裝配式建筑結構防火性能評估與優化策略研究

引言

隨著建筑工業化的不斷深入，裝配式建筑憑借其高效、節能、綠色環保等優勢在國內外得到廣泛推廣。傳統現澆結構在施工工藝上雖然成熟，但在施工周期、材料浪費、環境污染等方面存在較大缺陷，而裝配式建筑通過工廠預制、現場裝配的模式，顯著提升了施工效率并降低了資源消耗。然而，在快速推廣的同時，裝配式建筑在安全性、耐久性以及防火性能等方面也暴露出不少問題。特別是在火災頻發的背景下，建筑物的防火性能成為衡量安全水平的重要指標之一。

一、國內外研究現狀

近年來，國內外對裝配式建筑的防火性能開展了大量研究，主要集中在耐火極限、節點連接防火性能、材料燃燒特性及智能化防火監測等方面。國外研究較早，歐洲依托EN1363、EN13501等標準，對裝配式建筑的耐火性能進行了系統研究，強調防火密封材料及耐火墊層對節點耐火性的影響。美國ASTME119、NFPA285等標準結合數值模擬與實驗測試，優化了防火設計，同時推動智能火災監測系統的應用。日本研究側重于抗震與防火一體化設計，提出交錯層壓木材（CLT） + 耐火涂層的方式提升耐火性能[1]。國內研究主要圍繞耐火極限測試、連接節點防火優化、材料防火改性及智能監測系統展開。研究表明，高硅混凝土、耐火涂層、智能監測系統能顯著提高裝配式建筑的耐火極限，并提升火災響應能力。然而，現行防火標準仍基于傳統現澆建筑，難以直接適用于裝配式建筑，亟須對拼接節點、材料選擇及智能監控進行專項優化，以提高整體防火性能。

目前，裝配式建筑防火性能存在的問題主要集中在以下幾方面。首先，由于構件在工廠預制和現場拼裝過程中存在接口連接，其節點部位常成為防火薄弱環節。其次，不同預制構件在材料種類、施工工藝及防火涂層等方面的差異，導致整體結構耐火性能參差不齊。最后，傳統的防火設計方法多基于現澆結構，對于裝配式建筑特殊的節點和連接方式難以完全適用。針對上述問題，本文在總結國內外研究成果和工程實踐經驗的基礎上，從多角度出發，提出了針對裝配式建筑防火性能的評估方法和優化策略，旨在為提高建筑整體安全性提供理論依據和技術支持。

二、裝配式建筑的防火性能評估方法

防火性能評估是對建筑在火災作用下各項指標進行系統檢測和分析的過程，主要包括耐火極限測試、結構連接處防火性能分析、材料燃燒性能測試以及煙氣蔓延與疏散分析。

（一）耐火極限測試

耐火極限是評價建筑構件在火災條件下保持承載能力、完整性和隔熱性的核心指標。傳統耐火極限試驗通常在專用耐火試驗爐中進行，通過對構件施加標準火焰曲線進行加熱，直至構件出現失效或超過允許的溫升。對于裝配式建筑構件，耐火極限測試應考慮以下幾個方面。

1.承載能力檢測。在火災加熱過程中，通過加載試驗模擬構件在高溫下的受力狀態，監測其承載能力的變化。采用加載裝置與應變計實時監測試件的應力應變關系，判斷結構在高溫下的安全裕度。

2.完整性檢驗。防止火焰、火球或有害氣體通過構件內部或表面滲透，保證火災中結構不出現大面積破損或剝離。通過高溫試驗觀察構件表面裂縫、鼓脹及局部剝落情況，并結合聲學檢測技術進行輔助判斷。

3.隔熱性評價。通過熱流計、紅外熱像儀等儀器監測構件背面溫度上升情況，確保溫度在規定范圍內保持穩定。數值模擬方法（如有限元熱傳導分析）可用于驗證實驗數據，提高結果的準確性。

（二）結構連接處防火性能分析

裝配式建筑的結構連接節點是預制構件的重要組成部分，其設計直接影響整體結構的耐火性能。

1.高溫實驗研究。在實驗室環境中，對典型節點進行高溫加載試驗，模擬火災條件下節點受熱情況。在試驗過程中，采用高溫爐對節點進行加熱，配合溫度傳感器、位移傳感器及應力傳感器等儀器實時監控節點受力和變形情況。試驗數據能反映節點在火災中的承載能力衰減規律。利用有限元軟件建立節點數值模型，對火災作用下節點進行熱力耦合分析。通過對節點內部溫度場、應力場及損傷演化過程的仿真，揭示節點局部薄弱環節及溫度集中區域，為節點設計優化提供理論依據。

2.現場試驗與檢測。針對實際工程中采用的節點形式，組織現場局部火災試驗，并借助紅外熱成像儀、數字視頻監控等手段記錄節點在火災初期至擴散階段的溫度變化和結構損傷情況，便于與實驗室數據進行對比驗證[2]。

（三）材料燃燒性能測試

在裝配式建筑中，應用的材料種類較多，如混凝土、鋼材、保溫板、涂料及復合材料等，其燃燒性能直接影響建筑整體防火能力。

1.氧指數測試。氧指數（LOI）是衡量材料燃燒傾向的重要參數。通過在一定氧濃度下測試材料燃燒情況，確定材料是否屬于易燃或不燃材料。一般來說，LOI值高于 21% 的材料被認為具有較好的燃燒抑制性能。

2.錐形量熱儀試驗。利用錐形量熱儀對材料燃燒過程中的放熱速率、總熱釋放量及燃燒殘余進行測定，獲得材料在火災中的熱釋放特性。該數據對于評估火災蔓延速度及火災規模具有重要意義。

3.煙密度測試。火災中產生的煙氣會對人員疏散和救援造成嚴重影響，通過測試材料燃燒時產生的煙密度、毒性物質含量等指標，可以判斷材料在火災中的二次危害風險。

4.燃燒速度與燃盡率。通過燃燒臺測試儀器測定材料燃燒速度以及燃盡率，結合燃燒殘渣分析，可以進一步揭示材料燃燒過程中的分解機理和失效模式。

（四）煙氣蔓延與疏散分析

在火災過程中，煙氣蔓延速度和毒性物質的擴散對人員疏散和救援產生直接影響。煙氣蔓延與人員疏散分析通常采用計算流體力學（CFD）技術，通過建立建筑物內外部通風、煙氣擴散及溫度場數值模型，對火災初期及蔓延階段的煙氣分布進行模擬預測。

1.CFD模擬。利用CFD軟件對裝配式建筑內部的煙氣流動、熱傳導及濃度分布進行仿真計算，獲得不同時間節點的煙氣蔓延情況。通過對煙氣溫度、流速及濃度的監控，評估火災對不同區域人員逃生通道的影響。

2.疏散模擬。基于建筑平面圖和人員分布情況，采用疏散仿真軟件模擬人員在火災中的逃生過程，分析疏散時間、疏散路徑及可能出現的擁堵現象。該方法可為優化疏散通道設計及疏散指引提供數據支撐。

3.實驗驗證。在具備條件的情況下，通過煙霧試驗和疏散演練，對數值模擬結果進行驗證。現場采集的煙氣溫度、流速及人員疏散數據有助于修正模型參數，確保評估結果的準確性和可靠性[3]。

三、裝配式建筑防火優化策略

在全面評估裝配式建筑防火性能的基礎上，針對測試中暴露出的關鍵薄弱環節，本文提出如下優化策略，以期在設計、施工和運營各環節中實現全方位的防火保護。

（一）選用高性能防火材料

材料是建筑防火性能的重要基礎。應從源頭上把控材料的防火性能。優先采用A級不燃材料，如防火板、高性能混凝土、耐火磚等，確保主要承重構件和圍護結構在火災中不燃燒或燃燒極慢。針對一些難以更換的構件表面，可涂覆防火涂層或采用防火密封劑進行二次防護，有效延緩溫度上升。建立完善的材料防火性能檢測標準，確保所有預制構件在出廠前經過嚴格測試和認證，杜絕低質、低防火等級材料進人建筑體系。

（二）增強結構連接處的防火設計

裝配式建筑的連接節點往往是火災時最容易失效的部位，因此應重點加強節點防火設計。優化節點結構設計：在設計階段，應充分考慮節點在高溫條件下的受力狀態，采用冗余設計和抗高溫變形措施，保證節點在火災中的穩定性。應用防火密封材料：在節點拼接部位填充耐高溫密封材料，防止火焰和煙氣通過連接縫隙進入構件內部，從而延緩火勢擴散。設置防火墊層：在關鍵連接處預留防火墊層或防火隔離帶，借助高性能保溫材料隔斷高溫傳導，保護節點結構不被迅速破壞。數值仿真優化：利用有限元和CFD等仿真技術，對不同節點設計方案進行對比分析，找出在實際火災情景下表現最優的設計方案，并在工程中推廣應用。

（三）采用智能防火監測系統

隨著物聯網、大數據及人工智能技術的發展，智能化防火監測系統為火災早期預警和應急響應提供了有力支持。火災探測與報警：在各個關鍵部位安裝煙霧傳感器、溫度傳感器及火焰探測器，實時監控火災隱患。一旦檢測到異常溫度或煙氣濃度迅速觸發報警，并將信息傳輸至中央控制系統。自動噴水滅火系統：結合智能監測數據，實現火情分區自動噴水、噴淋及局部滅火，降低火勢蔓延速度。數據集成與決策支持：將各傳感器數據通過無線網絡實時傳輸至云平臺，通過大數據分析和人工智能算法對火災風險進行評估，提供科學的應急響應建議。系統冗余設計：考慮到火災情況下電力及通信中斷風險，系統應配備獨立供電和備用通信線路，確保在極端條件下仍能正常運行。

（四）優化建筑防火分區設計

合理的防火分區設計可以有效阻斷火勢擴散，保護建筑內重要區域和人員疏散通道。科學劃分防火分區：根據建筑功能、使用性質及人員密集度，劃分若干相互獨立的防火區，每個防火區內部設置獨立的火災報警和滅火系統，防止火災跨區蔓延。設置防火墻與防火門：在各防火區之間增設高性能防火墻、防火門及防煙層，采用正壓送風等系統降低火災和煙氣蔓延的風險。加強疏散通道防護：重點對疏散樓梯、走廊及電梯井進行防火加強措施，確保火災發生時人員能迅速、安全撤離。針對高層建筑，可設計多條獨立疏散路線，分散疏散壓力。防火分區系統集成：結合智能監測系統，實現防火分區之間的信息聯動，一旦某一區域出現火情，自動觸發相鄰區域的安全保護措施。

（五）強化人員疏散通道設計

人員安全是防火設計的重中之重。強化人員疏散設計應包括以下幾個方面。優化疏散通道布局：在建筑規劃階段，充分考慮人員密度及可能的逃生瓶頸，設計足夠寬敞、通暢且標識清晰的疏散通道。利用人群行為模擬軟件，對不同火災情景下的疏散情況進行預演與優化。設置應急照明與指示系統：在關鍵疏散節點安裝應急照明及語音引導系統，確保在停電、濃煙情況下仍能為人員提供明確的逃生指引。定期疏散演練與安全培訓：組織定期的火災疏散演練，提高建筑使用者的自救互救能力，確保在實際火災發生時能夠迅速響應、正確逃生。多層次安全保障：對于大型裝配式建筑，可考慮在不同區域設立安全中轉站，配備專業救援人員和應急物資，為受困人員提供臨時避難場所，爭取更多的逃生時間。

結語

本研究系統探討了裝配式建筑防火性能的評估方法，包括耐火極限測試、結構連接處防火性能分析、材料燃燒性能測試以及煙氣蔓延與人員疏散分析。針對防火薄弱環節，提出了高性能防火材料選用、優化節點設計、智能防火監測、合理防火分區及強化疏散通道等優化策略。第一，完善評估體系。通過實驗、仿真和現場試驗構建了系統性的防火性能評估方法，揭示了傳統防火標準在裝配式建筑中的局限性。第二，優化策略。采用A級不燃材料、防火涂層、智能監測與自動滅火系統，優化疏散設計，有效提升建筑火災安全性，數值仿真和試驗均驗證了其效果。第三，智能化趨勢。物聯網、大數據、人工智能等技術正推動防火設計由“被動防護”向“主動預警\"轉變，提高火災響應效率。第四，升級標準與實踐。當前防火標準尚未完全適應裝配式建筑特點，建議結合數值模擬、現場試驗與智能監控，推動防火技術的標準化應用。第五，未來研究方向。重點關注節點高溫受力機理、新型防火材料研發、智能監測系統優化以及VR/AR技術在人員疏散模擬中的應用，進一步提升裝配式建筑的防火安全性。

參考文獻

[1］徐孟強.裝配式鋼結構建筑的防火保護技術[J].中國建筑金屬結構，2023（07）：87-89.

[2]李波.淺析建筑防火設計在高層建筑設計中的應用[J].中國消防，2023（12）：57-59.

[3]王振華.建筑防火設計技術研究[J].全面腐蝕控制，2024（04）：51-53.