加强钢结构建筑防火设计
一、 引言
近年来，我国的高层、超高层建筑和大空间、大跨度的建筑越来越多，在这些建筑中也大多采用具有强度高、抗震性能好、结构自重小、建筑施工周期短的钢结构，钢结构住宅的研究与开发也是当前的一大建筑热点。由于这些场所的人员、可燃物种类与数量等也日益集中，这使得对钢结构建筑的防火设计显得尤为重要。下面笔者将简要探讨几种防火设计方法的优缺点和适用情况。
二、 钢结构构件的被动耐火保护
不依靠抑制火灾的增长或降低火灾的烧热释放率来保护钢结构构件不受火灾严重影响的方法，即是钢结构构件的被动耐火保护。它主要是通过采取一定的措施，来吸收构件所接受的热量，或将结构构件与高温烟气和火焰隔离，使构件在火灾作用下仍能发挥各项功能。具体可在钢结构构件表面包封或覆盖燃的热惰性材料，或在火灾时充入循环水冷却保护。
（一）浇筑混凝土或砌筑耐火砖
由于混凝土和耐火砖耐火性强，通过在钢结构构件周围浇筑混凝土或砌筑耐火砖，能将钢构件与高温烟气和火焰隔离开来，从而在一定程度上能避免钢结构构件遭到火灾的损坏。这种方法在实际工程中用得比较多，比较适合于钢柱的保护，但对于梁等其它构件就不是很实用了，因为在梁上施工比较麻烦，而且会增加自重。这种保护方法也不适用于初期升温很快的火灾，在高温作用下易发生崩裂现象。
（二）采用轻质耐火材料包覆
在钢结构构件表面包覆蛭石板、珍珠岩板、石膏板、石棉水泥板、硅酸钙板等轻质耐火材料，也能很好的保护钢结构构件免受火灾的损坏。其中珍珠岩板和石膏板的最高使用温度为600℃，蛭石板的最高使用温度为850℃，它们虽然容重小，但很难达到钢结构耐火保护的目的。纤维增强普通硅酸钙板可达650℃～ 950℃，它作为建筑防火材料在日本高层建筑中使用较多。四川消防科学研究所研制新型钢结构防火板具有较好的耐火抗高温性能，其最高使用温度均可达1100℃。防火板包敷屏蔽保护钢结构构件具有成本低、适用性强、施工方便和施工质量易控制等优点，在建筑钢结构防火保护中有很好的应用前景。此外，纤维增强复合材料也是一种较好的耐火包敷材料，这类材料具有热容高、烧透时间长、隔热性能良好等优点，在国外应用比较普遍，但这种方法对节点处理的要求较高，在我国应用还不普遍。
（三）喷涂钢结构防火涂料
在钢结构表面涂装防火涂料，以增大其绝热性能和推迟结构失稳的时间，这是一种比较传统的钢结构防火方法。在受到高温或火焰作用时，钢材表面厚厚的防火涂料
层能起到屏蔽作用，避免构件直接暴露在火中。尤其是膨胀型涂料暴露在高温下时，体积可膨胀体达到50～200倍，如此厚的保护层能有效阻止热量传导到钢材上。有的防火涂料吸热分解放出水蒸气或二氧化碳，也能在一定程度上降低火焰温度和燃烧速度具。但其主要作用在于涂料本身是多孔材料，受热膨胀后能形成炭化泡膜绝热层，其热导率比钢材和混凝土的低很多，从而起到隔热保护作用。
采用防火涂料保护钢结构的方法具有自重轻、施工方便等优点，但耐火极限受涂料质量、施工工艺与质量以及环境的温度和湿度等因素的影响很大。目前，在室外钢结构上的防火涂料常发生脱落、粉化、起皮、气泡、龟裂等老化现象，大大降低其防火性能；室内钢结构上的防火涂料也在一定程度上出现了这些现象。另外，在施工过程中还存在涂料选型不当、以次充好、涂层厚度达不到要求等问题，这些都给钢结构耐火保护带来了隐患。所以采用防火涂料喷涂保护钢结构的方法一定要充分考虑以上因素。
（四）在钢结构构件内部充水保护法
在火灾发生时，通过向钢结构构件内部充入循环水来吸走其热量，从而达到保护钢结构的目的。但这种方法会在火灾时增加结构自重，且需要足够的水源与供水系统，结构内部也需作耐水腐蚀处理，成本太高，因而国内外应用并不多。
三、钢结构构件的主动防火保护
对建筑钢结构构件采用排烟、自动灭火系统等主动消防措施，来排除室内热量、抑制火灾增长和灭火，从根本上消除火灾对钢结构构件的破坏，与被动耐火保护相比，主动防火保护是一种更积极的保护方式。大量实践证明，只要在火灾过程中根据室内火灾的发展规律，及时采取措施来排除室内的热量，降低其燃烧热释放率，就能有效防止火灾对钢结构构件和这个建筑的破坏。例如在建筑物内设置自动灭火设施，能有效地扑灭初起火灾，避免火灾的蔓延扩大，使建筑结构得到保护，同时也为人员疏散提供了时间。
自动喷水灭火系统是目前最有效的自救灭火设施之一，适用于扑救大部分建筑物内的初起火。自动喷水灭火系统的自动喷水的温度可据设置场所的环境条件而定，其范围从57℃到343℃不等，在一般的工业与民用建筑中常采用68℃。美国国家标准技术研究院曾做过试验研究，证实自动喷水灭火系统喷洒数分钟后，火灾的燃烧热释放速率下降50％，空间内烟气 的温度降低到100℃，这就不会发生轰燃现象。这样即使没有扑灭火灾，也会使其以较稳定的热释放速度率进行燃烧，钢结构也不会被破坏了。 自动灭火设施应根据场所内的可燃物性质和建筑的性质与功能来进行选择，对于工业生产和仓库中的可燃气体和可燃液体火就不宜采用自动喷水灭火系统，可用泡沫、干粉等灭火设施进行防护。在建筑物内设置好灭火设施后，还应注意日常维护管理，确保这些设施在发生火灾时能完好的工作。
四、结束语
随着人们对钢结构建筑防火要求的不断提高，如何进一步完善和充实现有建筑防火规范、合理确定建筑的火灾安全度、改进钢结构的耐火设计方法、科学经济地保障建筑的火灾安全就成为每一个建筑防火科研人员和建筑设计人员必须正视和解决的课题。钢结构设计人员应根据具体的建筑特点，充分考虑材料的耐火性能、耐久性、耐候性、耐腐蚀性以及高温稳定性等，科学合理地选择钢结构建筑防火设计方法，最大限度地保护建筑内的人员生命与财产安全。
膜结构建筑物防火安全设计
膜结构是一种全新的建筑结构形式，它以优良的织物为材料，利用柔性钢索或刚性支撑结构通过弯曲内面力传送，将膜面绷紧，从而形成具有一定刚度、张力，能够覆盖大跨度空间的结构体系，广泛运用于大型展览馆和体育中心。
然而新的建筑形式对传统的建筑防火设计理念提出了新的挑战。其独特的空间组合在防火分区的划分、疏散距离的确定等方面都超出了现行规范的要求。所以我们提出了性能化的防火设计方法，从建筑物的整体安全性去考虑，合理灵活地选择各项防火措施，确保膜建筑的防火安全性。 考试大－全国最大教育类网站(www．Examda 。com)
一、膜结构建筑物的特点和火灾危险性
膜结构建筑物最大特点就是建筑体量庞大化，结构用材轻灵化、通透化。它的火灾危险性主要表现在①火灾蔓延快。膜建筑内部有较大和较高的吹拔空间，一旦发生火灾，各种垂直通道将起拔火桶作用，当烟气到达膜面以下时，顶部热气流水平运动，致使火灾横向扩大。②疏散困难。膜空间巨大，疏散距离长，加之火灾时烟雾的干扰，增大了疏散难度。另外，大空间内人员多，疏散时容易发生滞留。③扑救难度大。我们缺乏扑救这类大空间建筑物火灾的实战经验，往往会遇到例如：热辐射强，烟雾浓，火势蔓延速度快、途径多等很多困难，给消防灭火的登高作业、内攻侦察、火场供水等都带来不少困难。
二、膜结构建筑物的防火设计
2.1防火设计的原则
膜结构建筑物按照现行法规很难实现其特殊空间的安全性评价，以及为了提高建筑物整体安全性能，而试图减轻有关防火措施等方面的问题。所以我们提出性能化防火设计，通过计算机模拟和危险评估，在制定膜建筑的防火方案时，综合考虑地区、规模、用途、空间构成、建筑材料等方面，预测火灾时的火势蔓延、烟气流动、疏散、结构的状态等性状并确定评价方法，以得出适应火灾各阶段的防火对策。
2.2建筑防火设计
2.2.1总平面布置
膜建筑通常作为一个城市的标志性建筑，性质重要，占地面积很大，建筑总长度都在220 m 以上，根据膜建筑的特点和功能要求很难实现规范要求——设置穿过建筑物的消防车道，所以在设环行消防车道的同时，靠近膜建筑建立一个高标准的消防站是十分必要的。美国的丹佛国际机场在满足国际民航消防救护“两分钟到达跑道终端”要求的同时，将三个消防站分布在膜结构航站楼附近。
2.2.2防火分区划分
国内现行的《建规》和《高规》分别规定，当其设有火灾自动报警系统和自动灭火系统，且采用不燃材料或难燃材料装修时，地上部分防火分区的允许最大建筑面积分别为5000m2和3000m2。膜建筑由于其大空间使用功能的需要，在以展厅或独立的使用空间划分防火分区时，其面积将超出我国现行规范的指标。目前世界上著名的丹佛国际机场(51000 m2) 、日本东京TOKYO DOME(46755 m2) 均将整个主体膜空间做成一个防火分区，国外消防技术规范对这类使用功能的膜建筑不按固定面积划分防火分区固然有其科学依据，但发达国家的防火灭火技术相对先进，我们不能简单的效仿或等效采用，而只能在执行我国防技术规范的前提下，有选择性的进行借鉴。所以我们通过性能化的设计采取以下几个补救措施。①主体空间可不再作防火分隔，但面积必须严格控制，不能一味的追求“大”。特别是展览中心，宜控制在8000～10000平方米以内。有关资料也表明，一个8000～10000平方米的展馆，足以独立作为任何性质的国际标准展厅使用；②膜空间和与之相连的部分之间必须设置有效的防火分隔设施，防止火势向膜空间以外的其它空间蔓延；⑧防烟分区的划分、排烟设施、疏散诱导系统及疏散出口个数、宽度的设计，应在执行现行规范的基础上，积极借鉴国外同类建筑消防设计的先进做法，优化设计，以弥补面积超标造成的不足。
2.2.3防烟分区划分及防排烟设计
在防火分区面积已经超标的情况下，笔者认为在膜空间内防烟分区的划分及防排烟优化设计比防火分区更加重要。
1．防烟分区的划分
膜建筑在主体大空间内无构造柱与梁，是一个连续完整的空间。所以通常普通建筑中以防火分区划分防烟分区在膜空间内很难适用。所以我们可以针对它特殊的结构体系，按照NFPA9214的烟控系统标准对大空间区域进行防烟设计，利用空间上方结构体系，挂上以耐火纤维为基材的轻质幕布，平时卷起，在火灾报警后自动放下，悬停于一定高度进行防烟分区，划分的面积在1000平方米左右，代替了传统的挡烟垂壁，效果明显。
2．膜空间的排烟
膜空间的排烟主要依靠机械排烟。在高大的空间内热烟气流运动复杂，实践证明在大空间建筑物内若风机安装方式或风量配置不当，反而会造成烟气弥散，扩大烟气的危害范围。
这里我们提出“烟羽流”的概念。在火灾中，随着燃烧的进行，高温燃烧产物在浮力驱动下流向顶棚，在火源上方形成了“烟羽流”。沿着羽流轴线，周围的冷空气受到横向卷吸，冷空气与羽流中的热烟气发生掺混，因而随着高度上升体积增大，羽流质量不断增加，同时羽流的平均温度和燃烧产物的平均浓度不断下降。羽流到达顶棚时将会横向散开，形成上部热烟气层，由于受空气自然流动和机械排风作用，羽流烟气不断向上充填，烟气层的厚度不断增加，在上部烟气层和下部洁净空气层中间出现比较明显的分界面，并且它随着时间的推移慢慢下降。
这类超大空间建筑物的排烟设计可考虑分为三个步骤；第一步是控烟，即通过一定的送风强度将火灾烟气吹向一个固定的空间内，使烟气不会无规则扩散；美国丹佛国际机场膜结构航站楼内上下均设有大功率送排风机，平时送进10％的新鲜空气，火灾时则送进100％的新鲜空气，送风强度很大，经测试，扩散的烟气不会超过20％。第二步是蓄烟，即利用建筑物自身的大空间条件设计“储烟仓”将烟气蓄积，形成距地面有一定高度的无烟层(储烟仓容积的确定要经过计算，太小则上升的烟羽流将迅速充满空间，太大就会使周围的冷空气大量地混入热气羽流，烟雾颗粒和有毒气体的温度和浓度则被降低而失去浮力。) ，第三是排烟。国外研究机构通过计算机模拟证明：如果一个烟控系统
设计适当，可以防止烟在30～45 min 内聚集在距地面3～4m 处。这段时间对于人员疏散是极其宝贵的，同时也给灭火创造了有利条件。
一个设计良好的排烟系统在及时排除烟气的同时，应在一定时间内提供适当的无烟气污染层高度。现行建筑排烟量通常按照《高规》提供的换气次数来确定，实验和计算机表明这种方法并不严密，并没有考虑到建筑空间的差异和火灾强度因素的影响。针对膜结构这种超大空间建筑物，我们结合国外先进的研究成果提出以下设计方法。 来源：考试大
确定火灾强度和火场大小；
确定烟层高层；
计算烟气上升过程中吸卷入的空气量；(烟气量+吸卷入的空气量＝排风量) 来源：考试大
验算由防烟幕布构成的“储烟仓”的深度和面积是否能够承接烟气；
确定排风口部位位置、大小；
分析其他可能影响排烟效果的因素。
2.2.4安全疏散设计
火灾时期人员能否安全及时地疏散到安全区域是判断建筑物防火设计是否符合要求的重要指标。
针对膜结构展览楼和体育场馆的高大空间场所大部分布置在首层或2层的特点，一层人员可由各个疏散通道直通室外。二层大空间场所的疏散以直通室外地面为最佳方式。即在二楼大厅的四周或两则外墙处设置直通室外地面的大跨度台阶或连廊加台阶，这样可以极大的方便二层室内人员直接疏散到室外安全地带，而不必在慌乱中四处寻找室内的防烟楼梯，沿楼梯下到首层再跑出室外。这样做也分流了一部分疏散人员，减轻了一层疏散压力，争取了疏散时间。如沙特利雅得大学膜结构体育馆在二层看台的两侧位置分别设置了宽度为62.5m 、34.5m 的大台阶直通室外地面。当然，当二层内疏散距离过长时，在内部适当的位置增设一些防烟楼梯间也是必要的。
疏散时个人的行为在很大程度上受人群内其它人的影响和限制，疏散往往表现为“群体行为”。由于恐慌心理和对疏散路线的不熟悉，疏散过程并不容易，特别是在这种大空间建筑物里，人们往往是按照他们进入的路线疏散而不是去往最近的疏散出口。烟气的能见度对人员的疏散也造成严重的制约，一般浓度的烟气需经100～1000倍的洁净空气稀释才能达到确保安全疏散所必须的最低能见度8m ；这说明一旦受到烟气的污染，人员在烟气场中辨别疏散路径的困难很大。所以对于疏散指示标志和诱导装置的设置是非常重要的。
现行规范规定，疏散走道的标志宜设在疏散走道及其转角处距地面1.00m 以下的墙面上。而膜空间内没有走道隔墙，其疏散指示标志无法设置，如果在大空间四周墙体上设置，由于空间太大，在烟雾的干扰下，人们也很难看清。所以我们可以参照国外某些大型赌场的做法，在大空间大厅地面醒目位置处设置连续贯穿的、照明度较强的脚印型疏散指示标志灯带，上敷高强度的钢化玻璃保证不被损坏，火灾时发亮，通向各个疏散出口，人们只要踏着脚印即能进入安全区域。
2.2.5火灾自动报警装置和自动灭火系统的设置
通常建筑中所广泛使用的火灾探测器大多数以烟气浓度和温度为信号进行探测的，且大多数为顶棚式安装。普通建筑的楼层高度多数在6m 以下，火灾烟气能很快到达顶棚，因此这类探测器是适用的。然而在很高的膜空间中，烟气在上升过程中不断受到冷却和稀释，在达到顶棚时浓度和温度都大大降低，不足以启动火灾探测器。随着火灾自动报警系统技术的不断发展，我们可以采用诸如双波段图象型火灾探测、光截面图象感烟火
灾探测、空气采样等先进的火灾探测技术，使膜空间内火灾早期报警难的问题得以解决。 膜空间一般为大跨度无柱空间，沿建筑四壁布置室内消火栓，膜空间中部区域势必得不到两股水柱的同时保护。所以在设置室内灭火系统时，可参照日本巨蛋
Big Egg(TOKOY DOEM) 的设计，在四周墙壁或看台上设置空气加压移动式消防水炮。它可根据空气加压的大小确定射程，确保膜空间及其中部区域的安全。
另外在大厅四壁适当位置上可考虑设置带架水枪，以便当展厅上半部的横幅、彩带、气球之类的可燃物着火后，可有效的组织扑救。