大跨度钢结构建筑防火设计分析
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摘要：近年来，建筑物中运用大跨度钢结构种类越来越多，同时此类建筑火灾也时有发生,造成重大财产损失和严重社会影响,笔者结合此类建筑的特点和火灾特点,就防火设计中的一些问题进行讨论。
关键词：大跨度钢结构建筑防火设计
1. 绪言
近年来，随着我国社会经济的飞速发展，建筑物中运用大跨度钢结构种类越来越多，如厂房、桥梁、仓库、体育馆、展览馆、超市、机场候机厅等。大跨度钢结构以其强度高、自重轻、跨度大、施工方便和施工时间短等优势为社会所普遍认可和运用，例如2008年北京奥运会主体育场“鸟巢”、高度为420 m的上海金茂大厦、高度为291 m的深圳赛格大厦、大连世贸中心、跨度为216 m的芜湖长江大桥，上海宝钢大型轧钢厂房等。同时此类建筑火灾也时有发生,近年的例如2009年12月10日3时56分,山东淄博山川医用器材有限公司车间发生火灾,过火面积约5 000 m2,波及范围约9 000 m2,财产损失452.56万元。这类火灾的发生,不仅造成重大财产损失和严重社会影响,笔者结合此类建筑的特点和火灾特点,就防火设计中的一些问题进行讨论。
2. 大跨度钢结构建筑的及其火灾特点
2.1 大跨度钢结构建筑的特点
1、结构跨度大、结构空间大、建筑结构和功能复杂
建筑利用各种钢结构作为承重构件，如屋架、梁、板等，具有跨度大、空间大、承重能力强的特点。例如前文中提到的山东淄博发生火灾的山川医用器材有限公司车间,东西长64m,南北长106 m,占地面积6 784 m2,建筑面积13 248m2,建筑高度10.5 m,共两层,梁、柱等承重构件均为钢结构,承载能力强。大跨度钢结构建筑大多为工业建筑，机器设备、原料成品堆积，加之为适应生产和工艺需要，现代大跨度钢结构建筑的上部安装有通风、水、中央空调、蒸汽管道等多种管道，有的还安装有可燃气体和油管道，而外墙和间隔墙多为铁皮夹聚胺脂加工而成。另外，一部分非承重构件，如屋面、吊顶、地板等，以及其他装修材料使用高分子有机材料。这些都使得建筑内的危险源大大增多。
2、大跨度钢结建筑的耐火性能差
大跨度钢结建筑的耐火性能较差，在高温环境下强度急剧下降。在加热的情况下，钢材的力学性能随着温度的升高而变化。一般表现为弹性模量、屈服强度、极限强度随温度的升高而下降，塑性变形和蠕变随温度的升高而增加。在200～350℃时热轧钢出现所谓的“蓝脆”现象，此时钢材的极限强度提高而塑性降低，与其他温度段相比变“脆”。在500℃时，钢的极限强度和屈服极限大大降低，塑性增大。在450～600℃时，碳化物趋于石墨化和球化。如果加热的温度越高，时间越长，钢的含碳量越高，则碳化物的球化便越剧烈。存在石墨化和球化，表明钢在高温下弱化了，力学性能降低。随着温度进一步升高，在800℃时钢材的强度基本消失。同时钢材的伸长率和截面收缩率随温度升高面增大，表明高温下钢材的塑性性能增大，易于变形。
3、消防设施易受损坏
多数较规范的大跨度钢结构商场、厂房等,虽然设计并建有自动报警、喷淋、室内外消火栓等消防设施,但因火灾发展速度快,这些消防设施会随着建筑物的坍塌和高温烧烤等而损坏失去作用;有的建筑根本未按设计施工或违章施工,导致未设消防设施或所设消防设施先天不足,留下后患。
2.2 大跨度钢结构建筑火灾特点
1、大跨度钢结构建筑火灾：火势猛、人员密、荷载大、升温快、扑救难
大跨度钢结构建筑空间大，空气充足，一旦失火，火势可向各个方向蔓延、燃烧猛烈、极易产生强大的高温烟气形成蔓延，造成大面积燃烧。大跨度钢结构建筑中人员密集、火灾荷载较大，进行火灾扑救时，障碍物多，人员疏散困难，易造成群死群伤。2003年4月5日，青岛正大有限公司钢结构的熟食品加工车间发生火灾，由于火灾初起处置不当、疏散不力，当班员工盲目逃生，致使21人被当场烧死。
2、大跨度钢结构建筑耐火性能差，易倒塌
钢结构材料在未进行防火处理的情况下，其本身不会起火燃烧，但火灾时，强度会迅速下降。据测试，在全负荷情况下，使钢结构失去静态平衡稳定性的临界温度为500℃左右，而一般火场温度可达到800～1000℃。在这样高的温度下，裸露的钢结构会很快出现变形，产生局部破坏，造成钢结构整体倒塌。钢结构建筑的倒塌时间非常短，一般在持续燃烧15 min后，而火灾中，钢结构温度达到350、500、600℃时，强度分别下降1/3、1/2和2/3。钢结构建筑导热速度快、耐火极限低,建筑构件会在较短时间内坍塌,消防队到场时往往错失控火有利时机,这是造成大面积猛烈燃烧,进而导致整个建筑坍塌的主要因素。
3. 大跨度钢结构建筑的防火设计
1、设计时要选用恰当的钢结构防火保护方法
目前我国钢结构主要采用三种保护方法：喷涂法、包敷法、水淋冷却法，它们都是通过一定的技术手段来提高钢结构的耐火极限。这里主要介绍一下喷涂法，即在钢结构表面涂上一层防火涂料。大跨度钢结构防火涂料的防火原理是采用绝热或吸热的材料阻隔火焰直接灼烧钢结构，降低热量向钢材传递的速度，推迟钢结构温升和强度减弱的时间。根据《钢结构防火涂料》(GB14907―2002)，钢结构防火涂料定义为施涂于建筑物及构筑的钢结构表面，能形成耐火隔热保护层以提高钢结构耐火极限的涂料。根据防火涂层厚度来分，可分为薄涂型、厚涂型、超薄型。以薄涂型为例，薄涂型钢结构防火涂料，涂层厚度一般为2～7 mm，有一定的装饰效果，高温时涂层膨胀增厚，具有耐火隔热作用，耐火极限可达0.5～2 h，故又称为钢结构膨胀防火涂料，薄涂型钢结构防火涂料要符合以下要求：(1)涂层与钢材之间以及涂层之间要粘结牢固、无脱层、空鼓等情况；(2)涂层厚度要符合有关耐火极限的设计要求；(3)涂层外观要平整光滑，轮廓清晰，颜色均匀，无明显凹陷、粉化、松散和浮浆，乳突已剔除，如有个别裂缝，其宽度不应大于0.5 mm。
2、根据建筑物的火灾危险性和重要性，合理确定建筑的耐火等级
各种建筑由于其使用功能和重要性的不同，火灾危险性存在差异，设计时要根据业主提供的建筑要求，根据《建筑设计防火规范》和《高层民用建筑设计防火规范》，确定建筑物的火灾危险性，再根据火灾危险性，确定建筑的耐火等级，比如一个60米高的综合楼，根据《高规》其属于一类高层建筑，它的耐火等级应为一级，其梁、柱、屋顶承重构件的耐火极限应分别不低于2小时、3小时、1.5小时，如果我们在设计时没有正确核定耐火等级，确定的耐火等级过高或过低，都会造成设计失误，过高造成浪费，过低则造成不安全。
3、钢结构建筑设计时要充分考虑人员疏散问题。由于钢结构建筑自身存在的弱点，在设计时要充分考虑人员疏散的因素，将人员密度指标和钢结构建筑的特点综合起来考虑，加强对安全疏散路线、疏散距离、疏散宽度的设计要求，保证人员疏散时间小于建筑构件的耐火极限，确保火灾时人员能安全逃生，避免群死群伤火灾事故的发生。
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