一、建筑鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展的新契機
建筑鋼結(jié)構(gòu)自面世以來,因其相對于傳統(tǒng)建筑材料的諸多優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用到建筑結(jié)構(gòu)中。隨著我國鋼產(chǎn)量逐年增加并連續(xù)多年穩(wěn)居世界第一,鋼結(jié)構(gòu)在我國得到了快速發(fā)展。目前鋼結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于大跨度以及超高層等能充分顯示其優(yōu)勢的結(jié)構(gòu)體系中,而在其他類型建筑,如住宅、商業(yè)建筑中應(yīng)用偏少。
2016年《政府工作報告》明確提出“積極推廣綠色建筑和建材,大力發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)和裝配式建筑,提高建筑工程標準和質(zhì)量······”;北京市《關(guān)于加快發(fā)展裝配式建筑的實施意見》“鼓勵學校、醫(yī)院、體育館、商場、寫字樓等新建公共建筑優(yōu)先采用鋼結(jié)構(gòu)建筑,其中政府投資的單體地上建筑面積1萬平米(含)以上的新建公共建筑應(yīng)采用鋼結(jié)構(gòu)建筑”。鋼結(jié)構(gòu)是綠色環(huán)保和最適合裝配的結(jié)構(gòu)材料,在建筑工業(yè)化浪潮及鋼鐵行業(yè)“去庫存”的大環(huán)境下,如何沖破桎梏,發(fā)揮其優(yōu)勢,造福社會,是擺在從業(yè)人員面前的一個課題。
二、鋼結(jié)構(gòu)建筑的火災(zāi)危險性
鋼結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中的表現(xiàn)是由鋼材的物理性能決定的。根據(jù)研究,在200℃以下,其強度折減不多,甚至在某個區(qū)間還有一定程度的升高;在高于200℃的情況下其強度隨著火場溫度升高迅速下降,600~800℃時,幾乎徹底喪失承載能力。火場溫度一般均在800~1000℃以上,如下圖1所示,無防護的裸露鋼結(jié)構(gòu)會在15min后失效。

圖1 高溫下鋼材強度的折減系數(shù)與升溫曲線圖
鋼材的失效極易造成建筑物的倒塌,內(nèi)蒙古張拉膜無防護或防護不到位的鋼結(jié)構(gòu)建筑一旦發(fā)生火災(zāi)往往造成特大惡性事故。1998年北京某家具城火災(zāi)造成1.3萬平米鋼結(jié)構(gòu)全部倒塌;2003年青島某食品加工廠火災(zāi),鋼屋架倒塌導(dǎo)致未能及時疏散的幾十名員工死亡;······因此,做好鋼結(jié)構(gòu)防火保護工作,對于保障生命財產(chǎn)安全,杜絕惡性事故的發(fā)生具有十分重要的現(xiàn)實意義。

圖2 火災(zāi)下鋼結(jié)構(gòu)失效(以上圖示)
三、建筑防火設(shè)計規(guī)范明確要求
鑒于近年來的火災(zāi)教訓,2015年出臺了新版《建筑防火設(shè)計規(guī)范》,在規(guī)范修訂時取消了鋼結(jié)構(gòu)等金屬結(jié)構(gòu)件可以不采取防火保護措施的有關(guān)規(guī)定,也就是說從2015年5月1日新規(guī)執(zhí)行開始,所有的鋼結(jié)構(gòu)等金屬構(gòu)件均需使用防火保護。
目前在鋼構(gòu)建筑防火保護上,仍有大量的建筑并未按新規(guī)執(zhí)行,對金屬構(gòu)件進行防火保護處理,也就是說是違反規(guī)范及標準規(guī)定的。如若該類建筑因意外發(fā)生火災(zāi)事故,則設(shè)計及施工單位則需罪責難逃了。規(guī)范變了,不管設(shè)計或者是施工單位都應(yīng)及時跟進新規(guī)范及標準要求。

圖3:2015版新《建筑防火設(shè)計規(guī)范》

圖4:2006版舊《建筑防火設(shè)計規(guī)范》,已失效
圖5:新規(guī)范關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)建筑防火設(shè)計部分解讀
四、鋼結(jié)構(gòu)建筑的防火保護
鋼結(jié)構(gòu)建筑的防火措施分為主動防火和被動防火。主動防火主要指結(jié)合火災(zāi)探測而進行的主動滅火措施,改變火災(zāi)現(xiàn)場的行為,如噴淋裝置和消防員的滅火行為等;被動防火主要指在結(jié)構(gòu)設(shè)計和構(gòu)造措施上采取合理措施,張拉膜提高結(jié)構(gòu)的抗火性能,并不改變火災(zāi)火場。主要介紹下被動防火保護,被動防火保護主要分為以下5類:
1)包敷法防火
包敷法主要是用固體耐火的材料將鋼結(jié)構(gòu)整體徹底包起來。固體的耐火材料不但有不燃性,還有較大熱容量,將它用作耐火的保護層就能讓構(gòu)件升溫減緩。目前,工程中一般多采用無機防火板,比如使用硅酸鈣板、石膏板、蛭石板等。此方法主要用于形狀規(guī)則的梁、柱等構(gòu)件、對落灰潔凈度要求極高的制藥車間以及低、多層輕鋼結(jié)構(gòu)房屋中。

圖6 包封法防火案例(以上圖示)
2)噴涂法防火
所謂的噴涂法,就是在鋼結(jié)構(gòu)的表面上涂一層防火的涂料,進而讓鋼結(jié)構(gòu)上形成一層保護膜,利用材料本身的防火性或者發(fā)泡產(chǎn)生的致密絕熱、隔熱保護層,延緩鋼結(jié)構(gòu)溫升時間,提高鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耐火極限。

圖7 防火涂料施工及噴涂后效果(以上圖示)
按不同方式,防火涂料的分類如下圖8所示。在工程開發(fā)應(yīng)用中,主要按涂層厚度分為厚涂型防火涂料、薄涂型防火涂料及超薄型防火涂料。

圖8 鋼結(jié)構(gòu)防火涂料分類(以上圖示)
表1 不同防火涂料性能

由上表可知,在工程應(yīng)用時,防護時間2小時以上時,如高層建筑中的鋼柱,只能選用厚涂型,其它情況可以根據(jù)項目情況選擇厚、薄或者超薄型噴涂。由于組成材料的不同,薄涂型、超薄型防火涂料在火災(zāi)下會分解出有毒有害氣體,對火場人員及消防員產(chǎn)生危害。因此,如無特殊要求,均建議選用厚涂型。
3)屏蔽法防火
屏蔽法通常用于鋼屋蓋的防火,通過屋蓋下的耐火吊頂來延緩下部火災(zāi)造成鋼屋蓋的升溫。屏蔽法造價高,占用較大的建筑空間,膜結(jié)構(gòu)且由于接縫處竄火等問題,工程應(yīng)用不多。

圖9 屏蔽法防火(以上圖示)
4)充水冷卻法防火
鋼結(jié)構(gòu)的充水冷卻,就是往空心的封閉柱中充滿水,出現(xiàn)火災(zāi)的時候,構(gòu)件就會將從火中吸收來的熱量轉(zhuǎn)給柱中的水,從而使構(gòu)件溫度保持到100℃左右。這是理論上最為理想的防火保護方法,但在實際中由于使用管結(jié)構(gòu)較少,且循環(huán)系統(tǒng)造價高,須考慮防銹防凍等問題,因而在實際中應(yīng)用很少。
5)耐火鋼
耐火鋼是通過在結(jié)構(gòu)鋼中加入鉬等合金元素,從而使鋼材在規(guī)定的耐火時間內(nèi)保持較高的強度。無涂覆防火層時能達到耐火等級4級梁的耐火極限,其它情況時需配合防火涂料等防火措施,但防火涂層厚度可大大減少,減少防火造價。國家大劇院即成功應(yīng)用了武鋼生產(chǎn)的耐火鋼,既保證了防火安全,又實現(xiàn)了建筑師對美的追求。
各種防火措施的對比分析
根據(jù)各種防火措施施工難易程度、適用范圍、造價等因素,其優(yōu)缺點對比可總結(jié)為如下表2所示,得分最高的為五星,最低為一星。

由于耐火鋼目前尚處于研究推廣階段,且除四級鋼梁外,耐火鋼仍需附加其它防火措施,故目前工程應(yīng)用不多。
屏蔽法和充水冷卻法由于適用范圍小,工程應(yīng)用較少,特別是充水冷卻法,應(yīng)用案例更是少見。目前常用的鋼結(jié)構(gòu)防火措施主要為包敷法和噴涂法。如表2所示,綜合考慮工期、異形截面處理難度、占用建筑空間等因素,在多、高層公共建筑中絕大多數(shù)采用的是噴涂防火涂料的方法。