火災救援提供參考，借此降低火災的損失。

3.4? 人員安全疏散設計

火災發生后，關鍵是保障人員安全，因此設計人員疏散路線是非常重要的內容，不容忽視。結合實踐經驗可知，利用性能化防火設計，可彌補傳統火災救援方式的不足，能夠合理計算逃生通道的選擇，同時對人員疏散情況有效分析，確保人員在不同區域內可以安全逃生，提升逃生疏散路徑設計的合理性。借助性能設計理念，降低火災發生時建筑內部人員的威脅，從而減輕搜救人員的心理負擔。

3.5? 結構耐燃性能設計

站在建筑安全角度和穩定性層面分析，利用性能設計強化建筑防火效果優勢顯著，其特別之處是可系統完成鋼構件的整體性能剖析，在此前提下制定行之有效的防火方案，從而保障著火狀態下建筑物的耐久性，合理規避坍塌的風險[4]。基于此，現實建筑防火設計中，為達到理想的效果，需要對鋼結構建筑實施綜合性評價，做好火災風險評估，從而科學把控火災的發展規模。與此同時，做好相應的消防措施，合理保障火災時鋼結構建筑物的整體狀態，避免其受到嚴重威脅，產生巨大經濟損失。

4 案例分析

某建筑施工規模較大，建筑分上下兩層，中間有一個大中庭可以和高層相連。建筑部分采用鋼結構框架，中庭上部被設計成了鋼構采光頂，此外中庭四周有5m寬的走廊。經實際測量，屋頂的最高和最低處距地面分別有50m和40m。

4.1? 最不利火災場景選擇

結合鋼結構性能設計的指導思路，該建筑的防火設計需要參考建筑物的情況，統計有效的數據，同時對火災規模、性質等實施科學分析，掌握最危險情況，為火災救援提供保障。依據不同燃料的放熱率，在模型下計算出最不利的火場信息。本案例中，建筑中庭的主要火源威脅來自下廳商鋪的垃圾桶。在綜合分析了結構圖之后發現，上部廊道的焦點在各種廊道火災中是距鋼結構建筑距離最短的，火災一旦發生，會直接威脅鋼結構。

4.2? 構件溫度分析

首先，計算煙到達鋼結構的溫度（最不利火災情況下），從而判斷出鋼結構遭遇的威脅，合理分析煙羽的溫度是否已經達到結構安全性的臨界溫度。其次，選擇最佳防火措施，確保建筑安全性。根據（下轉第134頁）（上接第105頁）計算結果可知，煙羽中心溫度為87℃，該溫度較低，低于200℃鋼臨界溫度。在此基礎上可判斷鋼屋蓋是安全的，結構施工中無需額外的防火措施。但如果煙羽中心溫度較高，已經趨于200℃鋼臨界溫度，此時可選擇追加鋼材保護層的方法，保護鋼結構不受影響[5]。現實中，可在建筑鋼材上噴涂一層保護膜，借此達到隔離高溫的效果，保障鋼材的耐火屬性。

5 結束語

綜上所述，對于鋼結構建筑來說，性能設計方法作用顯著，可起到良好防火作用。與傳統規范設計相比，這種最新的性能防火設計適用范圍更廣，可根據不同的功能區實施防火測算和研究，同時精準將人員安全撤離，借此降低事故威脅。鋼結構建筑中廣泛應用性能設計方法，可確保鋼結構建筑的可持續發展，提高鋼結構設計安全性。

參考文獻

[1]朱世偉.性能設計方法在鋼結構建筑防火設計中的應用[J].消防界（電子版），2022，8（19）：62-64.

[2]陳凱.性能設計方法在鋼結構建筑防火設計中的應用研究[J].中國建筑金屬結構，2021，478（10）：46-47.

[3]匡文杰.大跨度鋼結構建筑防火設計分析[J].中國建筑金屬結構，2021，475（7）：44-45.

[4]李超.預制裝配式鋼結構建筑設計的相關問題研究[J].科技與創新，2020，162（18）：95-96.

[5]時靖.Z型隱藏梁及結構防火設計在裝配式鋼結構建筑中的應用[J].住宅與房地產，2020，570（11）：25-27.