高层建筑钢结构性能化防火设计方法与运用

阳向杰

高层建筑钢结构在建筑设计中起到重要的作用，当前我国经济不断发展，城市化水平持续提升，在高层建筑以及超高层建筑中，钢结构起到重要的作用，占据的比例也比较多。由于钢结构的强度高，整体刚性好，因此利用几率高。在本次研究中对高层建筑钢结构的防火设计现状为基础，结合实际情况，对具体的优化设计方式分析。

在城市化发展的背景下，建筑行业成为我国重要的支柱产业，当前高层建筑，尤其是超高层建筑中，钢结构的比例逐渐增多。由于钢材料的强度高，自重轻，抗震性突出，工业利用程度高。但是钢结构在实际应用中也存在很多的问题，耐火性差，因此在高层建筑钢结构设计中注意的是做好耐火性分析工作。

一、高层建筑钢结构性能分析

1.基于试验的构件防火设计

此类设计形式主要是针对建筑钢结构的梁和柱等结构，在防火设计的过程中，要重点分析构件在不同荷载和标准下的耐火效果。结合GB 50016 －2006《建筑设计防火规范》的要求可知，对钢梁和钢柱结构的防火设计的时候，明确具体的规范。在试验中，防火构件的设计很重要，要明确防火设计的效果，提升防火质量，实现优化设计后可从根本上提升建筑的安全质量。

2.基于计算的构件防火设计

在构件防火设计阶段，通过经典分析方式和有限元分析的方式，实现防火的建模处理。在整个阶段，计算出构件防火的具体要求，将任意荷载形式和端部的约束状态可以作为设计的基础，在现有基础上实现优化设计。依据DG/TJ08-008 － 2000《钢结构防火技术规程》的防范要求，在内部设计中流程复杂，涉及到的隐患也很多，针对不同的建筑钢结构进行承载力分析，明确最大承载力，在这个范围内进行设计，合理地选择防火设施，完成基础防火内容设置，进而降低隐患。

3.基于火灾随机性的结构防火设计

结合概率和钢结构的变化等可知，在后续设计中实现防火设计的优化设计。例如，在火灾的随机控制阶段，设计人员需要对结构防火的影响因素以及出现的防火意外情况等评估，了解火灾因素和气温的变化，出现火灾的时候需要及时处理。火灾出现随机性大，必须把握住其中的安全隐患，在初期的钢结构设计就要预防这一点，实现合理防火预设。

二、高层建筑钢结构防火设计的现状

近些年来我国的钢结构设计取得了突出的作用，在整个设计阶段要注意的是实现整体管控，在实际操作中，防火设计依然存在很多问题，详细如下：

1.疏散宽度设计不合理

高层建筑结构本身比较特殊，在钢结构设计的过程中，存在很多的问题，可能会导致火灾灾害上升的情况。设计人员在展厅设计的时候，要优化现有结构，在展厅的楼梯间设计的时候，疏散通道，提升疏散出口的质量。等到楼梯间设置之后，进行安全检查，如果存在不符合安全设计要求的现象，需要在现有基础上优化设计，避免出现设计误差。

2.主体建筑高度设计不符合要求

在当前的主体建筑大楼设计阶段，设计人员需要提前测量中庭高度，依据现有的防火规范要求实施。此外对防火机械和设施的进行管控，参照国外先进的工程经验，采取现金的防火设施和操作方式，建立完善的操作章程，明确具体的设计要求，并且将其落实。

3.建筑结构主体效益差

主体防火设计一直是重点和关键，但是在设计中也称为设计难点所在，要求相关人员严格按照防火的基本设计要求落实。由于建筑结构的空间复杂，结合防火要求进行火灾烟雾的模拟设计，保证及时完成补风量的控制，可依据实际要求对补风量管控。

三、高层建筑钢结构的防火设计措施

在高层建筑钢结构设计中，对防火设计本身有严格的要求，根据现有设计要求，要注意的是明确具体设计的流程和要求，进行性能评估，实现合理应用。具体的设计措施如下：

1.制定结构防火设计目标

在对高层建筑钢结构优化设计的时候，需要达到安全化控制的效果，明确设计目标。

（1）总体目标

防火预设的主要目标是保证大家的安全，避免出现受众人身安全和财产安全受到威胁。出现火灾之后，最关键的逃生，如果出现危险，在灭火的时候，缩短时间，避免结构破坏，蔓延到其他区域。

（2）功能目标

在建筑设计中，出现火灾后，对大的主体结构产生影响，会出现坍塌的现象，其功能目标则是避免出现坍塌，保证主体结构的稳定。只有结构稳定，大家才可能尽快地逃生。如果在逃生的时候出现坍塌现象，则堵住了逃生路线。部分结构构件在应用的过程中减少变形的几率，在火灾后可对建筑进行修复，尽量恢复建筑结构，减少建筑火灾的损失。

（3）性能要求

高层建筑结构的部分构件必须具有承载力。整体建筑结构在出现火灾后，也要具备承载力，便于消防员对火势进行控制。结构的某些部位的构件或者子结构等，如果超过了一定的期限值，会导致损失增加，因此减少残余变形现象。

2.火灾场景的性能化评估设计

在建模设计的阶段，进行性能的分析，动态监督起到突出的效果。科学合理地选择火灾场景，对影响因素控制，从本质上改善火灾的控制力度，降低钢结构出现火灾的概率。

（1）火灾荷载

火灾的荷载设定是个重要的过程，在实施中需实现性能化的安全设置，完成上述内容之后，设计人员实现现场的模拟设计，掌握温度，结合结果确定荷载力，进而提升性能化评估的质量和效果。设计人员要选择合适的火灾场景，对火灾区间合理划分，依据建筑物的可燃物构成和火灾情况等，进行全方位的分析，制定对应的控制对策。

（2）火灾发展

火灾出现后经过三个阶段，初期的燃烧阶段，火势迅猛以及后期的衰弱阶段。在防火中的时候，在前期需要进行灭火，如果到了火势迅猛的阶段，灭火难度比较大。在前期需要实现动态的管控，掌握建筑的基本结构，对火势发展的时候可能出现的结构问题及时排查，做好资料收集和处理等工作，要计算火灾状况下的承受温度，了解主体结构的耐火情况，总结耐火数据，实现优化设计。

3.确定火灾场景和设计火灾

火灾场景是对整个火灾发展过程的一个描述，需要明确火灾的位置、原因等。如果火灾在场景描述的时候，出现了影响因素，则会导致火势发展迅速。因此在火灾现场选择的阶段，要选择可能出现的火灾区域进行演示，如果选择的建筑物安全系数比较高，不容易出现火灾，则演示的效果不佳。在选择的过程中，设计火灾同时也是对火灾场景的定量描述，常用的参数主要是火源热释放速率HRR（Heat ReleaseRate） 等。设计火灾也是以大量的数据参数作为背景的，可通过数值模拟确定。火灾场景指的是火灾的一个全过程定性描述，要识别火灾特性，和其他可能的火灾区分开，可结合火灾场景设计对一个特定的火灾场景进行分析。

4.提出可行性方案

防火设计方案的安全评估是结构优化设计的核心所在，在整个阶段，应用到多种火灾分析模型、温度传导分析模型和结构分析模型等。设计方案经过不断的完善后改进，最终形成了特有的设计方案，达到既定的性能设计目标，进而实现总体管控。在报告编制中也要以优化作为基础，及时得到可行性的报告，数据报告要通过批准。在报告中进行数据的分析和设计，实现全过程监督，明确评估的范围，提前设定消防安全的目标，对设定的场所进行多方调查，保证防火设计的真实性。加强所采用的分析模型和工具以及参数等分析，提出切实可行的方案。

四、结语

在当前高层建筑结构的防火设计中，针对具体设计形式和变化可知，在后期设计中必须明确钢结构的防火性能设计要求，形成完善的预防和控制体系。此外设计人员要对防火设计的工程资料进行了解，强化对防火现场的调研，提前制定防火设计模型，对出现火灾的概率进行评估。在高层的建筑防火设计中，由于其隐患多，很多人员在检查的时候无法及时察觉，因此不定期的现场进行检查，对防火现场、防火模型和概率等进行深化，确保从根本上提升建筑结构的安全性，降低火灾几率。